郭靜，匡穎，王召，楊秀文
(天津大學建工學院，天津300072)

　　摘　要：復合床生物反應器內充填了粘土陶粒和輕質懸浮填料，是生物濾池和移動床生物膜反應器結合為一體的新型生物反應器。該生物反應器能夠同時處理臭氣和污水，且除臭效果好，無堵塞問題。試驗結果表明，在11～15℃氣溫下，當惡臭氣體中H2S含量為500mg/L、污水的COD為200～800mg/L時，H₂S與COD的去除率分別為90%和80%。
　　關鍵詞：復合床生物反應器；除臭；去除有機物
　　中圖分類號：X521；X703.3
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2001)09-0010-04

Use of Hybrid Bed Bioreactor for Treatment of Foul Gas and Wastewater
GUO Jing,KUANG Ying,WANG Zhao,YANG Xiu-wen

(School of Construction Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

　　Abstract：The Hybrid bed bioreactor was packed with ceramsite and light floating medium.Itis a new type bioreactor by combining the biofilter with a moving bed biofilm reactor,which is able to treat simultaneously the foul gas and wastewater with good effect and without clogging.The test results show that at temperature of 11～15℃,if H2S content in foul gas is 500 mg/L and COD in wastewater is 200～800mg/L,the removal rate is 90% and 80% respectively for H2S and COD.
　　Keywords:hybrid bed bioreactor;odor removal;removal of organic matters

　　早在20世紀50～60年代的某些發達國家，居民指控污水處理廠臭氣污染的公害訴訟案件就屢屢發生。日本于1971年6月制定的惡臭防止法中，把城市污水處理廠惡臭發生源作為一個主要評價對象。大量的調查結果表明，污水處理廠的惡臭物質主要是氨、硫化氫、甲硫醇等(見表1)［1］。從惡臭成分含量來看，氨最多，其次是硫化氫、甲硫醇。而硫化氫、甲硫醇的惡臭強度最高，為4～5級(按照日本的0～6級惡臭強度等級劃分)，屬強臭，不僅影響人的感官，而且有害健康。
　　1957年，Pomeray RD在美國加利福尼亞一城市污水處理廠利用土壤對臭氣進行過濾，由于土壤中微生物的氧化作用，將臭氣中的H2S轉化成SO₄²-等無臭物質，除臭效果十分顯著，受到了全世界的矚目。另外，生物脫臭的工藝設備簡單、運轉維護方便、效率高、費用低，不僅減少了二次污染(甚至沒有)，而且還可以同時進行除臭與污水的處理。針對城市污水處理廠的主要惡臭物質，利用污水生物處理裝置進行除臭研究，對控制城市惡臭污染是很有意義的。

表1　　城市污水處理廠惡臭成分測定結果 惡臭物質 分子式 濃度(mg/m³) 惡臭強度 乙醛 CH₃CHO 3.643 未檢出 丙醛 C₂H₅CHO 0.214 未檢出 乙酸 CH₃COOH 0.41 未檢出 丙酸 C₂H₅COOH 　 未檢出 硫化氫 H₂S 3.643 4.5 甲硫醇 CH₃SH 0.214 4.7 甲硫醚 (CH₃)2S 0.415 3.2 二甲二硫 (CH₃)₂S₂ 0.00839 1.9 氨 NH₃ 4.857 3.2 三甲氨 (CH₃)N 0.00911 2.0

1　試驗裝置與方法

1.1　試驗裝置
　　復合床生物膜反應器(CBBR)是把生物濾池與移動床生物膜反應器結合起來的一體式生物處理裝置。
　　移動床生物膜反應器(MBBR)是1988年由挪威KMT公司開發的新型、高效、低能耗的廢水生物處理裝置［2］，采用了比表面積大、空隙率高、輕質懸浮填料，充填率為70%左右。在曝氣的條件下，懸浮填料在反應器內呈移動狀態，避免了一般固體填料易堵塞及軟性、半軟性填料的內部結團現象。CBBR用內徑為100mm的有機玻璃管制成，有效高度為250mm。在CBBR的底部是生物濾床，以粘土陶粒作填料，高度為75mm，占反應器有效容積的30%。上部是移動床，采用聚丙烯懸浮填料，填充率為48%。試驗時，懸浮填料可以浮在投配液上部，如圖1所示。

1.2　惡臭氣體與污水
　　根據污水處理廠臭氣的分析結果，試驗采用含H₂S的氣體作為臭氣源。H₂S惡臭氣體是在氣體發生器內配制的，其濃度在5～500mg/m³范圍內。污水是用葡萄糖及各種無機鹽配制的，COD約為200～800mg/L。
1.3　CBBR處理H2S工藝流程
　　CBBR脫臭系統為氣、液兩相逆流操作，含H₂S的氣體由底部進入，經過生物濾床、移動床由頂部排出。污水則由頂部均勻地噴灑下來，由底部排液管流入沉淀槽。
1.4　分析項目及檢測方法
　　氣體流量：濕式氣體流量計；pH值：PHS—2C型酸度計；SO₄²-：鉻酸鋇光度法；COD：重鉻酸鉀法；H₂S氣體濃度：檢知管法。

2　H₂S的生物轉化過程

2.1　微生物的硫化作用
　　生物除臭的原理是H₂S在微生物的作用下，被氧化成硫磺和硫酸，這就是硫化作用。硫化作用主要是由硫磺細菌和硫化細菌引起的［3］。
　　硫磺細菌包括無色硫磺細菌和紫色硫磺細菌，它們能將硫化氫氧化成硫磺顆粒貯存于細胞內。當環境中缺少H2S時，細胞內的硫磺顆粒則繼續被氧化成硫酸，即：

　　在好氧條件下的硫化細菌主要是排硫桿菌和氧化硫桿菌。排硫桿菌能氧化H2S為硫酸，同時生成硫而積留于細胞體外，氧化硫桿菌再將硫氧化成硫酸。H2S在上述細菌的作用下被氧化成硫酸。
2.2　H₂S的生物氧化過程
　　在H₂S被微生物氧化的過程中，水是不可缺少的。H2S的生物氧化過程相當復雜，一般認為可分為三個步驟［4］。
　　①H₂S氣體的溶解
　　生物脫臭的第一個步驟是使惡臭物質溶于水。氣體中的H2S在溶于水的同時，也發生了電離：

　　H₂S被微生物轉化的結果是生成硫酸。SO₄²-的累積會導致pH值降低，因而不利于H₂S溶解，會影響生物脫臭效率。
　　②生物膜的吸附作用
　　H₂S溶于水后被生物膜吸附、吸收，吸附與吸收的速率與溫度、pH值、微生物量等諸多因素有關。由于生物膜的吸附與吸收作用，使H₂S在水中濃度降低。H₂S不斷地由氣相轉入液相，遵循亨利定律，保持氣液兩相平衡關系。
　　③H₂S的降解
　　在好氧條件下，由于硫磺細菌和硫化細菌的硫化作用，將H₂S轉化為H₂SO₄。轉化過程中產生能量以維持微生物的生命活動，使H2S的氧化過程持續不斷地進行著。

3　試驗結果與分析

3.1　對H₂S的去除效果
　　CBBR處理H2S惡臭氣體的試驗研究連續運行了6個多月，溫度在10～16℃范圍。進氣量為0.95、1.62和3.78m³/d，氣體的停留時間逐步由178s縮短到45s。在改變進氣量的同時，也改變H2S的進氣濃度，以觀察CBBR對H2S的去除能力。
　　在進氣量變化時，進水量保持不變(流量為50mL/h)。使液氣比(V/V)由1.26降低到0.74和0.32的過程中，進水方式是連續的，排水則是間斷的(8h排一次，約400mL)。CBBR中的懸浮填料隨著氣流與水位的變化上下移動，并伴隨有旋轉或攪動，使氣、液、固三相間有著良好的接觸。
　　表2列出了CBBR處理H2S的試驗結果。

表2　CBBR處理H₂S的試驗效果 去除速率［g/(m³·d)］ 進氣量(m³/d) 停留時間(s) 進水量(L/d) 液氣比 H₂S濃度(mg/m³) 容積負荷［g/(m³·d)］ 去除率(%) 出水 進氣 出氣 SO₄^2-(mg/L) pH值 5.82 0.95 178 1.2 1.26 12 未檢出 5.82 100 80 6.9 19.87 42 1 20.36 97.66 144 6.7 40.54 87.5 3 42.41 96.6 221 6.4 58.17 125 5 60.59 96.0 210 6.4 89.67 200 15 96.94 92.5 234 6.3 4.95 1.62 105 1.2 0.74 6 未檢出 4.95 100 70 7.0 32.23 40 1 33.06 97.5 190 6.6 59.51 75 3 61.99 96 220 6.4 77.61 100 6 82.65 94 246 6.3 96.31 127.5 11 105.38 91.4 260 6.2 19.26 3.78 45 1.2 0.32 10 未檢出 19.26 100 130 6.8 52.16 28 1 54.0 96.4 132 6.8 73.28 40 2 77.14 95 194 6.5 123.39 70 6 135.0 91.4 256 6.2 173.60 100 10 192.86 90 272 6.2

　　從表2的測定數據可以看出，惡臭氣體在生物反應器內停留時間僅為45～178s，但是去除率均在90%以上；在進氣濃度相同時，去除率略有下降；在進氣量相同時，去除率則隨著進氣中H₂S濃度的提高而有所降低。但是在試驗范圍內，CBBR對H₂S的去除速率隨著容積負荷增長而提高，這表明CBBR還具有去除H2S的潛力。
　　CBBR在處理H2S惡臭氣體時，與普通生物濾池相比，沒有堵塞問題，而且出水pH值在6以上。而普通生物濾池在同樣的負荷條件下的pH值要低于6［5、6］，這可能與CBBR內持液量較高有關。
3.2　對污水的同步處理效果
　　利用微生物的代謝功能來降解氣體中的H2S，是在有水的條件下進行的，同時水中的有機物及其營養鹽也是生命活動必不可少的，因此CBBR可以同時處理臭氣和污水。
　　在研究CBBR對惡臭氣體和污水的同步處理效果時，連續進氣流量為1.62m³/d，H₂S濃度保持在500mg/m³。進水分為兩種形式：一是連續進水，水流量為50mL/h，8h排一次水，排水量為400mL；另一種是間歇進水，一次進水量為400mL，反應時間約8h，然后一次排出400mL，再次進水，周而復始。進水中COD濃度為200～800 mg/L。兩種運行方式表明生物反應器同時處理污水并脫臭是可行的，H₂S與COD的去除效果如表3、4。但是在同一反應器內，惡臭物質和污水水質對微生物的影響以及微生物同步降解氣、液兩相中污染物的過程機理，還需要大量、深入地研究，以作進一步探討。

表3　CBBR去除H₂S和COD的效果(Ⅰ) 進氣量(m³/d) 連續進水量(mL/h) H₂S濃度(mg/m³) COD濃度(mg/L) 去除率(%) 進氣 出氣 進水 出水 H₂S COD 1.62 50 500 140 200 70 72 65 1.62 50 510 47 406 115 90.8 71.7 1.62 50 510 38 590 176 92.5 70.2 1.62 50 500 34 810 307 93.2 62.1

表4 CBBR去除H₂S和COD的效果(Ⅱ) 進氣量(m³/d) 一次進水量(mL/8h) H₂S濃度(mg/m³) COD濃度(mg/L) 去除率(%) 進氣 出氣 進水 出水 H₂S COD 1.62 400 500 173 804 142 65.4 82.3 1.62 400 510 89 607 83 82.2 86.3 1.62 400 510 52 411 53 89.8 87.1 1.62 400 500 40 202 33 92 83.6

4　微生物量的測定

　　在正常運行狀況下，CBBR下部是固定生物膜濾床，其有效容積為0.31 L；上部是移動床，其中懸浮填料體積為0.12 L，持液量約1.53 L。因此，CBBR內的微生物既有附著生長的體系， 也有懸浮生長的體系。為了了解微生物的分布狀況，對各部分的微生物量進行了測定。懸浮生長的微生物量用SS表示，固定生長的微生物量用生物膜干重表示。測定結果如下：
　　①CBBR混合液SS為1 604 mg/L，總量約為2.456 g；
　　②固定填料生物膜總量為12.036 g；
　　③移動床懸浮填料生物膜總量為1.428 g。
　　CBBR微生物總量約為15.92 g。

5　結論

　　CBBR處理含H2S惡臭氣體的試驗結果表明，生物除臭工藝簡單、效果顯著。而且，生物處理裝置可以同時處理污水和惡臭氣體。城市污水處理廠是主要的惡臭發生源，在污水生物處 理的過程中考慮惡臭氣體處理是可行的。采用在曝氣池中投加懸浮性填料的方法，可以有效去除污水處理設施所散發的惡臭氣體。
　　CBBR是生物濾池、移動床生物膜反應器組合成的一體化生物處理裝置。CBBR內微生物既有附著生長體系，又有懸浮生長體系，適應性強，還避免了生物濾池的堵塞問題，在處理H2S等惡臭氣體時，沒有嚴重的酸積累問題。

參考文獻：

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　　［2］Degaard H,Rusten B,Badin H.Small wastewater treatment plants based on moving bed biofilm reactors［J］.Water Sci Tech,1993,28(10):351-359.
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　　［5］郭靜，黃炎歆.生物濾池脫臭性能的研究［J］.中國給水排水，1996，12(2)：32-33.
　　［6］馬有衛，李國建.生物法凈化H2S氣體的研究［J］.環境工程，1996，2(2)：18-21.

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　　作者簡介：郭靜(1946-)，女，山東淄博市人，天津大學 建工學院環境工程系教授，主要從事污水生物處理方面的研究。
　　電　　話：(022)27890461
　　E-mail:wfang@public.tpt.tj.cn
　　收稿日期：2001-04-25