利用水泥廠煅燒設(shè)備處理污水處理廠污泥是有效的途徑之一[1, 2, 3, 4, 5]. 由于污水處理廠脫水污泥的含水率大多在80%，而水泥窯焚燒要求污泥含水率低于30%，因此在利用水泥窯焚燒污泥之前，須對污泥進(jìn)行干化. 水泥窯的熱煙氣可以作為污泥干燥的熱源加以利用. 干化后的污泥送入水泥窯煅燒處置. 干化污泥含有大量有機(jī)質(zhì)，煅燒過程中可作為燃料，替代部分原煤. 在濕污泥干化過程中，會釋放出大量的水分、 二氧化碳及揮發(fā)性有機(jī)物，氣體溫度高且伴有惡臭，危害大氣環(huán)境，影響周邊居民身體健康[6, 7, 8, 9]. 目前，常見的廢氣處理方法有吸附法、 吸收法、 氧化法、 中和法、 催化燃燒法和生物法，其中生物法憑借其投資少、 處理效果好、 二次污染少等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為近年來主要的廢氣治理方法. 目前國內(nèi)外對采用生物技術(shù)處理單一廢氣開展了大量的研究，對帶有一定溫度的混合廢氣處理的生物技術(shù)研究較少[10]. 為了有效處理污泥干化尾氣中的混合污染物，構(gòu)建高溫生物濾塔，研究生物濾塔的處理效果及運(yùn)行特征，分析濾塔內(nèi)的微生物的量和種群特征，以期為污泥干化尾氣的有效處理處置提供科學(xué)的參考依據(jù)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)工程化應(yīng)用.
1 材料與方法
1.1 生物濾塔
根據(jù)污泥干化尾氣成分復(fù)雜、 溫度高，SO2濃度較高的特點(diǎn)[1]，采用石灰石-石膏法結(jié)合生物處理的組合工藝對其進(jìn)行處理. 污泥干化尾氣先經(jīng)過脫硫塔，再進(jìn)入生物濾塔. 大部分SO2在脫硫塔內(nèi)轉(zhuǎn)化為脫硫石膏，作為水泥生產(chǎn)原料再利用. 生物濾塔為鋼結(jié)構(gòu)的圓柱體，內(nèi)部填充填料供微生物附著生長. 氣體中的SO2、 揮發(fā)性有機(jī)物、 氨等物質(zhì)在生物濾塔內(nèi)被微生物降解，凈化后的氣體從生物濾塔頂部排放.
污泥干化尾氣生物處理系統(tǒng)包括氣體輸送系統(tǒng)、 生物濾塔、 噴淋系統(tǒng)、 電控系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng). 氣體輸送系統(tǒng)包括：風(fēng)機(jī)、 冷凝水分離系統(tǒng)、 進(jìn)氣管路、 排氣管等設(shè)施. 生物濾塔為三層結(jié)構(gòu)(圖 1)，塔高22 m，直徑2 m，每層填充2.20 m填料. 填料為陶粒(粒徑30-50 mm)和聚氨酯塊(8-27 cm3). 氣體處理量為2700-3100 m3 ·h-1，有效停留時(shí)間為：21.88-25.10 s.
1-3.監(jiān)測口; 4-6.控制閥; 7.風(fēng)機(jī); 8.循環(huán)水池; 9-11.噴淋頭; 12.填料層(1); 13.填料層(2); 14.填料層(3); 15.進(jìn)氣口; 16.出氣口 圖 1 生物濾塔
實(shí)驗(yàn)室在50-55℃下篩選出的功能菌種經(jīng)富集后，接種于生物濾塔的填料上. 定期噴淋營養(yǎng)液，為微生物生長提供所需的營養(yǎng)和水分. 營養(yǎng)液成分：KH2PO4，2.0 g ·L-1; KNO3，2 g ·L-1; NaHCO3，1.0 g ·L-1; MgCl2 ·6H2O，0.5 g ·L-1; 蛋白胨，10 g ·L-1. 噴淋量為1.5m3 ·h-1. 多余的營養(yǎng)液排入循環(huán)水池循環(huán)使用. 循環(huán)池內(nèi)的水定期排入污水處理系統(tǒng)，處理后再利用.
1.2 分析方法
生物濾塔運(yùn)行效果考察：處理效果監(jiān)測，監(jiān)測頻率為1-2 d一次，每次每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測10次以上. 監(jiān)測內(nèi)容包括：氣體中的惡臭濃度，總揮發(fā)性有機(jī)物(TVOC)、 SO2以及氨等物質(zhì)的濃度(表 1); 氣體溫度、 壓力損失; 循環(huán)液水質(zhì)，包括氨氮、 硝酸鹽氮、 硫酸根、 化學(xué)需氧量以及總有機(jī)碳的濃度(表 2); 微生物豐度以及微生物種群特征.
表 1 氣體分析方法
表 2 水樣分析方法
細(xì)菌培養(yǎng)：LB培養(yǎng)基，50℃，48 h. 培養(yǎng)基成分：胰蛋白胨10 g ·L-1，酵母提取物5 g ·L-1，氯化鈉10 g ·L-1; 硫細(xì)菌培養(yǎng)基：Na2S2O3 ·5H2O，5 g ·L-1; KH2PO4，2 g ·L-1; KNO3，2 g ·L-1; NH4Cl，1 g ·L-1; FeSO4 ·7H2O，0.05 g ·L-1; NaHCO3，2 g ·L-1; MgCl2 ·6H2O，0.5 g ·L-1; 蛋白胨，10 g ·L-1. 所有試劑均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn).
場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察(SU-8020，日本日立公司)：2.5%戊二醛固定4 h; 磷酸緩沖液洗滌3次; 乙醇梯度脫水; 乙酸異戊酯置換乙醇2次; 臨界點(diǎn)干燥; 噴金.
DGGE分析：MOBIO Power Soil 基因組提取試劑盒(美國Mobio)提取DNA; PCR擴(kuò)增儀(GeneAmpR PCR System,9700,AB,USA)擴(kuò)增; 采用DCode通用突變檢測系統(tǒng)(美國Bio-Rad) 電泳分離PCR反應(yīng)產(chǎn)物; 染色后用Gel Doc XR凝膠成像儀(美國Bio-Rad)捕獲凝膠數(shù)字圖像，并用圖形分析軟件Quantity One對DGGE指紋圖譜進(jìn)行分析. 對目的條帶進(jìn)行切膠、 擴(kuò)增、 純化和克隆，使用T7引物(5′-TAATACGACTCACTATAGGG-3′)測序，將獲得的序列在NCBI數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對分析[11].
2 結(jié)果與討論
2.1 干化尾氣和生物濾塔進(jìn)氣成分特征
污泥干化過程中，污泥中的有機(jī)質(zhì)受熱分解，轉(zhuǎn)化為含碳、 含氮以及含硫等散發(fā)臭味的物質(zhì)(表 3)，引起惡臭污染[1]. 經(jīng)過脫硫塔的處理后，干化尾氣中TVOC以及氨的濃度分別減少了68.49%、 30.77%; 98%的SO2與石灰石反應(yīng)生成石膏; 臭氣濃度也從平均6 400倍降至3 000倍，減少了53.13%. 脫硫塔在去除大部分SO2的同時(shí)，也減少了一定的臭氣濃度. 在干化尾氣中沒有檢出氨，而在生物濾塔進(jìn)氣中有0.8-19 mg ·m-3的氨檢出. 污泥干化溫度200-300℃，干化尾氣中只檢測到氮氧化物. 脫硫塔溫度70-130℃，脫硫吸收液含有大量的堿性物質(zhì)石灰石，由于污泥干化尾氣中帶有一定量的干化污泥粉塵，粉塵中的含氮物質(zhì)在高溫堿性環(huán)境中轉(zhuǎn)化成氨，從固相轉(zhuǎn)移到氣相，因此在脫硫塔的出氣(即生物濾塔進(jìn)氣)中存在一定濃度的氨.
表 3 干化尾氣和生物濾塔進(jìn)氣成分
2.2 生物濾塔運(yùn)行效果
生物濾塔連續(xù)運(yùn)行近4個(gè)月，定期取樣檢測生物濾塔進(jìn)氣口、 出氣口中的惡臭濃度、 總揮發(fā)性有機(jī)物(TVOC)、 氨以及SO2等物質(zhì)濃度，考察生物濾塔的運(yùn)行效果. 由于污泥干化量以及脫硫塔的處理效果不同，生物濾塔惡臭濃度、 總揮發(fā)性有機(jī)物、 氨以及SO2的進(jìn)氣濃度發(fā)生波動(dòng)，范圍分別為400-4 800倍、 1.49-202.65 mg ·m-3、 0.88-18.69 mg ·m-3和0-68 mg ·m-3(圖 2和表 3).
圖 2 生物濾池的去除效果
在生物濾塔啟動(dòng)期(0-14 d)，微生物剛剛接種到填料上，需要適應(yīng)生物濾塔的環(huán)境、 底物成分和濃度，因此除了SO2，氨、 TVOC以及惡臭的去除效率均較低(表 4). 接種物以脫硫菌為主，因此生物濾塔對硫化物以及SO2的去除效果最為明顯. 隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，惡臭及TVOC的去除率逐漸提高，在穩(wěn)定運(yùn)行期，TVOC、 氨以及SO2的濃度范圍分別為1.07-10.7、 0.87-6.33和0-37 mg ·m-3，平均去除率分別到達(dá)87.01%、 93.61%和100%，其中SO2的去除效果最好. 進(jìn)氣中惡臭濃度平均為2 439，因?yàn)榇蟛糠治镔|(zhì)被有效去除，在濾塔出氣口的惡臭濃度平均值降為943，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn). 生物濾塔在穩(wěn)定運(yùn)行期運(yùn)行狀況良好，對污染物去除效果穩(wěn)定.
表 4 不同時(shí)間段運(yùn)行效果
第50-70 d由于檢修，生物濾塔暫停運(yùn)行，第71 d后開始重啟動(dòng). 在停運(yùn)期間，沒有廢氣進(jìn)入生物濾塔，微生物缺乏可利用的底物，導(dǎo)致其活性降低、 數(shù)量減少. 因此，重啟動(dòng)后的一段時(shí)間，生物濾塔處理效果不穩(wěn)定，去除率下降. 經(jīng)過8 d恢復(fù)運(yùn)行后，去除效果逐漸恢復(fù)，生物濾塔再次達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài). 重啟動(dòng)期為8 d，與啟動(dòng)期相比，重啟動(dòng)時(shí)間明顯縮短，這是因?yàn)樵谥暗姆�(wěn)定運(yùn)行期，生物濾塔內(nèi)已經(jīng)形成了能夠降解干化尾氣中各類污染物的功能種群，且種群結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定. 重啟動(dòng)后，底物數(shù)量充足，功能種群能快速生長，恢復(fù)活性，使去除率短期內(nèi)升高且保持穩(wěn)定.
2.3 氣體溫度和壓力損失
干化尾氣的溫度為120-130℃，經(jīng)過脫硫塔之后，溫度降低到65℃左右. 經(jīng)過生物濾塔的填料層后，氣體溫度逐層降低，溫度分別為54-57、 50-53 以及45-47℃，為嗜熱微生物的最適生長溫度.
一定壓力的氣體經(jīng)過生物濾塔內(nèi)的填料時(shí)，因各種阻力造成的壓力降稱為壓力損失. 運(yùn)行初期，生物濾塔一層、 二層和三層的壓力損失分別為260 mmH2O、 180 mmH2O以及120 mmH2O，全部三層總的壓力損失為560 mmH2O. 運(yùn)行3個(gè)月后，三層的壓力損失分別為300 mmH2O、 200 mmH2O以及160 mmH2O，總的壓力損失為660 mmH2O. 隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，填料層的壓力損失略有升高. 壓力損失與填料的性質(zhì)、 含水率等因素相關(guān). 通常，粒徑較小或孔隙率較低的填料會引起較大的壓力損失. 由于需要定期向填料層噴淋營養(yǎng)液維持微生物生長所需的水分和營養(yǎng)，因此填料層通常含有一定量的水分，壓力損失會隨填料含水率增加而增大. 另外，微生物生長過多可導(dǎo)致填料層堵塞，引起壓力損失增加. 利用生物法處理廢氣時(shí)，宜根據(jù)裝置的尺寸、 填料形狀及實(shí)際運(yùn)行工況對填料層的壓力損失進(jìn)行控制. 壓力損失過高時(shí)，生物濾塔處理效果降低，能耗增加[12, 13]. 在本研究中，填料層壓力損失對生物濾塔的穩(wěn)定運(yùn)行無顯著影響.
2.4 物質(zhì)轉(zhuǎn)化
氣體通過生物濾塔時(shí)，氣體中污染物與反應(yīng)器內(nèi)的微生物接觸，被微生物吸附降解，降解產(chǎn)物會積聚在填料上，循環(huán)液在填料層中的流動(dòng)將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到液相中. 因此，通過分析循環(huán)液中的物質(zhì)成分，可以研究干化尾氣中物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化. 分析項(xiàng)目包括：總有機(jī)碳、 硝酸根離子、 硫酸根離子、 銨根離子、 碳酸根以及pH，結(jié)果列于表 5.
表 5 水樣指標(biāo)分析結(jié)果
干化尾氣中，含有大量的二氧化硫等含硫物質(zhì)、 氨等含氮物質(zhì)以及揮發(fā)性有機(jī)物，在微生物的作用下二氧化硫轉(zhuǎn)化為硫酸鹽; 氨被氧化為硝酸鹽或溶于水轉(zhuǎn)化為銨鹽; 揮發(fā)性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為二氧化碳及其它低分子有機(jī)物，二氧化碳溶于水轉(zhuǎn)化為碳酸鹽[式(1)-(4)]. 因此，循環(huán)液中含有大量硫酸鹽、 銨鹽、 硝酸鹽以及碳酸鹽等產(chǎn)物. 通常，產(chǎn)物的積累會影響生物系統(tǒng)的處理效果，循環(huán)液需要定期處理后再利用.
2.5 微生物特征
生物濾塔內(nèi)，污染物的去除主要依靠微生物的降解作用. 干化尾氣的成分和濃度影響微生物的數(shù)量和種群結(jié)構(gòu). 穩(wěn)定運(yùn)行3個(gè)月后，填料和溶液中都有一定量的微生物生長，有長桿菌、 短桿菌以球菌等(圖 3). 填料上的細(xì)菌數(shù)量(以填料計(jì)，下同)平均為2.1×108 CFU ·g-1，硫細(xì)菌數(shù)量平均為8×106CFU ·g-1，硫細(xì)菌與總細(xì)菌的比例為4%; 循環(huán)液中，細(xì)菌數(shù)量平均為4.45×107 CFU ·mL-1，硫細(xì)菌數(shù)量平均為4.65×106 CFU ·mL-1，硫細(xì)菌約占總細(xì)菌的10%，硫細(xì)菌在溶液中的比例較多.
(a)填料; (b)循環(huán)液 圖 3 填料上和循環(huán)液中微生物SEM照片
生物濾塔中的主要功能菌群為芽孢桿菌Bacillus sp.，類芽孢桿菌Paenibacillus sp.，梭菌Clostridium thermosuccinogenes，假黃單胞菌Pseudoxanthomonas sp.，螯臺球菌Chelatococcus sp.，庫特氏菌Kurthia zopfii，紅長命菌Tepidimonas sp.以及地芽孢桿菌Geobacillus debilis(表 6和圖 4). 這些菌的分離來源主要為污水、 活性污泥、 堆肥、 溫泉以及土壤等，大部分為嗜熱菌. 填料上檢出的細(xì)菌種群數(shù)量略高于溶液中的種群數(shù)量.
圖 4 生物濾塔微生物種群結(jié)構(gòu)
表 6 主要功能菌群 1
在pH為4-9的環(huán)境下，類芽孢桿菌Paenibacillus sp. 能夠利用甲硫醇或硫磺為底物生長[14, 15]. 該菌種是一種嗜熱菌，具有脫硫作用，可以有效地將二氧化硫、 有機(jī)硫化物等含硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化為硫酸鹽[16, 17]. 螯臺球菌Chelatococcus sp.在50℃ 高溫、 好氧條件下能將硝酸鹽反硝化，在24 h內(nèi)脫氮率高達(dá)99.12%，氮?dú)馐欠聪趸^程的最終產(chǎn)物[18]. 研究發(fā)現(xiàn)，螯臺球菌Chelatococcus sp.能有效地利用不同分子量的多環(huán)芳烴作為其生長的碳源和能源，從而將其降解[19]. Bacillus thermophilus為嗜熱芽孢桿菌，分離自高溫堆肥系統(tǒng)[15]. 芽孢桿菌適應(yīng)能力強(qiáng)，能降解廢氣中的苯、 甲苯、 二甲苯等苯系物[14]. 在50-70℃環(huán)境下，梭菌Clostridium thermosuccinogenes能將有機(jī)物分解為二氧化碳，其最適生長溫度為58℃[20]; 假黃單胞菌Pseudoxanthomonas sp.可以將原油、 柴油等揮發(fā)性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CO2和H2O[21, 22]; 地芽孢桿菌Geobacillus sp.也屬于嗜熱菌，它們能以不同類型的原油為碳源進(jìn)行生長[25, 26].
微生物的生長受生物濾塔內(nèi)環(huán)境的溫度、 底物成分和濃度的影響，污泥干化產(chǎn)生的廢氣中含有大量有機(jī)物、 硫化物以及含氮化合物，且干化尾氣溫度較高，因此，生物濾塔中存在多種耐熱微生物，并且脫硫菌、 脫氮菌以及有機(jī)物降解菌為優(yōu)勢種群. 生物濾塔運(yùn)行了一定時(shí)間后，形成了穩(wěn)定的生物系統(tǒng)，在菌群的共同作用下，二氧化硫、 氨、 TVOC能夠被有效去除.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
生物濾塔能夠有效的去除污泥干化尾氣中的SO2、 揮發(fā)性有機(jī)物以及氨等物質(zhì)，去除率分別達(dá)到100%、 87.01%及93.61%，對惡臭濃度的去除率也達(dá)到91.04%. 運(yùn)行了一定時(shí)間后，生物濾塔內(nèi)形成穩(wěn)定的生物系統(tǒng). 填料上的細(xì)菌數(shù)量為2.1×108 CFU ·g-1，硫細(xì)菌量為8×106 CFU ·g-1; 循環(huán)液中細(xì)菌量為4.45×107 CFU ·mL-1，硫細(xì)菌量為4.65×106 CFU ·mL-1. 大部分功能種群為嗜熱菌，并且脫硫菌、 脫氮菌以及有機(jī)物降解菌為優(yōu)勢種群.（來源及作者：廣州越堡水泥有限公司 陳文和 鄧明佳 羅輝 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 丁文杰 李琳 林堅(jiān) 劉俊新）
