技術(shù)：污泥干化尾氣的研究.doc

技術(shù) | 污泥干化尾氣的研究利用水泥廠煅燒設(shè)備處理污水處理廠污泥是有效的途徑之一。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(duì)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(guò)程中可作為燃料，替代部分原煤。在濕污泥干化過(guò)程中，會(huì)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。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(lái)主要的廢氣治理方法。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)采用生物技術(shù)處理單一廢氣開展了大量的研究，對(duì)帶有一定溫度的混合廢氣處理的生物技術(shù)研究較少。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)，采用石灰石-石膏法結(jié)合生物處理的組合工藝對(duì)其進(jìn)行處理。污泥干化尾氣先經(jīng)過(guò)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(zhǎng)。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(cè)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22m，直徑2m，每層填充2.20m填料。填料為陶粒(粒徑30-50mm)和聚氨酯塊(8-27cm3)。氣體處理量為2700-3100m3h-1，有效停留時(shí)間為：21.88-25.10s。1-3.監(jiān)測(cè)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(yíng)養(yǎng)液，為微生物生長(zhǎng)提供所需的營(yíng)養(yǎng)和水分。營(yíng)養(yǎng)液成分：KH2PO4，2.0gL-1;KNO3，2gL-1;NaHCO3，1.0gL-1;MgCl26H2O，0.5gL-1;蛋白胨，10gL-1。噴淋量為1.5m3h-1。多余的營(yíng)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(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為1-2d一次，每次每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)10次以上。監(jiān)測(cè)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，50，48h。培養(yǎng)基成分：胰蛋白胨10gL-1，酵母提取物5gL-1，氯化鈉10gL-1;硫細(xì)菌培養(yǎng)基：Na2S2O35H2O，5gL-1;KH2PO4，2gL-1;KNO3，2gL-1;NH4Cl，1gL-1;FeSO47H2O，0.05gL-1;NaHCO3，2gL-1;MgCl26H2O，0.5gL-1;蛋白胨，10gL-1。所有試劑均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。場(chǎng)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4h;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：MOBIOPowerSoil基因組提取試劑盒(美國(guó)Mobio)提取DNA;PCR擴(kuò)增儀(GeneAmpRPCRSystem,9700,AB,USA)擴(kuò)增;采用DCode通用突變檢測(cè)系統(tǒng)(美國(guó)Bio-Rad)電泳分離PCR反應(yīng)產(chǎn)物;染色后用GelDocXR凝膠成像儀(美國(guó)Bio-Rad)捕獲凝膠數(shù)字圖像，并用圖形分析軟件QuantityOne對(duì)DGGE指紋圖譜進(jìn)行分析。對(duì)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(cè)序，將獲得的序列在NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)分析。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(guò)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。經(jīng)過(guò)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6400倍降至3000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(méi)有檢出氨，而在生物濾塔進(jìn)氣中有0.8-19mgm-3的氨檢出。污泥干化溫度200-300，干化尾氣中只檢測(cè)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(cè)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400-4800倍、1.49-202.65mgm-3、0.88-18.69mgm-3和0-68mgm-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(0-14d)，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(duì)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(zhǎng)，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0-37mgm-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2439，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(duì)污染物去除效果穩(wěn)定。表4不同時(shí)間段運(yùn)行效果第50-70d由于檢修，生物濾塔暫停運(yùn)行，第71d后開始重啟動(dòng)。在停運(yùn)期間，沒(méi)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(guò)8d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8d，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(duì)穩(wěn)定。重啟動(dòng)后，底物數(shù)量充足，功能種群能快速生長(zhǎng)，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(guò)脫硫塔之后，溫度降低到65左右。經(jīng)過(guò)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(zhǎng)溫度。一定壓力的氣體經(jīng)過(guò)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260mmH2O、180mmH2O以及120mmH2O，全部三層總的壓力損失為560mmH2O。運(yùn)行3個(gè)月后，三層的壓力損失分別為300mmH2O、200mmH2O以及160mmH2O，總的壓力損失為660mmH2O。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，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(huì)引起較大的壓力損失。由于需要定期向填料層噴淋營(yíng)養(yǎng)液維持微生物生長(zhǎng)所需的水分和營(yíng)養(yǎng)，因此填料層通常含有一定量的水分，壓力損失會(huì)隨填料含水率增加而增大。另外，微生物生長(zhǎng)過(guò)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(duì)填料層的壓力損失進(jìn)行控制。壓力損失過(guò)高時(shí)，生物濾塔處理效果降低，能耗增加。在本研究中，填料層壓力損失對(duì)生物濾塔的穩(wěn)定運(yùn)行無(wú)顯著影響。2.4物質(zhì)轉(zhuǎn)化氣體通過(guò)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(huì)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(guò)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(huì)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(zhǎng)，有長(zhǎng)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2.1108CFUg-1，硫細(xì)菌數(shù)量平均為8106CFUg-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4.45107CFUmL-1，硫細(xì)菌數(shù)量平均為4.65106CFUmL-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Bacillussp，類芽孢桿菌Paenibacillussp，梭菌Clostridiumthermosuccinogenes，假黃單胞菌Pseudoxanthomonassp，螯臺(tái)球菌Chelatococcussp，庫(kù)特氏菌Kurthiazopfii，紅長(zhǎng)命菌Tepidimonassp以及地芽孢桿菌Geobacillusdebilis(表6和圖4)。這些菌的分離來(lái)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Paenibacillussp能夠利用甲硫醇或硫磺為底物生長(zhǎng)。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。螯臺(tái)球菌Chelatococcussp。在50高溫、好氧條件下能將硝酸鹽反硝化，在24h內(nèi)脫氮率高達(dá)99.12%，氮?dú)馐欠聪趸^(guò)程的最終產(chǎn)物。研究發(fā)現(xiàn)，螯臺(tái)球菌Chelatococcussp。能有效地利用不同分子量的多環(huán)芳烴作為其生長(zhǎng)的碳源和能源，從而將其降解。Bacillusthermophilus為嗜熱芽孢桿菌，分離自高溫堆肥系統(tǒng)。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。在50-70環(huán)境下，梭菌Clostridiumthermosuccinogenes能將有機(jī)物分解為二氧化碳，其最適生長(zhǎng)溫度為58;假黃單胞菌Pseudoxanthomonassp?？梢詫⒃?、柴油等揮發(fā)性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CO2和H2O;地芽孢桿菌Geobacillussp。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(zhǎng)。微生物的生長(zhǎng)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(shì)種群。生物濾塔運(yùn)行了一定時(shí)間后