近年来,随着现代发酵工程技术的进步,生物发酵行业得到了长足发展。然而,生物发酵厂在生产过程中产生的恶臭气体污染问题日益突出,其中废水处理工艺为生物发酵厂恶臭气体产生的重要来源之一。生物发酵废水中除含有高浓度有机污染物外,还含有氮、硫等污染物质,因此在发酵废水的厌氧-好氧生物处理过程中,氨、硫化氢以及乙酸、乙醇和丁酸等挥发性有机化合物(VOCs)极易逸散到周围大气中,造成恶臭和异味气体污染^[1]。发酵废水处理工艺产生的恶臭气体具有产生面广、气体产生量大和气体成分复杂等特点,危害厂内工作人员和周围居民的身体健康,并对周围环境造成较大影响^[2,3],因此,发酵废水处理过程中产生的恶臭气体的治理越来越受到人们的重视。本研究以某生物发酵厂为例,介绍发酵废水处理工艺恶臭气体的产生特点、处理工艺选择与工程设计,研究结果可为同类发酵废水处理工艺恶臭气体处理的工艺选择和工程应用提供技术依据。

某生物发酵公司主要产品为氨基酸、生物多糖和功能性糖,各类产品的年产总量为8万t,采用的主要原料为玉米淀粉、豆粕和蛋白胨等。在淀粉糖化、液化、发酵、分离、提取和精制等各生产工艺及车间、设备冲洗过程均会产生一定量的废水。废水按高浓度废水和低浓度污水分类收集,污、废水总量为2 000m³/d,其中高浓度废水包括玉米淀粉废水、糖化废水和发酵废水,低浓度污水包括车间和设备冲洗水、蒸发冷凝水、锅炉排水和生活污水。废水主体处理工艺采用厌氧—好氧组合工艺,处理工艺流程如图1所示。

由图1可以看出,高浓度废水和低浓度污水分流处理,其中高浓度废水首先经气浮预处理后进行水解酸化处理,然后再进入厌氧内循环(IC)工艺进行处理,厌氧处理后的出水和其他低浓度污水一起采用好氧工艺进行处理,工艺出水一部分经曝气生物滤池—反渗透工艺深度处理后回用,其他不回用部分排放至污水管网。污、废水处理工艺产生的剩余污泥进行浓缩、脱水后外运至污泥处理厂进行处置。

由于该厂选址于城市近郊的工业园区,周围3km处分布着多处村庄和居民小区。为了避免该生物发酵厂废水处理工艺产生的恶臭气体对周边居民身体健康和生态环境的影响,在建厂之初,即根据项目环评报告书批复的要求建设和安装恶臭气体收集和处理设施,减少恶臭气体对厂内外大气环境的影响。

如前所述,该废水处理工艺采用厌氧—好氧组合工艺,由于废水中含有大量的COD、氮和硫等物质,这些物质容易发生生物转化,最终在搅动或曝气作用下以恶臭或异味气体的形式逸散至大气中。对各不同废水处理工艺设施恶臭气体的产生特点进行了分析,结果如表1所示。

表1结果表明,不同废水处理构筑物和工艺设施均会产生一定量的恶臭气体,但恶臭气体产生量和特性存在一定差异。其中,调节池、气浮池、水解酸化池和好氧曝气池这4种废水处理构筑物位于室外,且为露天设计,产生的恶臭气体极易发生逸散,气体主要成分为硫化氢、氨和VOCs^[4]。蛋白浓缩和烘干在单独的密闭车间内进行,气体较易收集,气体主要组成为粉尘、硫化氢、氨和VOCs,气体温度在50～80℃,同时气体产生呈间歇性特点。另外,由于厌氧罐出水是通过溢流口流至好氧池,在厌氧罐出水溢流时,也会产生一定量恶臭气体,主要成分为硫化氢、氨和VOCs,其中VOCs物质主要为乙酸、丁酸等小分子脂肪酸和甲苯。

综上,该项目废水处理工艺产生的恶臭气体的特点为:恶臭产生点位较分散,大部分处理构筑物未经封闭、较易逸散,需要进行集中密闭收集;蛋白浓缩和烘干车间产生的恶臭气体中含有少量颗粒物;厌氧罐溢流出水为连续过程,带来较大恶臭和异味,气体需要密闭收集。

对调节池、气浮池、水解酸化池、好氧曝气池、蛋白浓缩和烘干车间以及厌氧罐溢流处等产生的恶臭气体的组成和浓度进行多次采样分析,得出各处理设施产生浓度最高的8种恶臭物质的浓度范围和平均值,结果见表2。

由表2可以得出,该发酵废水不同处理设施检测出的恶臭物质种类较多,既含无机物又含有机物,主要包括硫化氢、氨、甲硫醇、甲硫醚、甲苯、苯乙烯、乙酸和正丁酸,其中,硫化氢和氨是浓度最高的两种恶臭物质,比如在好氧曝气池,硫化氢和氨浓度分别为0.19～34.3mg/m³和0.4～27.9mg/m³,而甲硫醇和甲硫醚的产生浓度均相对较低,在不同处理设施处,甲硫醇和甲硫醚的检出浓度均在0.05mg/m³及以下。

该发酵废水不同处理设施产生的恶臭物质浓度不同,其中好氧曝气池与蛋白浓缩和烘干车间产生的恶臭物质浓度相对较高,调节池产生的恶臭物质浓度相对较低。由表2知好氧曝气池产生的硫化氢、氨、甲硫醇、甲硫醚、甲苯、苯乙烯、乙酸和正丁酸浓度分别为0.19～34.3mg/m³、0.4～27.9mg/m³、0～0.04mg/m³、0～0.03mg/m³、0.04～3.5mg/m³、0.08～4.85mg/m³、0.02～1.23mg/m³和0.01～1.67mg/m³,而调节池产生的硫化氢、氨、甲硫醇、甲硫醚、苯甲苯、乙烯、乙酸和正丁酸浓度分别为0～1.8mg/m³、0～6.7mg/m³、0～0.007mg/m³、0、0～1.6mg/m³、0～1.23mg/m³、0～0.76mg/m³和0～0.45mg/m³,厌氧罐溢流出水处的恶臭气体中除硫化氢(0.3～20.5mg/m³)和氨(0.4～26.7mg/m³)浓度较高外,乙酸和正丁酸的产生浓度也较高,分别为0.02～9.5mg/m³和1.0～12.7mg/m³,

本研究的结果与城市污水处理工艺恶臭气体产生浓度的研究结果不同,城市污水处理工艺中调节池、曝气池、污泥浓缩池和污泥脱水间产生的恶臭物质主要为硫化氢、氨和有机硫类,且以硫化氢和氨为主,而乙酸、正丁酸等小分子挥发性脂肪酸浓度较低^[5,6]。由此可见,发酵废水处理工艺产生的恶臭气体组成相对复杂、浓度相对较高,且恶臭物产生浓度与生产工艺条件、废水水量和废水处理设施的运行状况密切相关。

针对废水处理过程产生的恶臭气体处理,应用较多的技术包括生物过滤技术、化学吸收技术和低温等离子体技术等。各种处理技术的除臭原理不同,各有其优势和应用范围,其中生物除臭技术是通过微生物的代谢作用将恶臭物质转化为无害或低害物质,具有处理效果好、运行费用低和无二次污染等特点,但设备占地面积大^[7,8,9];化学吸收技术通过选用不同的吸收溶剂来吸收不同的恶臭气体,具有工艺简单、应用范围广等优点,但需定期投加药剂,运行费用高^[10];低温等离子体技术利用高能电子、自由基等活性粒子与恶臭污染物发生作用,使恶臭气体分子在极短的时间内分解,并发生各种反应以达到降解恶臭污染物的目的,该技术具有处理效果好、运行稳定、操作管理简便等优点,但投资和运行费用均较高^[11]。

由于发酵废水处理过程产生的恶臭气体组成复杂、逸散特性各异、恶臭物质种类多,采用单一技术难以同时有效去除所有的恶臭物质。考虑工艺可靠性、投资和运行经济性以及操作便利性等因素,本项目选择在调节池、气浮池、水解酸化池、好氧曝气池、厌氧罐溢流处、蛋白浓缩和烘干车间等不同除臭区域分别利用组合式生物除臭工艺、喷淋洗涤工艺、喷淋洗涤—电除雾—低温等离子组合工艺对恶臭气体进行处理。本项目不同区域恶臭气体处理工艺选择见表3。

由表3可以得出,不同除臭区域的空间特点和恶臭气体的产生特性均存在较大差异。其中,调节池、气浮池、水解酸化池和好氧处理设施均设置在室外,具有易封闭的空间特点,且恶臭气体产生量大,因此选择对该类设施产生的恶臭气体密闭收集后采用组合式生物除臭工艺处理。厌氧罐溢流处恶臭气体中硫化氢、氨、乙酸和正丁酸4种酸碱性物质的浓度较高,采用“碱洗—次氯酸喷淋洗涤”工艺进行处理,其中碱洗喷淋用于吸收硫化氢、乙酸和正丁酸等酸性物质,次氯酸喷淋用于吸收氨气等碱性物质。蛋白浓缩和烘干车间恶臭气体为高温气体,气体组成复杂并含有少量颗粒物,选择“喷淋洗涤—电除雾—低温等离子组合”工艺进行处理,其中喷淋洗涤和电除雾为预处理技术,喷淋洗涤主要用于去除易溶于水的氨气、酸性硫化氢气体和颗粒物,再经电除雾系统去除含有害物质的雾滴后进入低温等离子体反应器,去除恶臭气体中的大部分污染物。

该项目除臭系统由气体收集系统、输送系统和处理系统组成。通过对各区域的除臭空间尺寸及好氧曝气工艺通风量核算,得出不同区域的除臭设计风量。同时,结合各区域进气恶臭浓度和排放标准、各区域空间特点,进行除臭设备选型和工艺参数设计。

对调节池、气浮池、水解酸化池和好氧曝气池等露天的废水处理构筑物进行密闭处理,在各构筑物上部安装彩钢板罩棚并密封。根据各构筑物尺寸,选择合理的换气系数,计算出密闭后各构筑物的总设计气体量为15 000m³/h,气体收集后经风机输送至组合生物除臭系统进行处理,具体工艺和运行参数见表4。

组合生物除臭系统生物单元内部分生物滴滤区和生物过滤区,每个反应区分别控制不同的运行参数和不同的高效菌群,使恶臭气体中各类污染物能够得到彻底降解。设备运行时恶臭气体从底部进入,与填料表面的生物膜作用使恶臭物质得到去除,处理后从反应器顶部排出,提升泵定期将循环液由至装置底部的循环液槽输送至顶部,并由喷淋装置喷淋至填料,填料湿含量和循环液pH通过自控系统调控^[13]。组合生物除臭设备采用长方体式外型,集加湿和生物处理工艺于一体,具有结构紧凑、占地面积小、运行简单、能耗低、无二次污染物等优点,能够较好的实现各废水处理构筑物产生的恶臭气体的达标排放。

对厌氧罐的产气部位进行密闭,对出水溢流口恶臭气体进行收集后采用“碱洗—次氯酸喷淋洗涤工艺”处理。具体工艺参数见表5。

由于厌氧罐溢流处产生的恶臭气体成分主要为硫化氢、氨、乙酸和正丁酸4种酸、碱性物质,且为中等浓度,因此选择“碱洗—次氯酸喷淋洗涤”工艺处理。工艺的主体设备为喷淋洗涤塔,在喷淋洗涤塔填料内,分别采用氢氧化钠溶液和次氯酸溶液作为喷淋介质,气体停留3～6s,通过酸液和碱液的洗涤和吸收作用将恶臭气体中的酸性和碱性物质去除,净化后的气体经除雾装置除雾后排放。工艺中氢氧化钠溶液和次氯酸溶液两级喷淋洗涤保证了气体中绝大部分恶臭物质的高效去除,较单一的碱液或酸液洗涤去除率更高,能够达到较好的恶臭气体去除效果,具有工艺简单,管理操作方便等优点,但由于厌氧罐溢流处恶臭气体产生量较大,喷淋洗涤塔运行过程中会产生较多的喷淋洗涤液,因此需对喷淋洗涤液进行妥善处理。

蛋白浓缩和烘干车间产生的恶臭气体通过收集系统收集后引至处理系统,主体处理工艺为喷淋洗涤—电除雾—低温等离子组合工艺。具体工艺参数见表6。

由于蛋白浓缩和烘干车间产生的恶臭气体组成相对复杂且含有少量颗粒物,工艺首先采用喷淋洗涤和电除雾技术进行预处理,喷淋洗涤工艺的主体设备为喷淋塔,恶臭气体首先进入气体分布器,弱碱性循环液与气体进行完全饱和接触并反应,使易溶于水的氨气、酸性硫化氢气体和颗粒物得到大量去除,降低后续反应负荷,由于雾滴中含有大量有害物质,为保护后续处理设备,采用电除雾系统进行除雾,电除雾器通过在阴、阳极之间形成强大的电场,使雾滴在电场力作用下向阳极板定向运动并聚集实现除雾目的。经喷淋洗涤和除雾后的恶臭气体进入低温等离子体反应器,气体停留时间为1～1.5s,在高能电子的作用下,恶臭分子受激发,带电粒子或分子间的化学键被打断,同时气体中的水和氧气在高能电子轰击下也会产生羟基自由基、活性氧等强氧化性物质,与未去除的恶臭气体反应使其得到去除^[14]。本工程利用喷淋洗涤、电除雾和低温等离子体的协同作用,进一步提高了恶臭气体去除效率,具有处理效果好、操作简单和运行稳定等优点。

目前,该工程的3套除臭系统已运行近2年时间,系统运行稳定,各项参数满足设计标准要求。同时,分别在厂区的东、南、西、北厂界设置4个无组织排放监测点,对主要恶臭污染物质硫化氢、氨和臭气浓度进行了监测,结果见表7。

由表7可以得出,厂区的东、南、西、北厂界的主要恶臭物质硫化氢、氨和臭气浓度符合《恶臭污染物排放标准》(GB 14554-93)规定的恶臭污染物厂界标准要求,说明除臭工程的实施对发酵废水处理过程排放的恶臭气体起到了较好的控制作用,工程实施达到了预期效果。

该废水处理设施不同区域产生的恶臭物质浓度差异较大,其中曝气池和蛋白浓缩车间产生的各种恶臭物质浓度相对较高,主要包括硫化氢和氨。本工程对各废水处理构筑物、厌氧罐溢流处以及蛋白浓缩车间3种不同区域产生的恶臭气体分别采用组合式生物处理工艺、碱洗—次氯酸喷淋洗涤工艺、喷淋洗涤—电除雾—低温等离子组合工艺进行处理,得到良好的去除效果,为类似工程项目提供了良好的示范效应。