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生物组合装置净化养殖舍硫化氢废气的试验与研究

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  摘 要:本文研究生物组合装置对畜禽养殖舍臭气中的硫化氢及常规生物法脱硫造成的二次污染的净化。本装置实现了硫化氢到硫单质的生物转化,单位面积的最大处理负荷可达357m3/m2·h,该工况下的适宜喷淋量为230L/m2·h,稳定运行时硫化氢平均去除率达98.6%。运行中实现了废液减排,大大降低了传统生物脱硫产生的二次污染问题。为生物法脱除H2S的工程应用提供了技术依据与指导。
  关键词:硫化氢;生物除臭;生物脱硫。
  在畜禽养殖业规模化发展过程中,养殖舍内的恶臭气体是一大难题,臭气成分主要包括H2S、NH3。目前针对畜禽养殖舍恶臭气体的处理,生物法已成为主流趋势。因生物法高效净化H2S与NH3的环境有所不同,本文研究生物法净化H2S的工艺装置与技术参数。针对目前国内外生物脱硫的研究中存在的SO42-二次污染问题,本研究使用自主研发的生物组合装置,对H2S及其产物SO42-进行净化处理,以期为生物法脱除H2S的工程应用奠定基础。
  1 材料与方法
  1.1 试验装置
  试验装置由硫氧化塔、硫还原塔两部分组成。其中,硫氧化塔由直径1.0m、高2.8m的有机玻璃制作而成,塔内装有填料,填料高度为1.5m。硫还原塔由直径0.5m、高2.5m的有机玻璃制作而成,塔内装有填料,填料高度为2.0m。
  本装置建于北京市昌平区某猪场,进气来自该猪场的猪舍。
  1.猪舍风机;2.硫氧化塔;3.营养物质投加箱;4.循环液提升泵;5.硫还原塔;6.缓冲水池;7.喷淋水泵;8.生物氧化填料;9.尾气管;10.高效雾化喷淋装置;11.生物还原填料;12.进气扩散装置。
  1.2 生物填料
  填料的选择是反应器设计的重要因素,生物除臭设备的填料宜选择比表面积大、气阻低、轻质便捷、使用寿命长的填料。根据我公司的污水处理工程经验,好氧装置(硫氧化塔)选用PU填料;厌氧装置(硫还原塔)选用立体纤维挂膜填料。
  1.3 试验方法
  挂膜所用的活性污泥来自北京市某再生水厂的污水A/O生化池,挂膜方式为直接通气挂膜法,设备启动后加入活性污泥,并加入配置好的无机营养液,以缩短系统挂膜时间。驯化采用60m3/h低流量猪舍废气,循环量、喷淋量均为0.8L/min。定期补充自来水。生物降解H2S的最佳pH有两个区间,分别为强酸(pH≈2)、中性(pH≈7),本试验控制循环液的pH 为6.0-8.0。
  挂膜完成并正式开始运行调试后,持续监测进出气的H2S含量。定期(2-3天)检测两套装置循环液中的COD、S2-、SO42-、S单质、pH,分别研究硫氧化塔对H2S的氧化、硫还原塔对SO42- 的还原。
  1.4 分析方法
  采用GT-903手持硫化氢检测仪人工监测H2S浓度;采用ICS2000离子色谱仪检测循环液中S2-、SO42- 的浓度;采用Agilent1200高效液相色谱检测单质S含量。
  2 试验结果与分析
  试验过程中的自变因素主要为废气处理量与喷淋量,据此设五组试验。气体处理量分别为140、140、200、280、280m3/h,循环液喷淋量分别为1.5、2.5、2.5、2.5、3L/min。
  2.1 最大处理负荷研究
  为研究本套装置的最大处理负荷,根据气体停留时间与笔者前期的考察,设置上述3组废气处理量。废气处理量分别为140、200、280m3/h,设备负荷分别为178、255、357m3/m2·h。考察硫化氫的去除效果随处理规模的变化关系,见图2。
  结果表明,处理量由140m3/h增至280m3/h过程中,硫化氢的去除率均较高。试验后期,尝试继续加大废气处理量至320m3/h,发现此时气体压损突然变大,不可用于实际工程。结论:本套反应系统的最大处理负荷为357m3/m2·h,气体在好氧填料内停留时间最短15s,H2S平均去除率为98.6%。
  2.2 喷淋量、循环液流量的影响研究
  因系统平衡,硫氧化塔喷淋量、硫还原塔进水量相等。硫氧化塔喷淋量影响气液传质接触进而影响H2S的吸收效果,硫还原塔进水量影响SO42- 的水力停留时间从而影响厌氧段的还原效果。
  根据喷淋吸收塔理论计算以及本试验在挂膜与驯化过程中的经验,设上述3个喷淋量:1.5、2.5、3.0L/min。废气处理量140m3/h时,可采用2.5L/min喷淋量;废气处理量200m3/h,喷淋量2.5L/min仍可满足脱硫要求;废气处理量280m3/h,需要喷淋量3.0L/min;试验后期,尝试继续增加喷淋量(循环量)至3.5L/min后,对硫还原塔的厌氧环境开始造成影响。
  结论:废气处理量决定其所需的喷淋量,喷淋量过低则无法达到硫化氢吸收传质要求,过高的循环量则会将氧气带入硫还原塔从而破坏厌氧。在上述2.1的最大处理负荷下,适宜的喷淋量为3.0L/min,合230L/m2·h。
  2.3 硫元素在系统中的迁移转化
  本中试试验单独运行硫氧化塔15天后加设已经完成挂膜的硫还原塔,监测对比其循环液中S2-、SO42-、S单质的变化情况。
  ①在硫氧化塔单独运行期间,循环液中的S2- 缓慢增加(喷淋液吸收作用)而后缓慢下降,且SO42- 浓度逐渐上升。表明硫氧化塔中硫氧化菌发挥主要作用,使得SO42- 不断累积,按此趋势,继续运行5-8天后必须定期排水;②好氧(硫氧化塔)、厌氧(硫还原塔)装置串联运行后,S2- 下降趋势较为明显,且硫还原塔底部发现淡黄色固态沉积物,定期检测其S单质含量,呈明显上升趋势,说明硫还原塔中的硫还原微生物发挥作用;③串联运行后,对比两反应装置S2-、SO42- 的变化情况,因喷淋液的循环,两个装置内循环液的成分(S单质除外)较为接近,已经实现S元素的动态平衡。
  3 结论
  ①本套生物组合装置,好氧、厌氧微生物共同实现了S元素的迁移转化,H2S经硫氧化塔被吸收转化为S2- 而后被氧化为SO42- ,然后S元素随循环液经硫还原塔被还原为S单质。本中试试验未排液,S单质的累积大大减少了传统生物脱硫反应产生的SO42- 二次污染,预计在工程化应用中排液频率可减少两倍以上;②喷淋量既影响硫氧化塔的气液传质及对硫化氢的吸收效果,同时影响硫还原塔的水力停留时间。废气处理量决定其所需的喷淋量(循环量),喷淋量过低则无法达到硫化氢吸收传质要求,过高的循环量则会将氧气带入硫还原塔从而破坏厌氧;③本套反应装置最大处理负荷为357m3/㎡·h,气体在好氧填料内停留时间最短15s,硫化氢平均去除率达98.6%,该工况下适宜的喷淋量(循环量)为3.0L/min,折合230L/㎡·h。
  参考文献:
  [1]陈益清,尹娟,蔡旺锋,伍健威,范志东,谢乐.不同挂膜方式生物滴滤塔处理含H2S恶臭气体[J].环境工程学报,2014(02).
  [2]钱东升,房俊逸,陈东之,陈建孟.板式生物滴滤塔高效净化硫化氢废气的研究[J].环境科学,2011(09).
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