利用水泥廠煅燒設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質，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、 二氧化碳及揮發性有機物，氣體溫度高且伴有惡臭，危害大氣環境，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、 二次污染少等優點逐漸成為近年來主要的廢氣治理方法. 目前國內外對采用生物技術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，構建高溫生物濾塔，研究生物濾塔的處理效果及運行特征，分析濾塔內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的參考依據，實現技術工程化應用.
1 材料與方法
1.1 生物濾塔
根據污泥干化尾氣成分復雜、 溫度高，SO2濃度較高的特點[1]，采用石灰石-石膏法結合生物處理的組合工藝對其進行處理. 污泥干化尾氣先經過脫硫塔，再進入生物濾塔. 大部分SO2在脫硫塔內轉化為脫硫石膏，作為水泥生產原料再利用. 生物濾塔為鋼結構的圓柱體，內部填充填料供微生物附著生長. 氣體中的SO2、 揮發性有機物、 氨等物質在生物濾塔內被微生物降解，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包括氣體輸送系統、 生物濾塔、 噴淋系統、 電控系統和監測系統. 氣體輸送系統包括：風機、 冷凝水分離系統、 進氣管路、 排氣管等設施. 生物濾塔為三層結構(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，有效停留時間為：21.88-25.10 s.
1-3.監測口; 4-6.控制閥; 7.風機; 8.循環水池; 9-11.噴淋頭; 12.填料層(1); 13.填料層(2); 14.填料層(3); 15.進氣口; 16.出氣口 圖 1 生物濾塔
實驗室在50-55℃下篩選出的功能菌種經富集后，接種于生物濾塔的填料上. 定期噴淋營養液，為微生物生長提供所需的營養和水分. 營養液成分：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. 多余的營養液排入循環水池循環使用. 循環池內的水定期排入污水處理系統，處理后再利用.
1.2 分析方法
生物濾塔運行效果考察：處理效果監測，監測頻率為1-2 d一次，每次每個監測點連續監測10次以上. 監測內容包括：氣體中的惡臭濃度，總揮發性有機物(TVOC)、 SO2以及氨等物質的濃度(表 1); 氣體溫度、 壓力損失; 循環液水質，包括氨氮、 硝酸鹽氮、 硫酸根、 化學需氧量以及總有機碳的濃度(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
細菌培養：LB培養基，50℃，48 h. 培養基成分：胰蛋白胨10 g ·L-1，酵母提取物5 g ·L-1，氯化鈉10 g ·L-1; 硫細菌培養基：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，國藥集團化學試劑有限公司生產.
場發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擴增儀(GeneAmpR PCR System,9700,AB,USA)擴增; 采用DCode通用突變檢測系統(美國Bio-Rad) 電泳分離PCR反應產物; 染色后用Gel Doc XR凝膠成像儀(美國Bio-Rad)捕獲凝膠數字圖像，并用圖形分析軟件Quantity One對DGGE指紋圖譜進行分析. 對目的條帶進行切膠、 擴增、 純化和克隆，使用T7引物(5′-TAATACGACTCACTATAGGG-3′)測序，將獲得的序列在NCBI數據庫進行比對分析[11].
2 結果與討論
2.1 干化尾氣和生物濾塔進氣成分特征
污泥干化過程中，污泥中的有機質受熱分解，轉化為含碳、 含氮以及含硫等散發臭味的物質(表 3)，引起惡臭污染[1]. 經過脫硫塔的處理后，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，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，粉塵中的含氮物質在高溫堿性環境中轉化成氨，從固相轉移到氣相，因此在脫硫塔的出氣(即生物濾塔進氣)中存在一定濃度的氨.
表 3 干化尾氣和生物濾塔進氣成分
2.2 生物濾塔運行效果
生物濾塔連續運行近4個月，定期取樣檢測生物濾塔進氣口、 出氣口中的惡臭濃度、 總揮發性有機物(TVOC)、 氨以及SO2等物質濃度，考察生物濾塔的運行效果. 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、 總揮發性有機物、 氨以及SO2的進氣濃度發生波動，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
在生物濾塔啟動期(0-14 d)，微生物剛剛接種到填料上，需要適應生物濾塔的環境、 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. 隨著運行時間的延長，惡臭及TVOC的去除率逐漸提高，在穩定運行期，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87.01%、 93.61%和100%，其中SO2的去除效果最好. 進氣中惡臭濃度平均為2 439，因為大部分物質被有效去除，在濾塔出氣口的惡臭濃度平均值降為943，達到排放標準. 生物濾塔在穩定運行期運行狀況良好，對污染物去除效果穩定.
表 4 不同時間段運行效果
第50-70 d由于檢修，生物濾塔暫停運行，第71 d后開始重啟動. 在停運期間，沒有廢氣進入生物濾塔，微生物缺乏可利用的底物，導致其活性降低、 數量減少. 因此，重啟動后的一段時間，生物濾塔處理效果不穩定，去除率下降. 經過8 d恢復運行后，去除效果逐漸恢復，生物濾塔再次達到穩定運行狀態. 重啟動期為8 d，與啟動期相比，重啟動時間明顯縮短，這是因為在之前的穩定運行期，生物濾塔內已經形成了能夠降解干化尾氣中各類污染物的功能種群，且種群結構相對穩定. 重啟動后，底物數量充足，功能種群能快速生長，恢復活性，使去除率短期內升高且保持穩定.
2.3 氣體溫度和壓力損失
干化尾氣的溫度為120-130℃，經過脫硫塔之后，溫度降低到65℃左右. 經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.
一定壓力的氣體經過生物濾塔內的填料時，因各種阻力造成的壓力降稱為壓力損失. 運行初期，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. 運行3個月后，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. 隨著運行時間的延長，填料層的壓力損失略有升高. 壓力損失與填料的性質、 含水率等因素相關. 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液維持微生物生長所需的水分和營養，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致填料層堵塞，引起壓力損失增加. 利用生物法處理廢氣時，宜根據裝置的尺寸、 填料形狀及實際運行工況對填料層的壓力損失進行控制. 壓力損失過高時，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定運行無顯著影響.
2.4 物質轉化
氣體通過生物濾塔時，氣體中污染物與反應器內的微生物接觸，被微生物吸附降解，降解產物會積聚在填料上，循環液在填料層中的流動將產物轉移到液相中. 因此，通過分析循環液中的物質成分，可以研究干化尾氣中物質的遷移轉化. 分析項目包括：總有機碳、 硝酸根離子、 硫酸根離子、 銨根離子、 碳酸根以及pH，結果列于表 5.
表 5 水樣指標分析結果
干化尾氣中，含有大量的二氧化硫等含硫物質、 氨等含氮物質以及揮發性有機物，在微生物的作用下二氧化硫轉化為硫酸鹽; 氨被氧化為硝酸鹽或溶于水轉化為銨鹽; 揮發性有機物轉化為二氧化碳及其它低分子有機物，二氧化碳溶于水轉化為碳酸鹽[式(1)-(4)]. 因此，循環液中含有大量硫酸鹽、 銨鹽、 硝酸鹽以及碳酸鹽等產物. 通常，產物的積累會影響生物系統的處理效果，循環液需要定期處理后再利用.
2.5 微生物特征
生物濾塔內，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量和種群結構. 穩定運行3個月后，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). 填料上的細菌數量(以填料計，下同)平均為2.1×108 CFU ·g-1，硫細菌數量平均為8×106CFU ·g-1，硫細菌與總細菌的比例為4%; 循環液中，細菌數量平均為4.45×107 CFU ·mL-1，硫細菌數量平均為4.65×106 CFU ·mL-1，硫細菌約占總細菌的10%，硫細菌在溶液中的比例較多.
(a)填料; (b)循環液 圖 3 填料上和循環液中微生物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. 填料上檢出的細菌種群數量略高于溶液中的種群數量.
圖 4 生物濾塔微生物種群結構
表 6 主要功能菌群 1
在pH為4-9的環境下，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、 有機硫化物等含硫物質轉化為硫酸鹽[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內脫氮率高達99.12%，氮氣是反硝化過程的最終產物[18]. 研究發現，螯臺球菌Chelatococcus sp.能有效地利用不同分子量的多環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[15]. 芽孢桿菌適應能力強，能降解廢氣中的苯、 甲苯、 二甲苯等苯系物[14]. 在50-70℃環境下，梭菌Clostridium thermosuccinogenes能將有機物分解為二氧化碳，其最適生長溫度為58℃[20]; 假黃單胞菌Pseudoxanthomonas sp.可以將原油、 柴油等揮發性有機物轉化為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行生長[25, 26].
微生物的生長受生物濾塔內環境的溫度、 底物成分和濃度的影響，污泥干化產生的廢氣中含有大量有機物、 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、 脫氮菌以及有機物降解菌為優勢種群. 生物濾塔運行了一定時間后，形成了穩定的生物系統，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.xhxdt.com更多相關技術文檔。
3 結論
生物濾塔能夠有效的去除污泥干化尾氣中的SO2、 揮發性有機物以及氨等物質，去除率分別達到100%、 87.01%及93.61%，對惡臭濃度的去除率也達到91.04%. 運行了一定時間后，生物濾塔內形成穩定的生物系統. 填料上的細菌數量為2.1×108 CFU ·g-1，硫細菌量為8×106 CFU ·g-1; 循環液中細菌量為4.45×107 CFU ·mL-1，硫細菌量為4.65×106 CFU ·mL-1. 大部分功能種群為嗜熱菌，并且脫硫菌、 脫氮菌以及有機物降解菌為優勢種群.（來源及作者：廣州越堡水泥有限公司 陳文和 鄧明佳 羅輝 中國科學院生態環境研究中心 丁文杰 李琳 林堅 劉俊新）
