摘要
为提高生物反应器对堆肥臭气的去除效果，设计了一种新型超声雾化生物反应器，研究了该反应器在不同工艺条件下对模拟臭气的处理效果，再以猪粪和木屑为原材料进行堆肥试验，探究该反应器对实际堆肥过程中产生的臭气去除效果。结果显示，超声波空化效应能提高反应器对氨气的吸收率，超声雾化比传统喷淋模式去除氨气的效率提高10%左右；为解决体系内高氨氮的问题，将活性污泥进行耐高氨氮驯化后在反应器中挂膜，发现体系内微生物降解氨氮的能力明显提升；通过正交试验确定反应器去除氨气的最佳工艺条件。堆肥试验表明，氨气释放与堆肥温度具有高度一致性，且在堆肥第5天达到峰值（76.3 mg/
堆肥是畜禽固体粪便资源化利用的主要途径，不仅能实现养殖废弃物消纳，还能为种植业提供环境友好的有机
目前，针对恶臭气体的去除方式多样，但每种除臭方式均存在一定的局限性，如活性炭、沸石吸附和高能光电分解等物理方法成本过高；采用燃烧、氧化等化学方法容易产生二次污
生物滴滤塔作为有机肥厂常用的生物处理方式，具有运行成本低、处理效果较好、无二次污染等优点，但其喷淋系统运行过程中，存在循环水与氨气的接触不充分等问题。超声处理的空化效应使液体产生微泡，而这些微泡在极短的时间生长和崩塌，在崩塌的临界点产生5 000 K高温和100 MPa的压强，过程中会产生大量活性自由基，可与氨气发生化学反应，达到强化吸收的效
本研究将超声雾化装置应用于生物反应器中，利用超声雾化后的水吸收氨气，将物理法和生物法联用，以期寻找一种既经济又环保的方法来处理堆肥产生的恶臭气体，并为今后生物反应器除臭模式的发展提供参考。
传统喷淋：传统的生物反应器是通过喷淋的方式将水或者营养液洒在填料上，在本试验中将功率40 W、流量40 L/min的水泵与喷嘴相连组成的喷淋系统作为对照，其所喷洒的水滴粒径为0.3~0.5 mm。
超声雾化：本试验采用工业超声雾化器，通过直径5 cm的导雾管将气体从雾化器导入生物除臭反应器中，该装置可通过调节功率来控制雾化速率。设计的生物反应器与传统反应器相比多了一层雾化吸收区。超声雾化产生的雾滴粒径在1~5 μm，且自由溢散在反应器内，相比传统喷淋方式，比表面积增大1 000倍以上，极大地增加了氨气与水接触的机会，能更高效地完成气液交换，促进水对氨气的吸收。
生物除臭反应器为半径10 cm、高度50 cm的圆柱体，总体积约12 L，分为上下部分，上部分为雾化吸收区，下部分为生物填料区。所选用材质为亚克力材料，其透光性与化学稳定性都较好。采用无机材料和有机材料结合作为反应器的填料，无机填料为聚氨酯海绵和陶瓷颗粒，其具有疏松、多孔、比表面积大等优点，适合微生物在其表面附着生长。生物填料为活性污泥，其含有大量的微生物菌群，对成分复杂的污水具有良好的处理效果，经过驯化后的活性污泥对氨氮的处理效果显著提
图1 除臭系统示意图
Fig. 1 Schematic diagram of deodorant system
为探究超声处理对氨气去除率的影响，设计如下试验：调节氨气瓶的减压阀和转子流量计产生100 mg/
为解决反应器连续运行导致的氨氮累积问题，选用活性污泥进行微生物挂膜，活性污泥取自华中农业大学精品猪场的废水处理设施——兼性塘，采用好氧曝气的方式将其进行驯化，曝气量0.3 L/min，24 h后停止曝气使活性污泥静置0.5 h，取上清液测氨氮浓度和pH值，留下底层沉淀的活性污泥，再重复加入高氨氮废水进行驯化。
驯化活性污泥的模拟废水以葡萄糖和乙酸钠作为有机碳源，氯化铵作为氨氮源，磷酸二氢钾作为磷源，碳酸氢钠作为无机碳源，并加入1 mg/L的微量元素。模拟废水中COD含量为500 mg/L，NH
为探究生物反应器去除NH3的机制，在生物反应器连续运行15 d的过程中，分别测定了第1、4、7、10、13和16天的反应器内渗滤液的氨氮、硝态氮、亚硝态氮和总氮的含量，分析氮转化的机制。
以待处理臭气的氨气质量浓度（A）、气体停留时间（B）、雾化速率（C）为考察因素，NH3去除率为评价指标，设计了三因素三水平的正交试验，探究这3个因素在不同水平条件下对反应器性能的影响。
氨气质量浓度通过减压阀和转子流量计控制，将纯氨气与不同比例的空气混合；调节工业雾化器功率控制雾化速率，小、中和大3个档位分别对应雾化速率分别为0.5、1.0和1.5 L/h；气体停留时间由空气泵和转子流量计控制。将各因素的水平调节好，等系统稳定运行3 h后，分别测定反应器进气口和出气口的氨气质量浓度，每组试验重复3次。
堆肥试验在华中农业大学生猪科教基地-畜牧环境工程实验室进行，采用保温效果较好的ESP泡沫箱模拟槽式堆肥反应装置，堆肥装置高280 mm、长540 mm、宽400 mm，容积约60 L。泡沫箱的底部侧面采用空气泵进行曝气，将定时开关和转子流量计与空气泵串联，定时开关控制曝气时间，转子流量计控制曝气量。在堆肥装置的顶部覆上PE塑料膜，防止堆肥产生的臭气溢散，在塑料膜上开孔接入导气管，导气管另一端连接超声雾化生物反应器的进气口，堆肥产生的臭气经过导气管进入反应器，先被上层雾化区吸收，然后再被下层生物填料区进行降解，最后通过出气口排出（
图2 覆膜堆肥除臭装置示意图
Fig. 2 Schematic diagram of deodorant device for film composting
新鲜猪粪中C/N为18.2，含水率为74.6%，而锯末中C/N为356，含水率为3.1%。猪粪含水量、含氮量较高，而锯末含碳量高，所以使用锯末作为堆肥的调理剂。将猪粪与锯末以质量比5∶1混合，初始混合物料的C/N约为23，水分为60%~65%。
堆肥装置中加入体积为60 L、质量约22 kg的初始堆肥物料；堆肥的第5、10、20天分别进行人工翻堆，以保证堆肥的均匀性；采用气泵进行静态间歇式通风以保证堆肥充分好氧发酵，每1 h通风10 min，通风速率为2.4 L/mi
采用堆肥专用电子温度计记录10：00和16：00堆体和外界环境温度。称取5 g堆肥样品放入称量瓶，置于烘箱内105 ℃干燥24 h，根据前后样品质量差值计算含水率。称取5 g新鲜堆肥样品，与蒸馏水按干质量∶体积=1∶10（g/mL）混合，振荡器振荡1 h，静置30 min后取上清液，用pH计测定pH值。
硝态氮含量测定采用紫外-可见分光光度计法；铵态氮采用纳氏试剂比色法；水质中总氮的测定采用HJ 636－2012 《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》；氨气质量浓度测定参照HG 533－2009《环境空气和废气氨的测定纳氏试剂分光光度法》；种子发芽指数（GI）测定参照GB/T 23486－2009《城镇污水处理厂污泥处置》。
以稀硫酸吸收液作为全吸收溶液，对比经超声处理后的自来水和未经超声处理的自来水对于氨气的吸收效果，结果见
如
图3 雾化和喷淋对NH3去除能力（A）和去除率（B）的比较
Fig.3 Comparison of NH3 removal capacity（A） and removal rate（B）of atomization and spraying
如
超声雾化的去除率从初始的70%下降到24 h后的62%，传统喷淋的去除率从60%下降到50%，进一步检测除臭反应器内渗滤液的氨氮质量浓度，结果表明，24 h内渗滤液的氨氮质量浓度从138 mg/L上升到890 mg/L，表明在反应器运行过程中氨氮逐渐累积，而氨气在水中的溶解速率与水中的氨氮质量浓度相关，体系内氨氮质量浓度越高，氨气去除效率越低，为使反应器能高效稳定运行，需进一步解决反应器连续运行导致的氨氮累积问题。
如
图4 45 d高氨氮驯化效果
Fig. 4 45 d acclimation effect of high ammonia nitrogen
将驯化的耐高氨氮活性污泥加入除臭反应器，连续运行15 d，观察微生物的挂膜情况以及挂膜后反应器对氨气的去除效果。如
图5 挂膜运行15 d氨气去除率变化
Fig. 5 The variation curve of NH3 removal rate after 15 days of membrane hanging operation
如
图6 不同时期渗滤液的各形态氮转化曲线
Fig. 6 N transformation curves of leachate in different periods
正交优化试验结果如
影响因素的主次顺序为：B>A>C，即气体停留时间对去除率的影响程度最大，氨气质量浓度次之，雾化浓度最小。说明雾化吸收氨气需要一定的时间，如果气体流量太大，就会超过反应器对氨气的负载上限，导致去除效果降低；而雾化浓度的影响程度最小，可能是因为在一定密闭的空间内，雾滴达到一定的浓度时，雾滴之间便会相互碰撞形成大雾滴，而雾滴变大后比表面积下降，反而影响了雾滴对氨气的吸收。
前期试验结果表明，超声雾化生物反应器对实验室内模拟的高浓度氨气具有较好的去除效果，为进一步验证本生物反应器在实际生产中的应用前景，进行堆肥试验。如
图7 堆肥过程的温度（A）和pH（B）变化
Fig.7 The variation curve of temperature （A） and pH （B） in composting process
堆肥可以在很宽的pH（5~9）范围下进
如
图8 堆肥过程中的铵态氮（A）和硝态氮（B）含量的变化
Fig.8 The variation curve of NH
综上可知，堆肥的温度、pH、铵态氮和硝态氮浓度反映了堆肥的N元素转化程度，而这些因素共同决定了堆肥氨气的释放。
本试验中猪粪堆肥生成的气体由于受PE膜的束缚，只能通过导气管进入超声雾化生物反应器，臭气被反应器处理后残余气体从出口离开。因此，本试验选择了2个氨气质量浓度采样点：一是进气浓度，此点在猪粪堆肥的上表面5 cm处，PE塑料膜覆盖的下方；二是反应器的气体出口处浓度。比较2个采样点之间NH3含量差，可以明确反应器对NH3的去除效果。
如
图9 堆肥过程中的氨气质量浓度和去除率的变化
Fig.9 The variation curve of ammonia concentration and removal rate in composting process
经过反应器处理后的氨气质量浓度大幅度降低，根据GB 14554－1993《恶臭污染物排放标准》中对于恶臭污染物厂界标准值的规定，堆肥场所属于标准中所规定的三类区，其排放的氨气质量浓度不得超过5.0 mg/
生物反应器除臭的应用过程中，臭气的吸收方式至关重要，超声雾化相比传统喷淋的吸收方式，主要有以下两大优势：
一是超声波的空化效应，空化作用使液体产生微泡，而这些微泡在坍塌的瞬间会在临界点产生超高温和高压，这个过程会产生大量的活性自由
二是超声雾化产生的雾滴具有粒径小、分布均匀的优点。雾化方式捕获气态污染物的概率与雾滴的直径有关，当气态污染物与雾滴的粒径恰好相近时，气态污染物更容易与雾滴碰撞从而被捕获，超声雾化能够产生粒径5 μm左右的雾滴，而大部分的气态污染物粒径都在此范
生物反应器在长期运行的情况下，会产生氨氮累积，导致反应器的去除效率降低，因此，需要对生物反应器进行微生物接种以提高反应器处理氨氮的能
正交试验结果表明氨气质量浓度50 mg/
本试验中气体停留时间为影响最大的因素，雾化速率影响最小。因此，在实际去除氨气过程中应考虑反应器对氨气的最大负荷。雾化速率影响程度最小的原因可能是雾滴浓度太高，小雾滴碰撞形成大雾滴，比表面积反而减少，对氨气与雾滴的接触产生负影响，而产生高浓度的雾滴会消耗更多的水电，因此，在实际应用中建议不必追求过高的雾化速率。此外，周俊
超声雾化加生物反应器可以作为去除堆肥氨气的一种较好技术，但应用超声雾化这一工艺与生物反应器中的投产比仍需进一步探究。
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