開發生物濾床系統去除養豬和堆肥場廢氣之研究

Abstract

本研究利用養豬場廢水污泥篩選出除臭效能較佳之有機硫除臭菌 (Cellulomonas sp. CP3)、有機胺除臭菌 (Paracoccus sp. CP2)、短鏈脂肪酸除臭菌 (Paracoccus sp. CP4)、異營性硫氧化菌 (Pseudomonas sp. CH11) 及異營性氨氧化菌 (Arthrobacter sp. CP1) 與酸性礦山排水中篩選出亞鐵氧化能力高的嗜酸性亞鐵硫桿菌 (Acidithiobacillus sp. CP9)，分別以活性濾料進行菌體固定化，並填充至生物反應器中進行實驗室臭氣減除評估和實場應用研究 (養豬和堆肥場)。 實驗室臭氣減除之結果，在有機硫類減除實驗中，其生物處理易難度分別為：甲硫醇 (ks=93 ppm)>二甲基二硫 (ks=98 ppm)>二甲基硫 (ks=112 ppm)，二甲基硫雖較難被Cellulomonas sp. CP3氧化分解，在30秒滯留時間下，對300 pppm二甲基硫仍達84%以上去除，生物最大去除速率 (Vm) 為2.4 g-S/kg-BAC/day。此外，Cellulomonas sp. CP3分解二甲基硫之能力不受硫化氫共存影響，二甲基硫可作為碳源和能量源，有效提升硫化氫去除率。在甲基胺類減除實驗中，Paracoccus sp. CP2在滯留時間60秒時，可有效去除10-100 ppm甲基胺、二甲基胺和三甲基胺達98%以上，雖對三甲基胺有較低的親和性 (Ks=64 ppm) 和生物分解速率 (Vm=0.9 g-N/kg-BAC/day)，但仍對250 ppm三甲基胺達93%以上去除率，經共固定化Paracoccus sp. CP2和Arthrobacter sp. CP1後，除了提高三甲基胺減除效能外，亦能同時將氨氣氧化成NO2−，成功降低氨氣排放量。在短鏈脂肪酸減除實驗中，Paracoccus sp. CP4於60秒滯留時間時，可處理500 ppm乙酸達95%以上去除效果，其最大去除速率為1.4 g-C/kg-BAC/day，丙酸雖較難被生物分解，但仍維持85%去除，其最大去除速率為1.2 g-C/kg-BAC/day，若在pH 7.0與30 oC最適生長條件下，則可同時有效去除100 ppm乙酸和100 ppm丙酸達95%以上。在高濃度硫化氫去除實驗中，當化學槽內鐵離子濃度維持在9.0 g/L以上，在短時間內有效減除500-1500 ppm硫化氫達95%。添加適量葡萄糖可增加Acidithiobacillus sp. CP9氧化亞鐵能力，亦能提高菌數及避免鐵沉澱物發生，且由化學-生物串聯實驗結果得知，當系統控制在26-35 oC，並提供足夠的氣體滯留時間與鐵再生率，對處理高濃度硫化氫 (<2000 ppm) 可達93%以上去除。 在養豬場實場臭氣減除方面，我們利用中型實場生物濾床系統 (為實驗室反應器60倍放大) 進行含硫化合物減除研究，即使操作在較短滯留時間 (13秒)，Pseudomonas sp. CH11仍可100%有效去除大部份的含硫化合物，且維持86%以上臭味去除率。二甲基硫雖較難被生物分解，若系統控制在30秒滯留時間，仍可達99%去除率，其主要氧化代謝產物為硫元素。系統操作至415天，經螢光原位雜交法 (FISH) 分析後，證實原植種菌Pseudomonas sp. CH11仍為系統內優勢菌種。而在Arthrobacter sp. CP1減除含氮化合物之研究中，此中型實場生物濾床系統 (為實驗室反應器90倍放大) 在長達523天連續操作下，可成功減除養豬場實際產生的三甲基胺和氨氣，平均去除率達96%以上，且無酸化或阻塞等現象發生，若控制在40秒滯留時間，將可同時符合目前環保署規定之周界排放標準。此外，經變性梯度凝膠電泳 (DGGE) 分析後，證實生物膜內生物群體結構雖會隨操作時間而變化，但Arthrobacter sp. CP1在操作期間仍具優勢。在利用化學-生物串聯系統進行豬場厭氧消化槽甲烷脫硫之研究中，在氣體滯留時間2-3分鐘下，不論有無添加葡萄糖，系統內鐵離子濃度變化不大 (7-9 g/L)，對處理890-2440 ppm硫化氫可達96%以上去除率，生物鐵再生槽內Acidithiobacillus sp. CP9亦維持穩定量 (108-109 CFU/g-BAC)，其它微生物分布比例雖因添加碳源而增加，在此期間，Acidithiobacillus sp. CP9仍佔絕對優勢。 經實驗室臭氣減除實驗評估後，採用混合式菌體固定化，並填充至中型實場生物濾床系統中 (為實驗室反應器90倍放大)，進行禽畜糞堆肥場實場臭氣減除研究。在519天連續操作下，此生物濾床系統已證實可有效減除堆肥場綜合臭氣，在30秒滯留時間時，除了對有機胺和氨氣可維持96%以上去除率，且能100%有效去除含硫化合物 (甲硫醇及硫化氫) 和短鏈脂肪酸 (乙酸及丙酸) 外，亦可同時去除97%以上的生物氣膠。長期操作後，生物質量雖增加三倍，系統並無阻塞現象，各槽體內原植種菌仍為優勢菌群。 基於過去成功減除養豬場和禽畜糞堆肥場臭氣之實場經驗，本研究再針對廚餘堆肥場之密閉式軌道翻堆區所衍生的臭氣總量，設計一套大型實場生物濾床系統 (為中型實場生物濾床系統50倍放大) 進行該廠區綜合臭氣去除研究。實場連續操作三個月，除了可100%有效去除低濃度含硫化合物 (甲硫醇、二甲基硫及硫化氫) 和短鏈脂肪酸 (乙酸及丙酸) 外，對有機胺和氨氣亦能達96-99%去除效果，其代謝機制以同化作用和氨化作用為主。操作期間，壓損變化介於40-61 mm-H2O/m，且pH穩定，溼度易控制，系統內原植種除臭菌佔有率仍可維持78-85%以上優勢。 結果證明，本研究發展之生物濾床系統經由實驗室規模反應器放大到中型實場生物濾床系統 (90倍放大)，再進一步放大到大型實場生物濾床系統 (4500倍放大)，對台灣養豬和堆肥場產生之主要臭氣 (含硫化合物、含氮化合物和短鏈脂肪酸)，處理效率可達 95-100%。操作過程系統pH穩定，無酸化現象發生，溼度控制容易，壓損小且不因操作時間長而劇增，可連續操作長達兩年以上，無須更換濾料。因此本生物濾床系統具安全性及高效率除臭之優越性，適合應用於堆肥場、食品加工廠、畜牧業及皮革業等產生之臭氣。