基于介质阻挡放电技术的集约化畜禽养殖场恶臭治理及管理对策.docx

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基于介质阻挡放电技术的集约化畜禽养殖场恶臭治理及管理对策

基于介质阻挡放电技术的集约化畜禽养殖场恶臭治理及管理对策

摘要：

本研究分析造成畜禽养殖场恶臭污染的主要原因，探讨在不同放电电压及放电频率下用DBD反应器产生的等离子体处理畜禽养殖场恶臭污染的效果，以及针对畜禽养殖场恶臭污染问题的可以采取的管理对策。

研究结果表明：

1）猪、鸡畜禽养殖场产生的恶臭气体主要是NH3和臭气；2）放电电压越高对恶臭的去除率越高，模拟试验中对挥发性有机物的去除率可达95%以上，现场试验去除率可达82.7%左右；3）放电频率越高对恶臭的去除率越高，模拟试验中去除率可达95%以上；4）针对畜禽养殖场的粪便储存、饲料管理及现用臭气处理技术等方面提出管理对策，可以进一步缓解恶臭污染问题。

关键词：

畜禽养殖场；恶臭；DBD反应器；管理对策

Basedonthedielectricbarrierdischargetechnologyintensivelivestockandpoultryfarmsstinkofgovernanceandmanagementcountermeasures

Abstract:

Thisstudyanalyzesthemaincausesofpollutioninlivestockandpoultryfarmsstink,discussedunderdifferentdischargevoltageanddischargefrequencyDBDreactortoproducetheeffectofplasmatreatmentoflivestockandpoultryfarmsstinkpollution,andinviewoftheproblemsoflivestockandpoultryfarmsstinkpollutioncantakethemanagementcountermeasures.Theresultsshowthat:

1）LivestockandpoultryfarmsraisingpigsandchickensfetorproducedmainlyNH3andstink;2）Thehigherthedischargevoltagetothestenchofremovalrateishigher,simulationexperimentsontheremovalrateofvolatileorganiccompoundscanreachmorethan95%,fieldtestremovalratecanreach82.7%;3）Thehighertheremovalrateofdischargefrequency,thehigherthestench,simulationtestofremovalratecanreachmorethan95%;4）Forlivestockandpoultryfarmwastestorage,feedmanagementandactiveodortreatmenttechnology,etc,putsforwardmanagementmeasurescanbefurthereasethestenchpollutionproblem.

Keywords:

livestockandpoultryfarm;stink;DielectricBarrierDischarge;managecountermeasure

1引言

1.1研究背景

畜禽养殖场对环境造成的危害是不容小觑的，其危害来源主要是畜禽排泄物，体现为畜禽养殖场排放的粪渣、污水及恶臭气体对土壤、水体、大气及生态环境、人体健康所造成的直接或间接影响。

随着我国集约化畜禽养殖场的发展，导致其对环境危害影响更为突出。

在畜禽养殖场所造成的环境污染中又以恶臭为最。

在英国1989~1990年之间，环境卫生部共接到约3700起关于畜禽养殖场的恶臭投诉占空气质量投诉问题的25%；在美国1995年则有大约70%的空气质量投诉问题与恶臭有关；在德国2010年，空气质量问题投诉中约有16%与恶臭有关，而这些投诉中有约89%与畜禽养殖场有关，剩余约11%也与粪尿漫流有关。

这些恶臭问题主要是由畜禽场的建造、喂养、粪尿储存及粪尿漫流造成的。

因此，随着我国大气污染问题的日益加剧以及畜禽养殖场突出的恶臭问题，集约化畜禽养殖场恶臭治理及管理对策越来越受到重视。

1.1.1集约化畜禽养殖场恶臭形成过程及其危害

畜禽养殖场恶臭主要是来自于畜禽粪便在无氧环境下的分解。

在畜禽养殖场内，当粪便中的水分过多或粪便压实无新鲜空气时，就会在畜禽粪便内形成局部无氧环境，从而生成恶臭气体。

另外，畜禽养殖场的畜禽种类、养殖方式及粪尿管理对最终的恶臭气体有极大地影响。

集约化畜禽养殖场恶臭气体对人体危害主要表现为咳嗽、恶心、头痛、呕吐、食欲减退、胃部不适、失眠等症状，长期生活在集约化畜禽养殖场附近的居民会有明显的紧张、愤怒、抑郁、混乱和疲劳。

此外，恶臭气体还会对感觉神经产生刺激发生化学变化，进而损害人体的免疫系统而影响人体的健康。

1.1.2集约化畜禽养殖场恶臭主要成分

通过分析总结国内外已有的研究成果畜禽养殖场的恶臭污染物主要可分为NH3、H2S和臭气浓度三个指标。

大量的研究结果表明，畜禽养殖场臭气包括挥发性脂肪酸、烷烃类、醇类、醛类、酚类、酮类、酸类、胺类、硫醇类，以及含氮杂环化合物等一系列挥发性有机化合物。

本次研究以猪、鸡养殖场为主，对于猪、鸡养殖场来说恶臭污染物中的NH3浓度比起H2S浓度要搞得多，故NH3是猪、鸡养殖场产生恶臭气体中的主要污染气体，而猪场周围的臭气浓度相对于鸡场则要高出许多。

因此，本次研究的畜禽养殖场产生的恶臭气体主要是NH3和臭气。

1.2畜禽养殖场恶臭治理技术现状

1.2.1物理吸附法

物理吸附法处理恶臭气体的基本原理是将恶臭气体与吸附剂相接触，从而将恶臭气体吸附达到除臭目的。

物理吸附法可分为两种处理方式：

固体吸附法和添加吸附物质。

固体吸附法是比较常规的处理方法，利用活性炭良好的吸附性对恶臭气体进行吸附，但在同时有机化合物和无机化合物的环境中活性炭优先吸附有机化合物。

添加吸附物质法则是在畜禽粪便中直接添加有除臭效果的物质（如：

天然沸石）来吸收臭气物质。

物理吸附法的优点是：

1）.活性炭价格低廉易获得；2）.除臭操作简单方便。

缺点是：

1）.恶臭气体中同时存在有机化合物和无机化合物时活性炭会优先吸附有机化合物导致对无机化合物吸附能力下降；2）.活性炭的吸附量有限需要频繁更换活性炭。

1.2.2空气过滤除臭法

生物除臭法是近年来运用比较广泛的方法之一，主要可分为三种处理方式：

体内除臭、粪便除臭及空气过滤除臭。

而空气过滤除臭是三种处理方法中效果最好的处理方式，其基本原理是通过管道系统将畜禽养殖场中的空气收集后通过腐熟堆肥、碎秸杆、木片等介质组成的生物过滤床，利用介质吸附恶臭气体并利用介质中的微生物对恶臭物质进行降解。

空气过滤除臭法的优点是：

1）.相对物理吸附法除臭能力较强；2）.介质主要适用腐熟堆肥、碎秸杆、木片等材料，废物再用绿色环保。

缺点是：

1）.设备成本较高，性价比不高；2）.恶臭物质的分解产物不稳定，不能确定分解产物是否绿色无害。

1.2.3水喷淋法

水喷淋法的基本原理是利用水吸收性将空气中可溶的恶臭物质吸收处理。

工作方式是在畜禽养殖场的天花板上安装一套覆盖式喷淋装置，定期定时进行水雾喷射对畜禽养殖场空气进行立体式的净化。

这是本次研究畜禽养殖场的恶臭处理方式，但该方法在天气较冷时会导致部分家禽得病死亡，且对吸收恶臭物质的水也需要收集处理。

水喷淋法的优点是：

1）.设备价格较低廉，性价比高；2）.除臭操作简单方便。

缺点是：

1）.对产生的废水需要收集后统一处理后才能进行排放；2）.只对恶臭物质中的可溶性成分具有去除效果；3）.天气较冷时会引起畜禽得病导致畜禽死亡。

1.3介质阻挡放电（DBD）净化技术

1.3.1等离子体去除恶臭物质机理

等离子体也被称为“电浆体”是由大量的自由电子和离子组成，宏观表现为电中性的电离气体[9]，具有很强的化学活性。

而介质阻挡放电（DielectricBarrierDischarge,DBD），是在放电区间内插入一块绝缘介质或在电极上覆盖一层绝缘介质后进行气体放电，是目前获得等离子体的主要方法。

在化学反应过程中等离子体会进行化学能量的传递，具体过程大致如下：

首先介质中的电子从电场中获得能量，成为高能电子：

电子→高能电子

（1）

这些高能电子轰击目标分子，使其发生电离、解离和激发，从而成为受激原子、受激基团、游离基团等活性基团：

高能电子+分子→活性基团

（2）

轰击后产生的活性基团会与空间内的分子，原子及其余的活性基团相互碰撞进一步反应生产稳定产物，同时在碰撞过程中会释放出热量。

这一过程会有大量复杂的物理、化学反应，使各种污染物分解为无毒害的物质，从而对污染物进行降解，其过程大致如下：

活性基团+分子（原子）/活性基团→稳定生成物+热量（3）

1.3.2等离子体去除恶臭物质技术现状

大量实验表明利用介质阻挡放电技术产生的等离子体对目标分子进行撞击后会产生很多活性物质，生成的活性物质会继续氧化，最后导致目标分子电离分解，反应过程中产生的二次污染少、电离分解效率高，结合理论有很好的操作性和实现性。

但缺少利用介质阻挡放电等离子体净化技术处理畜禽养殖场实际恶臭气体的明确资料。

1.4本课题研究内容及意义

综上所述，等离子体技术在处理畜禽养殖场恶臭气体有很好的应用前景，尤其是使用介质阻挡放电获得的低温等离子体。

但对于介质阻挡放电等离子体净化技术处理畜禽养殖场实际恶臭气体的研究还很缺乏。

本文将利用DBD反应器对畜禽养殖场的恶臭气体进行实时处理分析，并对畜禽养殖场的管理现状进行讨论，主要研究内容如下：

1）.放电电压变化（5kV、5.5kV、6kV、6.5kV、7kV），考察放电电压对介质阻挡放电对恶臭气体的处理效果。

2）.放电频率变化（200Hz、250Hz、333.3Hz、500Hz），考察放电频率对介质阻挡放电对恶臭气体的处理效果。

3）.分析畜禽养殖场目前的运行弊端，讨论更优的畜禽养殖场管理对策。

2试验方法及装置

2.1试验装置及仪器

2.1.1试验装置系统与流程

本试验使用DBD反应器去除恶臭气体，因试验分为模拟试验和现场试验，其流程图分别为模拟试验装置流程图如图2-1和现场试验装置流程图如图2-2。

图2-1模拟试验装置系统流程图

模拟试验主要用于模拟挥发性有机气体的去除率。

系统中的钢瓶为高纯氮气，钢瓶与转子流量计相连控制其流量，随后将氮气通入鼓泡瓶（装有高纯有机液）中，鼓泡后气体中含有大量挥发性有机化合物。

产生的气体进入DBD反应器，在高压放电作用下产生等离子体对气体进行处理。

在DBD反应器排气口用进样针抽取气体，使用气相色谱对其进行分析，通过比较放电前后有机化合物的气相色谱图计算出去除率。

图2-2现场试验装置系统流程图

现场试验直接测定DBD反应器对NH3和臭气的去除率。

系统直接用DBD反应层上方的离心风机抽风，将现场气体抽入DBD反应层中，在高压放电作用下产生等离子体对气体进行处理。

在排风风管中段插入一根软管后用采样仪对排风管中的气体进行采样并保存，将采样后的样品带回实验室，用分光光度计对放电前后的NH3进行测量，臭气则通过多位嗅辨员对放电前后的臭气浓度进行嗅辨。

2.1.2DBD反应器

图2-3为板式DBD反应器结构示意图，包括两片不锈钢电极片，两层树脂板，一层装有氧化铝小球的环形有机玻璃条。

两层树脂板中间用装有陶瓷球的有机玻璃隔开形成一个放电空间，树脂版上下各有一片电极片，电极片分别接地和高压，共同组成一个反应通道。

本研究中模拟试验使用的反应器共有18个通道，现场试验使用的反应器共有49个通道，图2-4为每个反应通道的截面示意图。

图2-3板式DBD反应器结构示意图

图2-4板式DBD反应器结构示意图

研究中共用到两台DBD反应器，一台为小流量模拟试验用DBD反应器，一台为大流量（风量可调）现场试验DBD反应器，研究所用的DBD反应器如图2-5所示，其中图（a）为模式试验用的DBD反应器，图（b）为现场试验用的DBD反应器。

反应器外部采用有机玻璃板作为材料，模拟试验用的DBD反应器从左边进气右边出气，高压脉冲电源通过从反应器内引出的两根导线注入能量进行放电；现场试验用的DBD反应器从下方进气上方风机出风口出气，电源接法与模拟试验用的DBD反应器相同。

（a）模拟试验DBD反应器

（b）现场实验DBD反应器

图2-5DBD反应器实物图

2.1.3气相色谱仪

研究过程中采用杭州科晓化工仪器设备有限公司生产的GC1690型气相色谱仪。

GC1690型气相色谱仪主要由进样器、色谱柱箱、检测器、温控系统、流量控制部件、检测器电路部件等部分构成，其基本工作原理是以气体作为流动相，当使用微量进样针进样后，样品随着载气进入毛细管柱或填充柱，因样品各组分在色谱柱中的流动相和固定相之间的吸附过分配系数不同，在载气冲洗下，样品各组份在流动相和固定相间反复分配，最终使得样品中各组分得以分离，分离后的组分根据其物理、化学性的不同通过检测器检测得到。

图2-6为GC1690型气相色谱仪的实物图。

色谱柱箱：

色谱柱箱是放置及加热色谱柱的部分，在色谱柱箱内的网板后方装有加热丝，网板可以避免加热过程中的因加热丝热辐射导致石英毛细管峰形分裂的情况，色谱柱箱的后方装有冷却空气进风口与热空气排风口，当柱箱需要冷却时这两个风口会自动开启，使柱箱温度迅速冷却。

载气流量控制器：

在使用过程中由前级稳压阀提供稳定的输入气压，再由稳流阀进行调节输出稳定流量。

温流阀的输出流量可以在载气输出口使用皂沫流量计测得。

、燃气控制器：

GC1690型气相色谱仪的辅助气路为氢气和空气，两者的流量通过稳压阀加气阻的形式进行控制，其中氢气稳压阀的输出压力通过氢气压力表显示，空气稳压阀的输出压力通过空气压力表显示，所有仪表显示的载气压力均为柱前压力。

毛细管流路控制器：

毛细管柱子的柱前压采用稳压阀调节，输出口与毛细管进样气的载气入口直接相连，尾吹气体、分流和隔膜吹扫气的流量使用针形阀调节。

氢气发生器：

其主要组成部分有纯水箱、电解池、氢/水分离器、收集器、干燥器、压力调节阀、传感器和电源等。

在使用过程中首先打开电源开关，之后电解池产生的氢气会进入氢/水分离器，经过稳压阀和调节阀对其压力进行调节后输出。

空气发生器：

其主要组成部分有压缩机、过滤器、储气罐和干燥室等。

电源开关接通后，压缩机对空气进行压缩储存于储气罐中，经过稳压阀、调节阀调节压力后输出。

图2-6DBDGC1690型气相色谱仪实物图

2.1.4试验仪器及材料

试验中所涉及的仪器设备型号及出品厂家如表2-1所示：

表2-1试验中所涉及的仪器设备及其规格

名称型号用途生产商

高压脉冲电源HV-10-08放电扬中科泰电子仪器有限公司

电流探头TCP202检测放电电流Tektronix

电压探头P6015A检测放电电压Tektronix

放电解析系统（示波器）DPO3034300MHz2.5GS/S放电特性解析Tektronix

转子流量计LZB-6WB控制气体流量常州诚恒仪表有限公司

玻璃鼓泡瓶500ml鼓泡杭州汇普化工仪器设备有限公司

DBD反应器去除恶臭物质自制

风机130FLJ1提供动力乐清市胜利风机有限公司

气相色谱仪GC1690分析有机气体杭州科晓化工仪器设备有限公司

进样针MicroliterSyringes1000ul取/进样北京谱朋科技有限公司

鼓风干燥箱DHG-9140A干燥上海合恒仪器设备有限公司

采样仪ZC-Q0102采样浙江恒达仪器仪表有限公司

试验中所涉及的化学试剂材料的规格及出品厂家如表2-2所示：

表2-2试验中所涉及的化学试剂、材料

名称纯度/规格用途生产商

正辛烷（C8H18）分析纯C8H18含量≧96%产生挥发性有机气体杭州汇普化工仪器设备有限公司

硫酸（H2SO4）化学纯CPH2SO4含量≧98%吸收NH3杭州汇普化工仪器设备有限公司

二氯化汞（HgCl2）分析纯ARHgCl2含量≧99.5%配置钠氏试剂杭州汇普化工仪器设备有限公司

碘化钾（KI）分析纯ARKI含量≧99%配置钠氏试剂杭州汇普化工仪器设备有限公司

氢氧化钠（NaOH）分析纯ARNaOH含量≧96%配置钠氏试剂杭州汇普化工仪器设备有限公司

酒石酸钾钠（KNaC4H4O6·4H2O）分析纯ARKNaC4H4O6·4H2O含量≧99.2%掩蔽金属离子杭州汇普化工仪器设备有限公司

氮气钢瓶氮气含量≧99.999%载气杭州今工物资有限公司

氧化铝小球（Φ3-5mm）填充介质淄博亚固陶瓷销售有限公司

2.2试验步骤

根据试验要求以及技术路线的方法，试验分为两大部分，具体步骤如下所示。

2.2.1模拟试验

（1）.按图2-1所示连接试验装置，打开风机，检查装置各接口处的气密性是否良好，确保无误后调节钢瓶阀门和转子流量计确保每个鼓泡瓶（装有正辛烷有机液）中的流量保持在15L/min，保持系统正常运行。

打开GC（柱箱温度：

50℃，进样口190℃，检测器210℃，转化炉350℃）进行预热至GC稳定，用1000μg进样针在出风口抽取气体通入GC检测背景气体浓度。

（2）.调试脉冲电源，放电电压：

5kV~7kV，放电频率：

200Hz~500Hz，确保脉冲电源正常后方可进行后续试验。

（3）.装置及电源检查无误后打开脉冲电源，先设置放电电压为5kV，放电频率为200Hz，运行5min后用进样针取样检测，待样品全部出峰（大约需2.5min）后再次取样检测平行3次，3次检测全部完成后保存色谱图并命名。

（4）.分别调节放电电压为5kV、5.5kV、6kV、6.5kV、7kV；放电频率为200Hz、250Hz、333.3Hz、500Hz重复步骤3。

（5）.试验结束后，对所有数据进行保存，安全关闭所有仪器，整理试验操台。

（6）.数据处理及试验分析。

2.2.2现场试验

现场试验根据试验要求对NH3和臭气进行检测，NH3采用纳氏试剂法测定，臭气采用六级强度嗅辨法，试验整体可分为两个部分：

试剂制备和现场采样。

（一）试剂配制

（1）.NH3吸收液的配制

准备一只1000ml的烧杯，烧杯中加入1000ml蒸馏水，量取2.8ml浓度为0.005mol/L硫酸溶液缓慢加入装有蒸馏水的烧杯中，使用前再将该溶液用蒸馏水稀释10倍。

（2）.钠氏试剂的配制

准备两只1000ml的烧杯，称取17g二氯化汞和35g碘化钾分别放入两只烧杯中，在装有二氯化汞的烧杯中加入300ml蒸馏水并搅拌溶解，在另一只装有碘化钾的烧杯中加入100ml蒸馏水并搅拌溶解。

充分溶解后，将二氯化汞溶液缓缓加入碘化钾溶液中直至形成红色不溶物，随后在烧杯中加入600ml20%氢氧化钠溶液，搅拌均匀后加入剩余的二氯化汞溶液。

将此溶液静置1~2天后，将该溶液的上清液移至棕色瓶中，用橡胶塞塞紧保存，此时试剂几乎无色。

（3）.500g/L酒石酸钾钠溶液的配制

准备一只250ml圆底烧瓶，称取50g酒石酸钾钠置于烧瓶中并加入100ml蒸馏水溶解，充分搅拌至酒石酸钾钠完全溶解后将烧瓶放入恒温油浴箱内加热煮沸，使溶液减少约20ml或溶液内不含氨为止，冷却后，再用水稀释至100ml。

（4）.标准溶液的配制

将氯化铵置于105℃干燥后，准确称量0.3142g氯化铵移入100ml容量瓶中用少量水溶解，之后使用吸收液对其稀释至容量瓶的刻度，此液1.00ml含1mg的氨。

临用时，再将此溶液用吸收液稀释500倍，即1.00ml溶液含2μg氨，以此作为标准溶液。

（二）现场采样

（1）.按图2-2所示连接试验装置，打开风机，检查装置各接口处的气密性是否良好。

（2）.装置正常运行15min后用一个内装10mlNH3吸收液的普通气泡吸收管，以0.5L/min流量，采气20L（40min），并记录采样时的温度和大气压力。

采样后对样品进行命名并在室温下保存；在装置出风口处用无臭袋灌装臭气后密封命名并保存，本试验样品均需要在24h内测量完毕。

（3）.调试脉冲电源，放电电压：

3kV~6kV，放电频率：

200Hz~500Hz，确保脉冲电源正常后方可进行后续试验。

（4）.装置及电源检查无误后打开脉冲电源，分别调节放电电压为3kV、6kV；放电频率为200Hz、250Hz、333.3Hz、500Hz（每次调节电压或频率后需等待装置运行5min再继续试验），重复步骤2。

（5）.试验结束后，对所有样品进行整理保存，安全关闭所有仪器，整理试验场地。

（6）.数据处理及试验分析。

2.3试验分析方法

2.3.1放电特征测量

本试验所用的DBD反应器的基本特征通过对其连续放电过程中的单个脉冲放电的电流波形、电压波形以及放电频率来体现。

试验中电压和电流测定点的位置如图2-1和图2-2所示，测定所需的设备见表2-1。

如图2-7为高压脉冲电源和放电解析系统（示波器）实物照片图，本试验通过图中所示的高压脉冲电源提供高压电，并用图中所示的放电解析系统（示波器）对放电条件进行测量。

图2-7脉冲电源和放电解析系统（示波器）的实物照片

放电功率的定义是能量和脉冲频率（Hz）的乘积。

试验时在连续放电时间内，单个脉冲放电的瞬间功率P（kW）和放电能量Pa（J）的计算分别使用（4）、（5）公式计算：

（4）

（5）

式中，ti+1和ti分别表示一定时间内的放电时间点，Ii+1和Ii分别表示放电时间为ti+1和ti时的放电电流，Vi+1和Vi分别表示放电时间为ti+1和ti时的放电电压，放电电压及电流的数据来自其两者的波形图。

试验中对DBD反应器进行连续脉冲放电，再用示波器对放电时的波形数据进行记录，进而得出连续放电的基础特征。

2.3.2试验结果处理

（1）.挥发性有机气体去除率

本试验通过气相色谱仪（GC）的分析得到气体的色谱图的，对比较挥发性气体在处理前后的色谱图上特征峰面积的变化来计算挥发性气体的去除率，挥发性气体去除率计算如公式（6）所示：

（6）

（2）.大气中NH3测定

取8个50ml比色管中，分别加入0ml、0.50ml、1.00ml、2.00ml、3.00ml、5.00ml、7.00ml、10.00ml的铵氮标准液，再加蒸馏水至比色管标线。

在上述溶液中先各加入0.1ml酒石酸钾钠溶液混匀，再各加入0.5ml钠氏试剂混匀，在室温下放置10min。

静置后用10mm比色皿，以蒸馏水作为参比对象，在波长425nm下，测定各比色管中溶液的吸光度。

在绘制标准曲线图时以横坐标表示氨含量（μg），以纵坐标表示吸光度，并计算标准曲线的回归方程。

将现场采样得到的NH3吸收液倒入比色管中同上述步骤测定吸光度，并利用回归方程计算出对应的大气中NH3浓度。

（3）.大气中臭气浓度测定

六级强度嗅辨法对臭气强度分级如表2-3所示，在对臭气浓度测定时组织5名18-45岁的无烟酒嗜好男女青年对样品进行臭味嗅闻。

表2-3臭气强度