城鎮(zhèn)污水處理廠臭氣污染與除臭技術(shù)研究進展

鄒博源，陳 廣

(上海城投污水處理有限公司，上海 201203)

隨著經(jīng)濟發(fā)展與人口城鎮(zhèn)化，居民區(qū)越來越靠近污水、污泥處理設(shè)施，污水處理廠的臭氣污染也受到越來越多的關(guān)注。城鎮(zhèn)污水處理廠散發(fā)的多組分、低濃度惡臭化合物具有典型的刺激性異味。長時間處于此類環(huán)境中會產(chǎn)生反胃惡心、失眠、頭疼、呼吸困難等癥狀。惡臭污染物通過刺激人的嗅覺神經(jīng)進而引起人心理和生理的不適，人的年齡、性別、健康狀況以及化合物組分、濃度等諸多因素都會對嗅覺刺激的敏感程度產(chǎn)生影響。其不適程度主要取決于受滋擾人群的主觀反應(yīng)即人的感覺，這一點對臭氣污染治理評價來說至關(guān)重要[1]。

加拿大除臭標(biāo)準(zhǔn)中將臭氣污染定義為：干擾或可能干擾人們的舒適、健康、生活或享受活動[2]。我國的國家標(biāo)準(zhǔn)《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554—1993)中將惡臭污染物定義為[3]：一切刺激嗅覺器官引起人們不愉快及損壞生活環(huán)境的氣體物質(zhì)。臭氣污染投訴在澳大利亞和美國的空氣污染投訴中高居第一[4]，在國內(nèi)大城市中污水處理廠的臭氣污染投訴已屢見媒體報道。大規(guī)模的投訴派生出更嚴格的政策法規(guī)，對污水處理廠除臭工程的有效性提出了更高的要求?！吨腥A人民共和國大氣污染防治法》第五章明確規(guī)定生產(chǎn)經(jīng)營過程中向大氣排放惡臭氣體的排污單位，必須采取措施防止周圍居民區(qū)受到污染。上海市頒布的環(huán)境保護和建設(shè)行動計劃中，著重強調(diào)污水處理廠臭氣治理是解決市民重點關(guān)心的環(huán)境問題之一，結(jié)合城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造，需進一步強化污水處理設(shè)施廢氣治理。此外，硫化氫等惡臭污染物溶于水后具有腐蝕性，進而對污水處理設(shè)備造成嚴重腐蝕。污水處理廠的臭氣治理已是世界性議題，國內(nèi)外污水廠都面臨防腐蝕問題、延長設(shè)施設(shè)備使用壽命的內(nèi)部壓力以及減少投訴、緩解廠群矛盾的外部壓力。

1 城鎮(zhèn)污水處理廠臭氣來源與排放規(guī)律

1.1 臭氣來源

在生活污水和工業(yè)污水收集和輸送過程中，由于污水在無法補充足夠溶解氧的管網(wǎng)中長時間停留形成厭氧條件，污水中的碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等物質(zhì)被厭氧微生物利用進行合成和分解，從而形成惡臭氣體向周圍區(qū)域發(fā)散。污水脫離排水管道中的厭氧環(huán)境后，進入污水廠的配水區(qū)域。水流在經(jīng)過進水提升泵房時發(fā)生劇烈擾動，不斷釋放原本已溶解在污水中的惡臭污染物。污水在途經(jīng)格柵和沉砂池時，較大懸浮物會被截留，而其中的有機物在較長的截流停留時間中不斷發(fā)酵，產(chǎn)生大量惡臭氣體(主要以含硫物質(zhì)為主)。

在厭氧條件下，污水中的厭氧硫還原菌(sulphate reducing bacteria)以硫酸鹽為最終電子受體，氧化有機化合物獲取能量，將硫酸鹽還原成亞硫酸鹽和硫化物，進而產(chǎn)生具有異味的硫化氫氣體，同時伴隨產(chǎn)生硫醇和含硫氣態(tài)化合物[5]。含硫有機物通過厭氧菌的降解作用形成硫化氫。污水中硫酸鹽主要來自食品加工廢水和餐飲廢水，食用明礬的普遍應(yīng)用、日常餐飲蔬菜中的植物含硫(0.1%～0.5%)和各種清潔劑中的硫是污水中無機硫酸根與有機硫酸根的來源[6-7]。水廠廣泛使用硫酸鋁作為混凝劑也是生活污水中硫酸根的重要來源之一。

污水中的有機氮在厭氧環(huán)境下轉(zhuǎn)化為氨氮。在有機物降解過程中不斷生成脂肪酸等酸性物質(zhì)，將氨大量轉(zhuǎn)化為不可揮發(fā)的銨離子。隨著脂肪酸等有機物不斷被分解成二氧化碳和水，氨最終主要以碳酸氫銨的形式存在。碳酸氫銨的熱穩(wěn)定性極差，易發(fā)生熱分解，而從水中溢出的氨氣釋放出強烈的刺激性異味，且隨溫度上升越不穩(wěn)定。

污泥處理過程需較長的停留時間，易形成厭氧環(huán)境，進而引起惡臭污染物從污泥有機物中產(chǎn)生并釋放。污泥處理臭氣排放源主要集中在污泥脫水機房、污泥料倉和污泥干化區(qū)域。污泥干化過程中產(chǎn)生的惡臭氣體為非常溫氣體，隨著溫度的升高、污泥含水率的降低，污泥中的各類有機及無機物會發(fā)生分解揮發(fā)。污泥干化初始加溫后的短時間內(nèi)，低熔點和低沸點的大量硫化氫受熱分解釋放[8-12]。在污泥干化過程中，碳水化合物分解生成的二氧化碳等酸性物質(zhì)與溶于水的氨反應(yīng)生成碳酸氫銨，繼而被分解成氨氣釋放。

1.2 排放規(guī)律

影響污水廠惡臭物質(zhì)產(chǎn)生的因素有很多，進水濃度、處理工藝、水溫、水中酸堿值及降雨都可能影響污水廠內(nèi)不同建構(gòu)筑物所排放的惡臭污染物濃度值。污水處理規(guī)模較大的污水廠比規(guī)模較小的污水廠惡臭現(xiàn)象更為明顯，污水廠內(nèi)部構(gòu)筑物在密閉狀態(tài)下濃度明顯更高[13]。惡臭物質(zhì)的排放隨著污水生物處理過程的延伸而有所緩和，好氧池由于溶解氧較高，部分惡臭污染物被氧化，其排放濃度顯著低于預(yù)處理區(qū)域。但是，在污泥的處理處置過程中，由于有機負荷率升高，臭氣污染更嚴重。

曝氣沉砂池、粗格柵、污泥濃縮池和污泥脫水區(qū)域硫化氫和氨氣的排放濃度存在夏、秋高而冬、春低的明顯的季節(jié)變化特征。雨天，污水廠惡臭物質(zhì)的濃度明顯較低，降雨帶來的污染物稀釋和溶解氧濃度提高是濃度降低的主要原因[14-15]。污水中酸堿值的變化也是影響排放規(guī)律的重要因素[1]，在pH降低至酸性時，氨氣在水中的溶解度高且不易揮發(fā)、硫化氫和硫醇類化合物溶解度很低但較易揮發(fā)。當(dāng)pH升高至堿性時，氨氣變得容易揮發(fā)而硫化氫和硫醇類化合物不易揮發(fā)。與污水進水和預(yù)處理區(qū)域相比，污泥處理區(qū)域由于有機負荷較高，其惡臭氣體排放規(guī)律受到季節(jié)變換與降雨等因素的影響較小。

污泥脫水機房的惡臭污染物濃度以料斗口中心最高，并向周邊不斷遞減[16]。離心脫水工藝建(構(gòu))筑物內(nèi)的惡臭污染物濃度大幅低于板框壓濾工藝，在污泥干化過程中，隨著溫度的升高，硫化氫和氨氣的釋放量不斷增加。污泥干化存儲環(huán)境的變化對硫化氫的生成有直接影響，空氣中微生物活動更活躍，致使硫化氫排放量顯著高于氮氣環(huán)境[8-12]。污泥干化過程中，氨的釋放量隨干化溫度的升高而增加，在220 ℃時增加顯著。當(dāng)含水率降至45%～80%時，不同干化溫度下污泥氨的單位釋放量均隨含水率減小而明顯升高；當(dāng)含水率小于45%時，不同干化溫度下氨釋放量不再隨含水率減小而升高。污泥含水率與干化溫度直接影響污泥干化過程中VOCs的產(chǎn)生。當(dāng)溫度低于140 ℃時，VOCs排放量隨干化溫度的升高而增加；當(dāng)溫度高于140 ℃時，則隨溫度的升高而減少。

2 城鎮(zhèn)污水處理廠惡臭評價與除臭標(biāo)準(zhǔn)

2.1 現(xiàn)行惡臭評價方法

臭氣污染先給人以感官不悅的心理刺激，可通過4個指標(biāo)衡量，分別是惡臭閾值、臭氣濃度、臭氣強度以及閾稀釋倍數(shù)[17-18]。全世界最普及的惡臭測定方法是儀器分析法與官能測定法。表1總結(jié)對比了2種測定方法的特性。儀器分析法測得的數(shù)據(jù)精確性高，能作為追蹤污染源的重要依據(jù)。官能測定法則體現(xiàn)了臭氣污染對人體感官的直接影響，可用于對臭氣進行綜合治理效果的評價。只有兩者有效的結(jié)合才能避免惡臭污染物排放濃度達標(biāo)，而周邊社區(qū)居民卻無法接受的尷尬境地[17]。

目前，污水廠除臭工程使用的臭氣電子鼻儀器為國外進口產(chǎn)品，在實際檢測中存在諸多不便。應(yīng)用過程中，參數(shù)配置繁瑣、維修保養(yǎng)困難，無法對多個監(jiān)控區(qū)域進行大數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計、建模；對污染區(qū)域提供的預(yù)警信息也不夠準(zhǔn)確或過于敏感。因此，以人工嗅辨結(jié)果作為檢測儀器標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)復(fù)合惡臭氣體檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對惡臭污染物精準(zhǔn)與穩(wěn)定的在線自動監(jiān)測是未來惡臭評價研究的重要方向。

表1 對比儀器分析法與官能測定法[17-18]Tab.1 Comparison between Methods of Instrumental and Human Sensory Analysis[17-18]

2.2 世界各國除臭標(biāo)準(zhǔn)比較

目前，國內(nèi)城鎮(zhèn)污水廠正在使用的除臭排放標(biāo)準(zhǔn)有《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554—1993)、《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)，更嚴格的地方性標(biāo)準(zhǔn)有上海市《城鎮(zhèn)污水處理廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/982—2016)。表2總結(jié)對比了歐美、亞洲與我國的除臭標(biāo)準(zhǔn)特點，亞洲鄰國與我國均是人口集中、污染密集的地區(qū)，因此，具有更高的借鑒價值。我國現(xiàn)在執(zhí)行的廠界標(biāo)準(zhǔn)限值已達到國際水平，與亞洲鄰國相比，主要差異體現(xiàn)在監(jiān)測項目中涵蓋的VOCs種類較少[19]。美國是全世界較早致力于制定除臭標(biāo)準(zhǔn)的國家，但沒有統(tǒng)一的聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn),各州根據(jù)本地區(qū)具體情況制定靈活而實際的除臭標(biāo)準(zhǔn)[20]。我國可參考美國除臭標(biāo)準(zhǔn)的制定，由各地根據(jù)自身實際情況制定地方標(biāo)準(zhǔn)針對性限制VOCs排放濃度。

表2中國標(biāo)的污染物濃度數(shù)值引自《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》，氨和硫醇廠界無組織排放濃度指標(biāo)已嚴于歐美、日韓國標(biāo)與上海地標(biāo)，硫化氫則高于日韓國標(biāo)與上海地標(biāo)，略低于美國康涅狄格州標(biāo)準(zhǔn)，臭氣濃度為20，高于表2內(nèi)所有其他標(biāo)準(zhǔn)?！稅撼粑廴疚锱欧艠?biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》編制說明中指出，根據(jù)受控物質(zhì)排放濃度與臭氣強度的對應(yīng)關(guān)系，計算每種受控惡臭污染物臭氣強度1級(氣味似有似無)時對應(yīng)的濃度值。盡管此次國標(biāo)濃度排放限制更新中包含了臭氣強度因素，但與國外監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)相比，仍顯得不夠立體。建議增加投訴標(biāo)準(zhǔn)、排污單位廠區(qū)內(nèi)部環(huán)境空氣質(zhì)量、發(fā)生頻率、持續(xù)時間等因素，完善總體評價體系。

表2 國內(nèi)外除臭標(biāo)準(zhǔn)特點比較Tab.2 Characteristics Comparison of Deodorization Standards at Home and Abroard

注：a為《康涅狄格州異味控制環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》；b為《日本異味控制標(biāo)準(zhǔn)》；c為《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》；d為《城鎮(zhèn)污水處理廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/982—2016)

3 城鎮(zhèn)污水處理廠除臭技術(shù)與工藝運行

3.1 除臭技術(shù)比較

3.1.1 臭氣源抑制技術(shù)

臭氣源抑制技術(shù)是向排水管線內(nèi)投加硝酸鹽等化學(xué)藥劑破壞厭氧環(huán)境或氫氧化鎂等堿性物質(zhì)沉淀硫離子，進而抑制惡臭污染物的產(chǎn)生。由于成本較高，目前尚未大規(guī)模應(yīng)用。

污泥低溫干化過程中添加堿將大幅減少含硫氣體的排放，堿能促進熱穩(wěn)定性差的脂肪族和芳香族硫化物氧化為穩(wěn)定的亞砜和砜類，從而抑制產(chǎn)生硫化氫等含硫氣體。醋酸鹽的投加可抑制污泥干化過程中蛋白質(zhì)氮的分解，熱解過程中釋放丙酮和氨氣，生成酮亞胺并發(fā)生縮聚作用，形成胺類將氨固定[8]。與純污泥干化相比，摻加10% 重量比的氧化鈣污泥，在200 ℃的干化溫度下，硫化氫和氨的釋放量明顯大幅減少[9]。

3.1.2 臭氣源收集技術(shù)

臭氣源收集處理技術(shù)即對污水廠內(nèi)部惡臭氣體進行封閉收集、傳輸與凈化處理，主要包括構(gòu)筑物上的集氣罩、輸送臭氣的風(fēng)機和連接集氣罩與處理系統(tǒng)的管道。風(fēng)機的選取根據(jù)輸送氣體的性質(zhì)和風(fēng)量范圍進行確定，換氣量決定除臭工藝的處理效果和成本。惡臭物質(zhì)含有一定的腐蝕性，在輸送過程中由于壓縮作用易產(chǎn)生水珠，因此，風(fēng)機的防腐性和除濕也需納入設(shè)計考量。1985年，美國聯(lián)邦環(huán)保局(EPA)發(fā)布污水處理系統(tǒng)臭氣與腐蝕控制的設(shè)計手冊[21]，可見腐蝕是臭氣治理的共生問題。國內(nèi)重視程度明顯不夠，需針對惡臭污染物帶來的腐蝕問題盡快完善相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與運行規(guī)范。

3.1.3 臭氣污染凈化技術(shù)

臭氣污染的凈化技術(shù)有：物理法(掩蔽法、稀釋擴散法)、燃燒法(直接燃燒法、催化燃燒法)、洗滌法(酸堿液洗滌法、植物洗滌法、清水洗滌法)、吸附法(活性炭等)、化學(xué)氧化法(臭氧氧化法、催化氧化法)、離子體法、生物法(生物過濾法、生物滴濾法、生物洗滌法)等[22]。

掩蔽法是在臭氣源設(shè)施周圍噴灑芳香藥劑掩蔽或調(diào)和惡臭的感官氣味，由于排放濃度和大氣條件的不斷變化，除臭效果并不明顯。稀釋擴散法是以干凈的空氣將惡臭氣體稀釋，從而減少臭氣干擾。燃燒法是將惡臭物質(zhì)高溫氧化為無臭無害的二氧化碳和水，可分為直接燃燒和催化燃燒，由于能源消耗較高還未大規(guī)模推廣。洗滌法是利用氣液接觸，使氣相中的致臭成分轉(zhuǎn)移至液相，洗滌液中的化學(xué)藥劑或植物提取液與其發(fā)生酸堿中和等化學(xué)反應(yīng)，從而去除惡臭分子。氨類惡臭物質(zhì)極易溶于水，因此，清水洗滌法在污水廠和輸送泵站中已獲得廣泛應(yīng)用。顆?；钚蕴孔鳛槲椒ㄖ黧w與污染物質(zhì)進行物理結(jié)合或化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)氧化法是采用強氧化劑如臭氧、次氯酸鹽等氧化惡臭物質(zhì),從而去除異味的方法。離子體法是通過高壓脈沖放電獲取等離子體中的活性粒子對污染物中的致臭有機分子進行直接分解去除。生物法除臭是利用在固體填料上生長的微生物群落，在常溫常壓下對中低濃度惡臭氣體中的致臭成分進行生物降解，轉(zhuǎn)化為嗅閾值較高的低臭成分。不同技術(shù)之間的處理效果與投資運行成本差異較大，表3總結(jié)了污水廠主流除臭工藝的經(jīng)濟技術(shù)特點[23]。

圖1 生物處理法除臭工藝簡圖[23-24] (a) 生物過濾法；(b) 生物滴濾法；(c)生物洗滌法；(d) 化學(xué)吸收法(化學(xué)洗滌法)Fig.1 Diagram for Biological Deodorization Process[23-24] (a) Biofilter；(b) Biotrickling Filter；(c) Bioscrubber；(d) Chemical Deodorization Process (Chemical Scrubber)

表3 不同除臭工藝特點比較[23]Tab.3 Characteristics Comparison of Different Deodorization Processes[23]

生物法優(yōu)點主要體現(xiàn)在處理有效性較高，總體能耗與運行維護費用較低，不易出現(xiàn)二次污染和跨介質(zhì)污染轉(zhuǎn)移的問題[24]。單一除臭技術(shù)的應(yīng)用已無法滿足越來越嚴格的除臭標(biāo)準(zhǔn)，因此，采用多種技術(shù)串聯(lián)，擁有更高去除效率的組合工藝成為合理趨勢。根據(jù)污水廠內(nèi)污水臭氣排放濃度低、氣量大，以及污泥臭氣排放濃度高、氣量大的特點，污水和污泥采用不同的除臭工藝組合，以化學(xué)氧化與酸堿吸收為預(yù)處理，將高濃度、多組分的惡臭物質(zhì)降解為中低濃度，后利用單組或多組生物處理裝置對惡臭物質(zhì)進行凈化處理。若經(jīng)生物處理后的排放濃度仍未達標(biāo)，后續(xù)啟動吸附等輔助工藝對尾氣進行最終處置。圖1展示了除臭技術(shù)中生物法與化學(xué)吸收法的工藝簡圖[25]。

3.2 除臭工藝運行

惡臭污染物的密封及收集效率是除臭工程良好運行的關(guān)鍵因素。臭氣收集系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)保持微負壓，確保輸送過程中無泄露。在實際運行中，污水與污泥的臭氣處理負荷有較大差別。隨著進氣濃度與進氣氣量變化而發(fā)生的處理負荷變化直接影響著后續(xù)的除臭工藝運行效果，不同的流速直接決定了后續(xù)處理工藝的停留時間[23]。在確認進氣氣量的前提下，循環(huán)水的噴淋水量與噴淋頻率影響著臭氣氣體溶解于液體的氣液傳質(zhì)速率。氨氣比硫化氫更易溶于水,在增加濕度后，大部分氨氣通過溶解特性去除，去除率高于硫化氫。甲硫醇不溶于水，僅能依靠生物填料的吸附以及氣態(tài)條件下微生物降解的聯(lián)合作用去除[26]，較低的生物去除率必須配合輔助工藝加以處理。通常生物濾池的填料濕度控制在40%～60%[27]；通過保持適當(dāng)?shù)奶盍虾?，控制微生物新陳代謝過程中多余熱量的釋放。

微生物的活性直接影響生物除臭的整體效率，調(diào)控生物反應(yīng)器的運行參數(shù)使之符合不同環(huán)境下微生物生長與代謝的條件，直接決定了最終處理效果。運行過程中，循環(huán)水pH值通常控制在6～8。在低pH條件下，嗜酸性硫細菌的活性更強，對硫化物的去除能力更高,并已在除硫生物濾池中得到應(yīng)用。溫度是影響微生物活性的重要因素，微生物進行好氧呼吸的溫度范圍相對較大(15～35 ℃)。冬季運行時，可通過對收集氣體進行加熱增溫處理或提高循環(huán)水水溫等方法保持微生物活性。對于低濃度的臭氣來源，直接使用生物法處置達標(biāo)，避免進入預(yù)處理和后續(xù)輔助工藝段，降低運行成本。將含有除臭微生物的除臭污泥投加到污水預(yù)處理、污泥料倉等臭氣污染嚴重區(qū)域，實現(xiàn)對惡臭物質(zhì)的源頭削減和過程控制。

在除臭工程運行中，采用自動控制技術(shù)實施管理，對不同工藝段的設(shè)備參數(shù)、運行參數(shù)實現(xiàn)通訊連接。對設(shè)備進行監(jiān)視，及時采集故障信號，向中控室反饋。針對不同工況，設(shè)置循環(huán)水溫度、pH、噴淋水量與頻次的自動調(diào)節(jié)功能，實時更新除臭系統(tǒng)的運行管理[28]。除臭設(shè)備設(shè)施檢修需配合相關(guān)污水污泥設(shè)備設(shè)施的檢修計劃，應(yīng)根據(jù)污水廠總體運行情況進行合理規(guī)劃、有效分配檢修時間，減少除臭設(shè)備正常檢修對惡臭污染物去除的影響。通過定期組織設(shè)備管理人員和工藝運行人員對設(shè)備運行情況進行分析小結(jié)，提高對設(shè)備異常狀態(tài)的警覺和重視程度，確保設(shè)備正常可持續(xù)運行，實現(xiàn)零故障[29]。生物法中使用的填料為培養(yǎng)持續(xù)有效的除臭微生物提供了基礎(chǔ)，作為增加微生物活性的核心設(shè)備對整體除臭效果至關(guān)重要。優(yōu)化現(xiàn)有填料配方，開發(fā)除臭核心設(shè)備的微生物培養(yǎng)箱是除臭工程設(shè)備管理的重要方向。

4 總結(jié)與展望

城鎮(zhèn)污水處理廠除臭工程的高效運行是為周邊民眾提供良好居住環(huán)境，保證運行人員健康的重要途徑。臭氣污染的有效治理可大幅降低污水處理廠的腐蝕問題，是延長設(shè)施設(shè)備使用壽命、降低成本的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)進水濃度、溫度變化等不同影響因素下的污水廠自身臭氣排放規(guī)律，針對污水和污泥處理工段，因地制宜采用不同工藝組合，定制各自專屬的除臭工程設(shè)計與運行方案。通過以生物法為主與其他處理工藝為輔的工藝組合，可有效處理硫化氫、氨氣、甲硫醇，VOCs和臭氣濃度等惡臭污染物。對除臭工藝運行實施精細化管理，不斷調(diào)整完善工藝運行狀態(tài)、加強設(shè)備管理，結(jié)合儀器分析法與官能測定法開發(fā)復(fù)合惡臭氣體監(jiān)測系統(tǒng)，共同確認最終除臭效果。