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城市污水处理厂的大气污染治理技术 ＊ 刘 晗 张培玉 于春燕 青岛大学环境工程系, 山东 青岛 266071 摘要 城市污水处理厂在污水处理的过程中会产生一些大气污染。 我们应弄清这些污染的成分和来源并加以控制以 免形成二次污染, 防止给周边环境尤其是居民的居住、工作环境造成影响。 介绍近年来国内外学者就城市污水处理厂 的大气污染问题的最新研究成果, 并调查了青岛市两个典型污水处理厂的大气污染情况, 展现了当前城市污水处理厂 的大气污染的研究现状。 关键词 环境保护;污水处理; 大气污染 AIR CONTAMINATION AND ITS TREATMENT TECHNOLOGY OF WASTEWATER TREATMENT PLANT Liu Han Zhang Peiyu Yu Chunyan Department of Environmental Engineering, Qingdao University , Qingdao 266071, China Abstract Urbanwastewater treatment plant, as a plant which treats the wastewater from our city and factories, can also bring about air contamination during their treatment processes. Therefore, the components and sources of these contaminations should be known to control these contaminations and prevent secondary pollution. What is more, we should avoid the comparatively bad impactswhich the air contamination brings to the natural environment and people s living and working conditions should also be avoided. It is mainly introduced the research on air contamination in wastewater treatment plant by scholars at home and abroad in recent years and presented the research status in this field nowadays. Keywordsenvironmental protection; wastewater treatment; air contamination ＊国家自然科学基金项目 50678085 ; 山东省教育科技计划项目 J06I03 ; 山东省研究生教育创新计划资助项目 SDYY07091 。 0 引言 随着城市建设的不断发展 , 城市规模不断扩大, 已建的城市污水厂周围现在都有了人口较为密集的 居民生活区或公共活动区 ,新建的城市污水处理厂的 位置越来越靠近居民生活区 , 污水处理厂 尤其是小 区生活污水处理站 在运行过程中散发的臭气和一些 细菌与病毒 ,将严重影响周围居民的正常生活 ,由此 引发的环境污染问题也越来越多 [ 1] 。因此在城市污 水处理厂的建设期 、 运行期和使用期后 , 除了设置必 要的污水、污泥处理与处置系统外, 还需针对城市污 水处理厂产生的臭气选择合适的处理技术和处置方 法。目前 ,国内外关于城市污水处理厂大气污染控制 的研究大多集中在各种恶臭处理技术的开发与优化 方面 ,对空气中的微生物污染研究较少。本文介绍了 近年来国内外学者就城市污水处理厂大气污染问题 的最新研究成果 ,并调查了青岛市两个典型污水处理 厂的大气污染情况, 展现了当前城市污水处理厂的大 气污染的研究现状 。如何进一步加强对城市污水处 理厂中大气污染的治理研究, 开发出成本较低的能够 广泛应用的处理方法 ,应是下一步研究中的重点。 1 城市污水处理厂大气污染主要成分和来源的研究 城市污水处理厂的大气污染主要是指城市污水 处理厂在其运行过程中产生的臭气 。此外还可能会 有空气中的微生物污染。 1. 1 大气污染的主要成分 目前, 国内外学者关于城市污水处理厂大气污染 的研究主要集中在城市污水处理厂恶臭控制的研究 上,而且大多集中在各种恶臭处理技术的开发与优化 方面 。国内外学者一致认为城市污水处理厂臭气的 75 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 主要成分根据臭气物质的化学组成可分为三大类 含 硫的化合物 硫化氢 、 甲硫醇、甲硫醚等 ; 含氮化合物 氨、二元胺、 甲基引哚等 ; 碳 、 氢、氧等组成的化合物 低级醇、醛、 脂肪酸等 [ 2] 。其中 ,H2S 广泛存在于恶 臭污染严重的污水处理和污泥处理设施中,其恶臭污 染问题最受关注。Xianhao Cheng 等 [ 3] 通过对费城东 北的水污染控制厂中挥发性有机硫化物引起的臭气 的研究中发现 二甲基硫醚占臭气成分中的绝大部 分,一般乙硫醇的含量小于 10, 二甲基二硫醚含量 约为 1,而且二甲基二硫醚有时候检测不出来。 少数学者 [ 4] 认为污水处理过程中, 由于液滴的飞 散或瀑气池中污水气泡上浮至液面而破裂时 ,都可产 生带菌的气溶胶 ,并随风飘散, 造成城市污水处理厂 空气中的微生物污染 。城市污水处理厂空气中的微 生物污染主要是污水中原有和污水处理中添加的一 些微生物 。有试验证明, 在上浮的气泡表面所含有菌 数要比原污水中所含菌数多 10倍 ～ 1 000倍 。 1. 2 大气污染的主要来源 研究表明, 城市污水处理厂的臭气主要来源于污 水处理构筑物和污泥处理构筑物。1988 年,Frechen [ 5] 曾对德国 100 多家污水厂的臭气源进行调查。结果 表明臭气问题较严重的区域是进水区域和污泥处理 区域 。我国许多污水处理厂对自身生产过程所产生 的臭气也进行过检测。清华大学席劲瑛等 [ 6] 对我国 南方某城市污水处理厂的恶臭排放规律进行了考察 和研究,发现厂区内主要的恶臭污染源包括粗格栅、 曝气沉砂池和污泥脱水间 。其中曝气沉砂池和粗格 栅的 H2S 和NH3排放浓度均呈夏 、 秋季节高而冬、春 季节低的特征, 具有明显的季节性变化 。另外一些学 者 [ 7] 对天津市纪庄子污水处理厂对恶臭污染物进行 了监测,结果表明污水处理厂恶臭发生源地主要是储 泥池、污泥浓缩池、污泥脱水机房以及曝气沉砂池和 格栅处。1 城市污水处理厂的粗格栅房, 由于城市污 水处理厂的进厂污水大多是通过城市污水管道输送 进厂, 污水在密闭管道中处于厌氧状态 , 其中产生的 臭气将在污水处理厂的第一道工序粗格栅间 敞口 释放出来 。2 厂区污水、 污泥管道,厂区的污水、 污泥 管道中的污水、污泥都是封闭的, 污水和污泥也处于 厌氧状态 ,也会产生臭气 。3 污水处理的兼氧段。如 AB 处理工艺的 A 段在兼氧运行状态时 , 溶解氧在 0. 2～ 0. 7 mg L之间,此工序也产生大量的臭气 。4 污 泥厌氧消化区, 污泥经厌氧消化,在产生甲烷的同时, 也伴随产生臭气 ,这是城市污水处理厂产生臭气最多 和最集中的部位 。5 消化池前后的预 、 后浓缩池。污 泥在浓缩池中 ,处于厌氧状态 ,也产生臭气 。6 消化 污泥的脱水 。消化后的污泥须经脱水才能外运处置, 不论是离心脱水还是带式压滤脱水 ,含在污泥中的臭 气,在脱水时也会释放出来。 同时, Jae- Soo Chang 和 Steven K. Dentel [ 8] 通过对 在使污泥絮凝和脱水处理中使用的絮凝剂进行研究 发现 絮凝剂中所含有的有机阳离子是臭气的潜在来 源,通常使用的两种絮凝剂会使污泥中含有的三甲胺 释放出来, 三甲胺具有与众不同的腥臭味 ,而且人类 对三甲胺的察觉下限仅为0. 11 μ g m 3 。 笔者通过在青岛市城阳污水处理厂和青岛市团 岛污水处理厂的参观实习中发现,城市污水处理厂的 臭气的浓度主要与城市污水处理厂的进水成分及其 浓度 、 城市生活污水与工业污水的比例、进水量、 采用 的处理工艺以及所处地区的气候通风条件等有关。 青岛市城阳污水处理厂, 位于青岛市城阳区 ,属于青 岛市郊,一期设计污水处理能力为 5 万 t d,二期总规 模10 万 t d ,城市生活污水占总进水量的 40, 工业 污水占总进水量的 60, 主要采用 ICEAS 工艺 ,产生 的臭气浓度较小 ,基本不会对周围地区产生影响。相 比而言 ,青岛市团岛污水处理厂, 位于青岛市老城区 团岛, 几乎位于青岛市市南区的最西南端 ,它是中德 政府合作项目 , 于 1998 年 12 月 21 日通水联动试运 行,设计处理规模 10 万 t d, 城市生活污水占总进水 量的 80, 工业污水占总进水量的 20, 其中生活污 水主要来自市南区, 采用 A A O 工艺, 产生的臭气浓 度比城阳污水处理厂大一些, 尤其是在粗格珊间和污 泥消化区有浓烈的恶臭, 这与青岛市无化粪池等有密 切的关系, 由于青岛市团岛污水处理厂几乎位于青岛 市市南区的最西南端 ,当有西南风吹来时就会对周围 的居民产生影响 ,给居民的居住、工作环境造成较为 严重的影响 ,当地居民虽多次向政府反映 、 投诉,但目 前为止尚无法解决。 综上所述,臭气的来源主要是储泥池 、 污泥浓缩 池、 污泥脱水机房以及曝气沉砂池和格栅处。 2 城市污水处理厂大气污染处理技术研究 目前研究中 ,处理臭气主要有物理法 、 化学法和 生物法三大类方法。具体有物理吸附 、 化学氧化、液 体吸收和生物脱臭等 。对空气中的微生物污染的处 理,有些国家 [ 4] 在污水曝气池上用塑料薄膜覆盖, 以 76 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 减少含菌气溶胶的传播。 2. 1 物理除臭法 2. 1. 1 水清洗法 污水处理厂产生的臭气物质如有机硫、有机胺、 烯烃 、 硫化氢以及氨等,在水中均有一定的溶解度 ,可 采用水清洗法处理 。但是由于这些物质在水中的溶 解度有限, 不可能无限地增加, 一旦该物质在水中达 到饱和,清洗效果将会急剧下降,甚至完全失去作用, 因此需要经常更换清洗水 ,这将导致清洗产生的废液 量很大,由于清洗废液必须经过处理之后才能排放, 从而加重了污水处理系统的负担。除此之外 ,对于一 些高分子有机臭气物质来说, 水清洗法的去除效果比 较差。水清洗法经济性好, 投资和运行成本均较低, 但净化效果一般 。 2. 1. 2 活性炭吸附法 活性炭吸附法是一种以活性碳为原料,利用活性 炭的吸附功能对臭气进行处理的除臭方式 。为了有 效地除去多种臭气物质, 通常利用各种不同性质的活 性炭, 在吸附塔内设置吸附酸性物质的活性炭 、 吸附 碱性物质的活性炭和吸附中性物质的活性炭 ,臭气和 各种活性炭接触后, 即可排出吸附塔。活性炭吸附法 可以去除许多臭气物质, 主要是通过活性炭的吸附作 用,将产生臭气的VOC 等吸附在活性炭的微孔里 ,其 中乙醛、 吲哚、 3-甲基吲哚等恶臭成分是通过物理吸 附去除的 ; 其他一些致臭成分 如H2S 或硫醇等 则是 在活性炭表面进行氧化反应而进一步吸附去除的。 活性炭达到饱和后 ,需通过热空气、蒸汽或苛性碱浸 没进行再生、 洗脱或替换 。由于活性炭的吸附能力极 易受臭气中的潮气 、 灰尘等杂物的影响而下降 ,因此 常需在脱臭管道上安装除湿、除尘等装置防止活性炭 受潮 。Huiqi Duan 等 [ 9] 运用有微生物附着的活性碳 小球为填料的生物过滤器对H2S 实现高效去除 。 2. 2 化学除臭法 2. 2. 1 化学试剂吸收法 利用臭气中的某些物质和试剂中的化学物质发 生反应,从而使致臭物质得到去除 。常见的吸收剂有 苛性钠、次氯酸钠 、 硫酸 、 盐酸 、 亚硫酸钠等 。利用呈 碱性的苛性钠可去除臭气中硫化氢等酸性物质,利用 盐酸等酸性溶液可去除臭气中的氨气等碱性物质。 如南京市城北污水厂采用该方法脱除污泥脱水车间 的臭气 [ 7] 。 2. 2. 2 热力氧化法和催化氧化法 一般情况下 ,污水处理厂产生的臭气中含有大量 的还原性物质, 如有机硫和有机胺类等。因此, 可采 用氧化法来处理。氧化方法包括热力氧化法和催化 氧化法。前者是将臭气与污泥厌氧消化过程中产生 的沼气充分混合 ,在高温下燃烧, 最终生成二氧化碳 和水蒸气。采用该法时要注意保证燃烧的充分性 ,否 则可能增大臭味的强度, 例如, 醇不完全燃烧时将转 化成羧酸。催化氧化法是将臭气与沼气的混合气体 通过装有催化剂的燃烧床后再燃烧的方法 。与热力 氧化法相比 ,由于催化氧化法使用了催化剂 ,大大降 低了燃烧温度, 缩短停留时间, 所以设备的投资和运 行费用均减少。从理论上来说 ,催化氧化法优于热力 氧化法,但它存在催化剂中毒 、 堵塞等问题,而热力焚 烧可回收热量, 基于以上原因, 目前国内外应用较多 的是热力氧化法 。 2. 2. 3 臭氧氧化法 利用臭氧的强氧化性来分解氧化恶臭物质,从而 达到除臭的目的 。臭氧氧化法有气相和液相之分 ,由 于臭氧发生的化学反应较慢, 一般先通过药液清洗, 去除大部分致臭物质 ,然后再进行臭氧氧化。臭氧是 一种必须现场生成的氧化剂, 它的浓度取决于恶臭物 质的种类或浓度 。在恶臭物质浓度很高时,臭氧就不 能完全氧化这些污染物, 而未使用的残余臭氧本身又 成为一种空气污染物 。 2. 3 生物除臭法 生物除臭法是近年来新发展起来的除臭技术 ,它 是利用微生物的代谢作用降解臭气物质 ,适合去除污 水处理厂产生的臭气物质 。目前,在污水处理厂中应 用的生物除臭法主要有 3 种 生物滤池法、洗涤式活 性污泥法以及曝气式活性污泥法。 2. 3. 1 生物过滤法 收集后的臭气通过湿润、多孔和充满活性微生物 的滤层 ,利用微生物细胞对恶臭物质的吸附 、 吸收和 降解功能, 将恶臭物质吸附后 分解成 CO2、H2O、 H2SO4、 HNO3等简单无机物。除臭装置主要由加湿装 置和生物除臭装置组成 。加湿装置内设置两台水泵 以自动切换的模式交替工作, 不停地把抽进的臭气加 湿至 99 的湿度以上, 提高致臭污染物从气态向滤 料表层水溶液转化的扩散速率 ,同时防止生物滤料层 被抽进的空气风干。在此过程中,致臭污染物溶解于 滤料表面水膜中 ,被微生物吸附并分解。净化后的气 77 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 体从除臭装置的顶部排出 。滤料由混合肥料 、 聚苯乙 烯胶球体 、 活性炭、 沸石、有机物料和复合除臭微生物 混合而成 。该成分能满足菌体在降解致臭污染物过 程中的营养需求 ,并中和生物氧化反应后生成的酸性 和碱性次生代谢产物 。适量的自来水从滤池顶部向 下喷淋 ,保证滤料具有合适的含水量, 多余的水从池 底部回流至沉砂池。 2. 3. 2 洗涤式活性污泥法 首先使臭气物质与含悬浮泥浆的混合液在吸收 器中充分接触形成洗涤液, 再将洗涤液送至反应器, 通过悬浮生长的微生物的代谢活动来降解臭气物质, 这种方法被称为洗涤式活性污泥法。此除臭方法还 可利用污水处理厂剩余的活性污泥配置混合液,作为 吸收剂处理废气 , 该法对脱除复合型臭气效果很好, 而且能脱除很难治理的焦臭。 日本研究者 [ 4] 将活性污泥脱水, 在常温 20 ～ 60 ℃ 的条件下干燥, 在水中再膨润后得到的固定化 污泥 。这种固定化污泥可以保持各种微生物的生理 活性 ,利用此固定化污泥去除恶臭可以提高恶臭的去 除率 ,降低成本 。洗涤式活性污泥法可去除大部分臭 气物质,应用范围较广,其特点是操作条件易于控制, 占地面积小 ,压力损失少 ,如果利用污水处理厂剩余 的活性污泥配置混合液, 还可以实现剩余活性污泥在 污水处理厂内部的小循环, 实现循环经济 ,减少后面 污泥处理的一些压力 。 2. 3. 3 曝气式活性污泥法 曝气式活性污泥法是将臭气以曝气的形式分散 到活性污泥混合液中 ,通过悬浮生长的微生物的代谢 作用来降解臭气物质 。对于污水处理厂来说 ,采用曝 气式活性污泥法除臭系统 ,只需在原有污水处理设施 基础上增设风机和配管, 将臭气引入曝气池内即可, 因此该法系统简单, 十分经济 。 目前研究中 , 除上述这些方法外还有土壤除臭 法,土壤除臭机理主要可分为物理吸附和生物降解两 类。水溶性恶臭气体 如胺类、硫化氢、低级脂肪酸 等 被土壤中的水分吸收去除; 而非溶性臭气则被土 壤的有机质及矿物质物理吸附后, 利用土壤中的微生 物将其降解。 另外, 法国的 Andr Bories 等 [ 10] 学者通过对葡萄 酒酿酒厂产生的废水加强反硝化, 从而防止和限制挥 发性脂肪酸和臭气的产生 。 3 结束语 目前国内城市污水处理厂应用上述方法处理城 市污水处理厂中大气污染的较少,如何选择合适的处 理方法和处理工艺要根据城市污水处理厂采取的处 理污水的工艺、其处理的特性和该厂的实际情况来确 定,所以如何进一步加强对城市污水处理厂中大气污 染的研究, 开发出成本较低的能够广泛应用的处理方 法,应是下一步研究中的重要方面。尤其是化学法具 有高效、 稳定的优点, 但成本往往较高 。开发出成本 较低的新的化学除臭方法是方向之一; 而开发出高效 的生物除臭法, 即培育出能对多种臭气物质均具有吸 收和降解功能的高效工程菌可能是今后更好的研究 趋势 。 参考文献 [ 1] 尹军, 王晓玲, 赵玉鑫, 等. 城市污水处理厂除臭技术[ J] . 环境 污染治理技术与设备,2006 8 90 -94. 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