城市生活排水系統(tǒng)廢氣產(chǎn)排量測(cè)算模擬研究
——以餐飲污水為例

方曉波， 王鎮(zhèn)鑫， 黃建洪， 方戰(zhàn)強(qiáng)*， 任明忠， 虢清偉

(1.華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣州 510006； 2.環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣州 510655)

城市排水系統(tǒng)是城市污水與雨水的收集、輸送、處理和排放等工程設(shè)施以一定方式組成的總體，包括污水收集系統(tǒng)和處理系統(tǒng)，維系著城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1].目前，城市中的餐飲酒店、餐飲一條街或者餐飲中心區(qū)，造成了城市生活污水中餐飲污水比例上升.城市污水排放、輸送和處理過程中會(huì)產(chǎn)生NH3、CH4、H2S、CO2等有害氣體[2]，成為城市大氣環(huán)境污染治理的主要問題之一.由于餐飲污水的特性，在城市排水系統(tǒng)中水質(zhì)指標(biāo)變化規(guī)律與其他生活污水會(huì)有所不同，產(chǎn)生的有毒氣體特性以及產(chǎn)氣規(guī)律也有所不同.亓鵬玉等[3]研究了城市污水廠CH4的釋放通量，發(fā)現(xiàn)高的CODCr質(zhì)量濃度有助于CH4的產(chǎn)生和釋放；吳九如[4]研究了下水道H2S的產(chǎn)生及監(jiān)測(cè)，表明污水中的硫化物、硫酸鹽及一定的環(huán)境條件是產(chǎn)生H2S的原因.國外學(xué)者對(duì)城市污水在下水道系統(tǒng)中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化規(guī)律開展了大量研究，闡明了下水道系統(tǒng)類似一個(gè)反應(yīng)器，影響污水的水質(zhì)和后續(xù)的處理[5-6].城市排水系統(tǒng)中存在大量高活性的微生物，污水中微生物不斷發(fā)生增殖、適應(yīng)及選擇等物理、化學(xué)和生物過程，并在原污水中不斷誘導(dǎo)出活性很強(qiáng)的微生物群落，使污水中的有機(jī)物持續(xù)地發(fā)生降解[7].城市排水系統(tǒng)中廢氣污染物產(chǎn)生的有毒有害氣體濃度高、成分復(fù)雜，對(duì)人群健康和環(huán)境會(huì)產(chǎn)生不良影響.本文以餐飲污水為對(duì)象，模擬城市排水系統(tǒng)研究生活污水的產(chǎn)氣規(guī)律及其產(chǎn)氣系數(shù)，為實(shí)際排水系統(tǒng)的研究提供理論基礎(chǔ)，具有重要意義.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與試劑

圖1為生活污水厭氧模擬試驗(yàn)裝置，用直徑400 mm、高1 200 mm的有機(jī)玻璃柱加工而成.反應(yīng)器中部設(shè)置一個(gè)固定的恒溫加熱棒，由于攪拌槳的攪拌作用，加熱棒輸入的熱量得以迅速擴(kuò)散，使模擬污水溫度滿足試驗(yàn)要求.反應(yīng)器上設(shè)有取樣孔用于監(jiān)測(cè)氣體；靠近反應(yīng)器底部設(shè)有取樣口取水樣.氮?dú)馔ㄟ^反應(yīng)器頂部輸入，用于吹除液體上方氣體，通過試驗(yàn)過程的氣體濃度和液面上方氣體的體積可以計(jì)算出每間隔一段反應(yīng)時(shí)間，污水中微生物厭氧所釋放出的特征氣體量，進(jìn)而確定產(chǎn)排污系數(shù).

模擬試驗(yàn)餐飲污水采自華南師范大學(xué)大學(xué)城校區(qū)生活北區(qū)飯?zhí)玫奈鬯欧趴冢鬯|(zhì)狀況見表1.污泥采自廣州市瀝滘污水處理廠二沉池.

表1 污水水質(zhì)狀況Table 1 Sewage quality

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

(1)城市餐飲污水在自然狀態(tài)下的降解.將污泥按反應(yīng)裝置體積的5%與污水加入反應(yīng)器中，保持 40 r/min，測(cè)定初始污水的水質(zhì)濃度.24 h穩(wěn)定培養(yǎng)后，每隔1 h采樣1次，觀察污水在自然狀態(tài)下的厭氧降解變化.

(2)城市餐飲污水在不同溫度下的厭氧降解.將污泥按反應(yīng)裝置體積的5%與污水加入反應(yīng)器中，保持 40 r/min，測(cè)定初始和結(jié)束時(shí)水質(zhì)濃度，每隔1 h監(jiān)測(cè)1次氣體變化.觀察在相同停留時(shí)間內(nèi)不同溫度(25±0.2 ℃、30±0.2 ℃、35±0.2 ℃)，污水中廢氣的產(chǎn)生.

1.3 水質(zhì)分析

CODCr：快速密閉消解法；NH3-N：納氏試劑光度法；硫酸鹽：鉻酸鋇光度法；硫化物：對(duì)氨基二甲基苯胺光度法[8，9].

1.4 氣體分析

采用美國生產(chǎn)的城市下水道復(fù)合式多氣體檢測(cè)儀 iBRID MX6 進(jìn)行測(cè)定.該儀器內(nèi)含有 O2、NH3、H2S、CH4、CO2等5種氣體傳感器,能直接測(cè)定氣體濃度.

1.5 相關(guān)系數(shù)和產(chǎn)氣系數(shù)確定

以CH4體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)作為縱坐標(biāo)，污水水質(zhì)指標(biāo)的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)作為橫坐標(biāo)，作圖后進(jìn)行線性回歸分析，確定任意兩者間的相關(guān)系數(shù).

產(chǎn)氣系數(shù)是指每降解單位質(zhì)量的水質(zhì)物質(zhì)(CODCr、氨氮、硫酸根等)時(shí)所產(chǎn)生的氣體量，本實(shí)驗(yàn)的氣體容量設(shè)計(jì)為37.68 L，液體的設(shè)計(jì)體積為125.6 L，再結(jié)合擬合方程的斜率便可算出產(chǎn)氣系數(shù)(最后將其換算為單位g/kg).相關(guān)系數(shù)越大且產(chǎn)氣系數(shù)越穩(wěn)定，說明其對(duì)應(yīng)的氣體的產(chǎn)生與對(duì)應(yīng)的這種水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性就越大.

2 結(jié)果與討論

2.1 餐飲污水水質(zhì)隨反應(yīng)時(shí)間變化規(guī)律

餐飲污水的化學(xué)需氧量CODCr質(zhì)量濃度在600～700 mg/L之間.在不同溫度下，CODCr穩(wěn)定降解(圖2).在25、30、35 ℃條件下，經(jīng)過48 h的厭氧反應(yīng)，CODCr分別降低了66%、71%、78%. 通過擬合，3種溫度下的CODCr降解方程均符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(表2).在25、30、35 ℃下，CODCr的降解系數(shù)分別為10.28、10.41、10.60 mg/(L·h)，表明隨著溫度的升高，CODCr降解系數(shù)增加.

圖2 不同溫度下餐飲污水CODCr濃度變化

表2 3種溫度下的CODCr降解方程Table 2 Degradation equation of CODCr at different temperatures

餐飲污水的NH3-N質(zhì)量濃度不高(圖3)，為3.0～5.0 mg/L，在以上3個(gè)溫度下均降低.在25、30、35 ℃條件下，經(jīng)過48 h的厭氧反應(yīng)，氨氮分別降低了71%、69%和62%.

圖3 不同溫度下餐飲污水NH3-N質(zhì)量濃度變化

圖4 不同溫度下餐飲污水質(zhì)量濃度變化

餐飲污水中硫化物濃度前40 h內(nèi)持續(xù)上升，但實(shí)驗(yàn)?zāi)┒螘r(shí)間，其濃度呈下降趨勢(shì)，整體呈類倒V字型(圖5).從硫化物濃度變化圖來分析，餐飲區(qū)生活污水的硫化物濃度不高，整體上穩(wěn)定上升.25 ℃下，42 h的厭氧反應(yīng)使硫化物從0.1 mg/L上升到1.7 mg/L；30 ℃和35 ℃時(shí)，則分別上升到0.65 mg/L和3.3 mg/L.說明硫化物的產(chǎn)生與溫度的關(guān)系大.不同溫度下，污水中的菌體活性不同，所以硫化物上升曲線不盡相同.在厭氧條件下，硫酸鹽還原菌能利用有機(jī)物作為碳源,并利用細(xì)菌生物膜內(nèi)產(chǎn)生的氫,將硫酸鹽還原成H2S，使得污水中的硫化物濃度增加[10].隨著時(shí)間推移，污水中部分微生物因缺乏營養(yǎng)進(jìn)入衰亡期，使細(xì)胞體大量的硫元素?cái)U(kuò)散至污水中，所以硫化物濃度的增長(zhǎng)速度在后期增長(zhǎng)顯著.在某些時(shí)間段出現(xiàn)下降或者上升平緩的情況，因?yàn)槲鬯锌赡艽嬖谏倭苛蜓趸?，能利用溶解的硫的化合物，從中獲得能量，且能把H2S氧化為硫，并再將硫氧化成硫酸鹽.實(shí)驗(yàn)過程中無法做到完全厭氧，在溶解氧存在的條件下，硫化物可被硫細(xì)菌氧化為硫酸鹽.在污水中，H2S、硫化物和硫酸根三者息息相關(guān)，硫化物濃度不斷上升導(dǎo)致溶解于污水的H2S也不斷增加，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，會(huì)從污水中不斷溢出，使得氣體中的H2S也不斷增加.當(dāng)水體中缺少溶解氧和硝酸根離子時(shí)，硫酸鹽被細(xì)菌還原成H2S，使硫酸鹽濃度下降.

圖5 不同溫度下餐飲污水硫化物濃度變化

2.2 產(chǎn)氣情況

各溫度下CH4的產(chǎn)氣(圖6)以前期平緩，中期加速上升，后期產(chǎn)氣量停滯甚至下降為共性.待生化反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間，水中含氧量降低，以至厭氧程度加深，達(dá)到產(chǎn)甲烷菌的所需條件，CH4便源源不斷產(chǎn)生.到40 h后，水中有機(jī)物基本耗盡，CH4的產(chǎn)生量才趨于平緩，甚至略微下降.

圖6 不同溫度下CH4的產(chǎn)氣

從CH4產(chǎn)生曲線圖來分析，以餐飲區(qū)為主的生活污水產(chǎn)生的CH4體積分?jǐn)?shù)偏高，大概為0.8%～3.6%.在不同溫度下，CH4產(chǎn)生均穩(wěn)定上升(圖6).在35 ℃條件下經(jīng)過48 h的厭氧反應(yīng)，產(chǎn)生CH4產(chǎn)生的體積明顯高于25 ℃和30 ℃下產(chǎn)生的體積.CO2的產(chǎn)氣規(guī)律在前期平緩，中期加速上升，后期產(chǎn)氣量停滯甚至下降(圖7).實(shí)驗(yàn)開始就產(chǎn)生CO2，且隨時(shí)間的推移不斷上升，約40 h左右，產(chǎn)氣量達(dá)到最大值. 在35 ℃條件下經(jīng)過48 h的厭氧反應(yīng)，產(chǎn)生CO2的體積明顯高于25 ℃和30 ℃下產(chǎn)生的體積.說明CO2的產(chǎn)氣量與溫度有關(guān)，溫度越高產(chǎn)氣越多.

圖7 不同溫度下CO2的產(chǎn)氣

除了35 ℃時(shí)H2S的產(chǎn)量較少外，25 ℃和30 ℃時(shí)H2S的產(chǎn)氣規(guī)律一致(圖8).實(shí)驗(yàn)開始階段，H2S產(chǎn)氣速率緩慢，隨著生化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，大概到20 h后，H2S產(chǎn)氣量大幅上升.約40 h后達(dá)到最大值，隨后緩慢下降.在不同溫度下，經(jīng)過48 h的厭氧反應(yīng)，35 ℃下的H2S產(chǎn)氣量明顯低于25 ℃和30 ℃，原因是溫度較高時(shí)抑制了微生物的正常生理活動(dòng)，使H2S產(chǎn)氣量驟降.所以溫度是影響H2S產(chǎn)生的重要因素.

圖8 不同溫度下H2S的產(chǎn)氣

2.3 產(chǎn)氣量與污水水質(zhì)變化的關(guān)聯(lián)性分析

在25、30、35 ℃條件下，CH4、CO2與CODCr的相關(guān)性均較高(表3,表4)，平均相關(guān)系數(shù)分別為0.969、0.947，而且產(chǎn)氣系數(shù)的穩(wěn)定性也較高，說明CODCr是影響CH4、CO2產(chǎn)生的最重要污水水質(zhì)指標(biāo).

表3 甲烷與污水水質(zhì)指標(biāo)變化的關(guān)聯(lián)性Table 3 Relationship between methane and sewage quality

表4 二氧化碳與污水水質(zhì)指標(biāo)變化的關(guān)聯(lián)性Table 4 Relationship between carbon dioxide and sewage quality

表5 H2S與污水水質(zhì)指標(biāo)變化的關(guān)聯(lián)性Table 5 Relativity between hydrogen sulfide and sewage quality changes

3 結(jié)論

(2)在各個(gè)溫度條件下，CH4、CO2、H2S的產(chǎn)生量均整體呈上升趨勢(shì).

參考文獻(xiàn)：

[1] Warith M A, Kennedy K, Reitsma R. Use of sanitary sewers as wastewater pre-treatment systems[J]. Waste Management, 1998(18): 235-247.

[2] 羅固源，孫永利，吉方英，等. 污水生物處理系統(tǒng)中逸出氣體的危害與控制[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001，24(6)：131-133.

Luo G Y, Sun Y L, Ji F Y, et al. Harm of offgas from wastewater treatment facilities and its controlling[J]. Journal of Chongqing University: Natural Science Edition, 2001, 24(6):131-133.

[3] 亓鵬玉，張建，王金鶴，等. 城市污水處理廠甲烷的釋放通量[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào),2012,6(3):843-847.

Qi P Y, Zhang J, Wang J H, et al. Methane emissions from municipal wastewater treatment plants[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2012,6(3):843-847.

[4] 吳九如. 下水道硫化氫產(chǎn)生的原因及施工中的監(jiān)測(cè)[J]. 科技資訊，2011(2):120-122.

Wu J R. The reason of sulfureted hydrogen generating and its monitor during working in sewer[J]. Science & Technology Information, 2011(2):120-122.

[5] Bjerre H L, Hvitved-Jacbsen T, Teichgraber B, et al. Modeling of aerobic waste-water transformations under sewer conditions in the Emscher River, Germany[J]. Water Environment Research, 1997, 70(6): 1151-1160.

[6] Tanaka N, Hvitved-Jacbsen T. Transformation of wastewater organic matters in sewer under changing aerobic/anaerobic conditions[J]. Water Science and Technology, 1998, 37(1):105-113.

[7] 敖良根，田文龍. 利用下水道管渠處理城市污水的探討[J]. 市政技術(shù)，2009，27(5):507-509.

Ao L G，Tian W L. Discussion on using drainage pipeline as the container of wastewater treatment[J]. Municipal Engineering Technology, 2009, 27(5):507-509.

[8] 國家環(huán)保局.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M].3版.中國環(huán)境科學(xué)出版社，1993: 252-256,319-333.

[9] 鄧祥芬.微波密封消解法快速測(cè)定廢水中CODCr的含量[J].西部煤化工，2006(1):40-43.

Deng X F. Rapid determination of CODCrcontent in the wastewater by microwave sealed digestion method[J]. Western Coal Chemical Industry, 2006(1):40-43.

[10] 湯平，王坤，徐燕，等. 硫酸鹽還原菌在石油集輸系統(tǒng)中的分布規(guī)律[J].山西化工， 2009，29(2):18-19.

Tang P, Wang K, Xu Y, et al. Distribution regularities of sulphate reducing bacteriain oil gathering& transporting system[J]. Shanxi Chemical Industry, 2009, 29(2):18-19.