污水處理廠(chǎng)惡臭氣體分布規(guī)律及揮發(fā)性氣體定量評(píng)價(jià)

杜亞峰，李 軍 ，趙 珊，李健偉

(1.北京工業(yè)大學(xué)城鎮(zhèn)污水深度處理與資源化利用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2.北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司科技研發(fā)中心，北京 100022)

2013年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前全國(guó)已有3 600余座污水處理廠(chǎng)，年處理污水量能達(dá)到344億m3[1]，污水處理廠(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中有大量的惡臭氣體產(chǎn)生，其惡臭污染問(wèn)題日益突出。很多研究表明，格柵、初沉池及污泥處理工藝是城市污水廠(chǎng)的主要惡臭源[2]。污水進(jìn)水?dāng)y帶及曝氣池中微生物分解產(chǎn)生的惡臭物質(zhì)，在污水和污泥傳輸?shù)倪^(guò)程中散發(fā)出來(lái)[3-5]，嚴(yán)重影響周邊居民的身體健康和生活質(zhì)量[6-7]。

城市污水處理廠(chǎng)逸出的惡臭物質(zhì)一般可以分為以下五類(lèi)[8]：第一類(lèi)是含硫化合物，如硫化氫、硫醇類(lèi)、硫醚類(lèi)等；第二類(lèi)是含氮化合物，如氨氣、胺類(lèi)等；第三類(lèi)是烴類(lèi)化合物，如烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴等；第四類(lèi)是含氧有機(jī)物，如醇、醛、酮、酚以及有機(jī)酸等；第五類(lèi)是鹵素及其衍生物，如氯代烴等。當(dāng)前，多數(shù)污水處理廠(chǎng)只關(guān)注第一類(lèi)和第二類(lèi)，并且以硫化氫和氨氣為主[9]。

由于污水廠(chǎng)臭氣成分復(fù)雜，只關(guān)注第一類(lèi)和第二類(lèi)的檢測(cè)往往具有片面性，容易忽略一些濃度低但嗅閾值高的氣體，其造成的惡臭污染不可忽略，為了更好地了解污水處理廠(chǎng)臭氣的種類(lèi)和空間分布規(guī)律，使污水廠(chǎng)除臭更具針對(duì)性，本試驗(yàn)增加了揮發(fā)性有機(jī)物的檢測(cè)。由于污水處理廠(chǎng)中的處理構(gòu)筑物多為開(kāi)放設(shè)施，臭氣的排放屬于無(wú)組織面源排放[10]，氣體收集受環(huán)境影響大，采樣時(shí)間長(zhǎng)，增加了氣體樣品收集和儲(chǔ)存的難度，因此采用動(dòng)態(tài)水面采樣器和靜態(tài)水面采樣器收集氣體樣品，并且采用穩(wěn)定性高的蘇瑪罐儲(chǔ)存樣品。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與儲(chǔ)存裝置

現(xiàn)有工藝中，常見(jiàn)的曝氣沉砂池、活性污泥法的好氧段等，其特點(diǎn)是水面向環(huán)境空氣完全敞開(kāi)，通過(guò)曝氣系統(tǒng)不斷地向環(huán)境中揮發(fā)氣體，屬于動(dòng)態(tài)水面。由于動(dòng)態(tài)水面出氣量大，上方加氣袋的密閉容器即可收集，通過(guò)抽取氣袋的氣體即能完成采樣的工作。唯一的難點(diǎn)在于靜態(tài)水面氣體的收集?，F(xiàn)有的技術(shù)中，常見(jiàn)的平流式沉淀池、活性污泥法的厭氧缺氧段，其特點(diǎn)是水面向環(huán)境空氣完全敞開(kāi)，屬于靜態(tài)水面，且水面位于人走道板之下0.5～1 m，不易取到水體表面的大氣污染物。如果在人走道板上取大氣污染物，又會(huì)受到環(huán)境氣流的影響，檢測(cè)數(shù)值不能代表水面的真實(shí)值。

本試驗(yàn)自制了一種靜態(tài)水面大氣污染物采樣器，其特征在于：采氣裝置主體由依靠浮力漂浮在靜止水面上的圓筒狀筒體構(gòu)成，該圓筒狀筒體的頂部設(shè)置有氣壓計(jì)2、溫度計(jì)3、補(bǔ)氣口4、固定器5；在該筒體的上部通過(guò)采氣連接管6連接至惡臭物質(zhì)吸收瓶9，在筒內(nèi)的上部，設(shè)置有一個(gè)或者多個(gè)氣室內(nèi)氣體攪拌器1；該筒體中部通過(guò)浮力裝置12和平衡環(huán)形翼13，該平衡環(huán)形翼13整體套設(shè)在筒體的外部。其中，氣壓計(jì)2和溫度計(jì)3相鄰設(shè)置，固定器5為把手，固定器5以固定方式固定在圓筒狀筒體上，使得繩索可以將該采樣設(shè)備固定在人走道板的欄桿7上。該出口通過(guò)采氣連接管6與外部設(shè)置的惡臭物質(zhì)吸收瓶9以及采樣動(dòng)力裝置10進(jìn)行連接，上述氣壓計(jì)2、溫度計(jì)3、采樣動(dòng)力裝置10都與自控箱8連接，采氣連接管6的外部設(shè)置有溫控的套管，浮力裝置下部為液體滯留區(qū)11，在該浮力裝置的頂部與水面共同形成了采氣氣室，大大提高了采集氣體的精確性。其設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示。

圖1 靜態(tài)水面采樣器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Static Water Surface Sampler

圖2 靜態(tài)水面采樣器的俯視圖 Fig.2 Top View of Static Water Surface Sampler

蘇瑪罐采樣操作簡(jiǎn)單，不需提供外部動(dòng)力，且氣密性及樣品儲(chǔ)存穩(wěn)定性好，因此避免了采樣泵波動(dòng)、滲透及樣品分解等因素對(duì)其結(jié)果造成的影響[11]。所以試驗(yàn)采用蘇瑪罐儲(chǔ)存氣體樣品。

1.2 檢測(cè)點(diǎn)位

試驗(yàn)以北京地區(qū)某大型污水處理廠(chǎng)為例，根據(jù)廠(chǎng)區(qū)工藝特點(diǎn)在廠(chǎng)區(qū)內(nèi)布置了7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為1#初沉池、2#沉砂池、3#生化池曝氣段、4#生化池非曝氣段、5#二沉池這5個(gè)污染源采樣點(diǎn)和6#進(jìn)水格柵間下部空間、7#脫水機(jī)房這2個(gè)環(huán)境空氣采樣點(diǎn)。臭氣檢測(cè)采用國(guó)標(biāo)法，根據(jù)《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554—1993)，檢測(cè)臭氣濃度、硫化氫、氨氣和揮發(fā)性有機(jī)物，檢測(cè)方法如表1所示。通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的整理分析發(fā)現(xiàn)污水處理廠(chǎng)臭氣種類(lèi)和分布規(guī)律，為污水處理廠(chǎng)臭氣控制提供科學(xué)的決策依據(jù)。

采樣天氣：采樣期間天氣晴朗，室外氣溫為18.7～18.8 ℃，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，風(fēng)速為1.6 m/s，相對(duì)濕度為48.7%。

表1 氣體檢測(cè)方法

1.3 揮發(fā)性有機(jī)物分析方法

污染物排放影響因素復(fù)雜(處理工藝、環(huán)境條件和污水成分等)，導(dǎo)致污水處理廠(chǎng)構(gòu)筑物排放的VOC種類(lèi)及濃度水平變化范圍大，難以分析。本試驗(yàn)采用極差標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)樣品測(cè)量值進(jìn)行線(xiàn)性變換，將其限制在[0,1]區(qū)間內(nèi)。該標(biāo)準(zhǔn)化公式如式(1)。

(1)

其中：x*—樣品測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)化值；

x—樣品測(cè)量值；

xmin、xmax—樣品測(cè)量值的最小和最大值。

為了減少變量且不影響原樣品所包含的信息，需要進(jìn)行對(duì)樣品化學(xué)成分的主成分分析，將所有實(shí)測(cè)樣品的化學(xué)成分歸類(lèi)為若干獨(dú)立的主成分(PCn)[12]。

為了定量評(píng)價(jià)VOC組分、濃度與惡臭濃度之間的關(guān)系，采用多元線(xiàn)性回歸方法，擬合出VOC組分、濃度與惡臭濃度之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 臭氣分布

污水廠(chǎng)各處理單元惡臭濃度檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，污水進(jìn)水區(qū)(格柵、曝氣沉砂池、初沉池等)的臭氣濃度均高于其他處理單元。污泥脫水間是重要的惡臭源之一[13-14]，一般其臭氣濃度高于污水廠(chǎng)其他處理單元，但本研究在污泥脫水間設(shè)置的采樣點(diǎn)處檢出的惡臭濃度較低。分析其原因：該污水處理廠(chǎng)采用高效脫水工藝，污泥儲(chǔ)存池的污泥停留時(shí)間很短，在濃縮污泥具有一定活性前對(duì)其進(jìn)行脫水，料斗中泥餅的停留時(shí)間不超過(guò)3 d，且定期對(duì)其清理，避免了污泥二次腐敗產(chǎn)生的惡臭；加上脫水機(jī)房長(zhǎng)期處于通風(fēng)狀態(tài)，造成脫水機(jī)房臭氣濃度低于上游構(gòu)筑物。污水廠(chǎng)各處理單元氨和硫化氫檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖3 污水廠(chǎng)各處理單元的臭氣濃度Fig.3 Odor Concentration of Each Treatment Unit of Sewage Treatment Plant

圖4 氨和硫化氫的濃度Fig.4 Concentration of Ammonia and Hydrogen Sulfide

由圖4可知，對(duì)于該污水處理廠(chǎng)中各處理單元所產(chǎn)生的惡臭物質(zhì)，污水處理廠(chǎng)的進(jìn)水格柵間、曝氣沉砂池、初沉池等上游構(gòu)筑物氨氣和硫化氫的含量相對(duì)較高，而下游構(gòu)筑物中則相對(duì)較少，所以污水廠(chǎng)的臭氣收集與處理工作應(yīng)放在水廠(chǎng)的上游構(gòu)筑物。

2.2 揮發(fā)性有機(jī)物

2.2.1 揮發(fā)性有機(jī)物結(jié)果分析

該廠(chǎng)檢測(cè)出的揮發(fā)性有機(jī)物(表2、表3) 包括芳香烴、鹵代烴、含硫有機(jī)物等3類(lèi)共22種。

表2 污水廠(chǎng)各處理單元的VOC濃度水平

如表3所示，在檢出的揮發(fā)性有機(jī)污染物中，即使其濃度很低，但其嗅閾值高，都可能具有較強(qiáng)的惡臭氣味特征。

表3 污水處理廠(chǎng)的VOC 組成及濃度水平

芳香烴是污水處理中最普遍、濃度最高的物質(zhì)[15]。污水中的苯系物主要來(lái)自于油漆和橡膠的制造、農(nóng)業(yè)和工業(yè)的化學(xué)中間產(chǎn)物[16]。除苯之外的苯系物也可能大量來(lái)源于石油類(lèi)溶劑，而甲苯更是工業(yè)中常用的原料和替代溶劑[17]，由于該污水處理廠(chǎng)有工業(yè)區(qū)污水的匯入，本次檢測(cè)出初沉池甲苯的濃度高達(dá)0.413 mg/m3。污水中的鹵代烴也有很廣泛的來(lái)源[16]，在Wu等[6]檢測(cè)的污水廠(chǎng)氣體樣品中，鹵代烴類(lèi)物質(zhì)的含量也較高。污泥機(jī)械壓縮脫水時(shí)，水和污泥中的這些成分大量揮發(fā)到空氣中。同樣，污泥濃縮池的苯系物和鹵代烴濃度也較高。本試驗(yàn)在脫水機(jī)房檢測(cè)到的鹵代烴的含量高達(dá)1.89 mg/m3。另外，在污水處理廠(chǎng)被廣泛檢出的甲硫醚主要由微生物產(chǎn)生，在曝氣池中易被檢出[18-19]，該廠(chǎng)曝氣池中檢出甲硫醚的濃度高達(dá) 0.096 mg/m3。

2.2.2 主成分分析與多元線(xiàn)性回歸方程

為了研究VOC組分、濃度與惡臭濃度之間的關(guān)系，首先需要對(duì)所有樣品的VOC組分進(jìn)行PCA 分析。主成分中因子負(fù)荷>0.5的化合物均被篩選出來(lái)。如表4所示：PC1包括的物質(zhì)主要是苯系物；PC2主要為鹵代烴；PC3為含氮的揮發(fā)性有機(jī)物；PC4硫化物。

表4 污水處理廠(chǎng)的VOC濃度的主成分分析

基于表4中的得分系數(shù)計(jì)算樣品的主成分PC1～PC5，以減少變量個(gè)數(shù)。

PCn的算法如式(2)。

PCn=∑k2ici

(2)

其中:ki—第n個(gè)主成分中第i種VOC各化合物的得分系數(shù)；

ci—第n個(gè)主成分中第i種VOC的濃度。

參照以往研究，惡臭感官?gòu)?qiáng)度與其化學(xué)組分濃度之間為對(duì)數(shù)關(guān)系[22]，故對(duì)惡臭濃度取自然對(duì)數(shù)，并以PCn為自變量，樣品惡臭濃度(OC) 的自然對(duì)數(shù)( lnOC) 作為因變量進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸的擬合分析，得到的回歸方程如式(3)。

lnOC=2.62+17.59PC1+12.3PC2+19.16PC4(相關(guān)系數(shù)R2=0.73)

(3)

其中，PC1、PC2和PC3被納入方程。由此可見(jiàn)，在該污水處理廠(chǎng)惡臭氣體中的苯系物、鹵代烴和硫化物對(duì)惡臭濃度的影響很大，并且這一方程顯然提供了一條簡(jiǎn)單而客觀(guān)的途徑來(lái)評(píng)估污水處理廠(chǎng)的惡臭濃度，這意味著只需通過(guò)少數(shù)幾種有機(jī)物的化學(xué)成分檢測(cè)，便能計(jì)算相應(yīng)的惡臭濃度，提高了感官指標(biāo)檢測(cè)的可重復(fù)性和可操作性。

2.2.3 多元線(xiàn)性回歸方程的驗(yàn)證

在該污水廠(chǎng)采集了6個(gè)其他點(diǎn)位的污染源VOC樣品用于驗(yàn)證該方程的預(yù)測(cè)能力。將其樣品的化學(xué)濃度代入方程計(jì)算其lnOC，再與實(shí)測(cè)的lnOC比較，結(jié)果如圖5所示。兩者擬合度良好，R2達(dá)到0.764，驗(yàn)證了本研究建立的回歸方程可較好地用于污水處理廠(chǎng)惡臭濃度的預(yù)測(cè)。

圖5 惡臭濃度實(shí)測(cè)值與理論值比較Fig.5 Comparison of Measured and Theoretical Values of Odor Concentration

3 結(jié)論

(1) 由試驗(yàn)結(jié)果可知，上游構(gòu)筑物不僅氨氣和硫化氫高于其他部分，初沉池和曝氣池還有污泥處理部分的VOC濃度也高于其他部分。

(2)主成分分析可將樣品復(fù)雜的化學(xué)成分分為4個(gè)不同類(lèi)別的綜合變量。對(duì)這4個(gè)綜合變量進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸分析，在揮發(fā)性有機(jī)物中芳香烴、鹵代烴和硫化物對(duì)污水處理廠(chǎng)的惡臭濃度影響最大。

(3)本研究建立的回歸方程可較好地用于污水處理廠(chǎng)惡臭濃度的預(yù)測(cè)，R2達(dá)到0.764，為通過(guò)低濃度的揮發(fā)性有機(jī)物預(yù)測(cè)惡臭濃度提供了理論依據(jù)。

(4)臭氣應(yīng)從源頭進(jìn)行控制，首先要找到污水處理廠(chǎng)的主要臭氣污染源，然后根據(jù)不同污染源的臭氣性質(zhì)采用不同的處理工藝進(jìn)行臭氣收集和處理。在關(guān)注污水處理廠(chǎng)惡臭問(wèn)題的同時(shí)，也應(yīng)重視VOC的削減與控制。