污水處理廠惡臭污染物處理方法概述

周傳庭, 安 瑩, 周 振, 袁 瑤

(1.上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院(集團)有限公司, 上海 200125; 2.上海電力大學(xué), 上海 200090)

在污水的收集、長距離管道輸送、集中處理和副產(chǎn)物(污泥)處理過程中產(chǎn)生和排放的惡臭污染物大大降低了空氣的質(zhì)量,嚴重影響了污水處理廠工作人員及周圍居民的日常工作和生活,給城市的市容市貌也帶來了較多的負面影響,引起了社會各界和政府有關(guān)部門的高度重視。根據(jù)2002年我國頒布的GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》,許多已建和新建的城鎮(zhèn)污水處理廠為了達到大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn),減少對周圍環(huán)境和居民的影響而紛紛建設(shè)除臭設(shè)施。除臭技術(shù)在許多城鎮(zhèn)污水處理廠得到了推廣和應(yīng)用。近期,為了促進上海市城鎮(zhèn)污水處理廠大氣污染物控制水平的提升,結(jié)合本市實際情況,上海市頒布并實施了DB 31/982—2016《城鎮(zhèn)污水處理廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和DB 31/1025—2016《惡臭(異味)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》兩項地方污染物排放標(biāo)準(zhǔn),對大氣污染物排放限值提出了較國家標(biāo)準(zhǔn)更為嚴格的要求。本文綜述了污水處理廠惡臭污染物的主要治理方法,以期為新標(biāo)準(zhǔn)實施下污水處理廠除臭技術(shù)的選擇提供方向。

1 物理法

物理法并沒有真正去除惡臭氣體和改變惡臭氣體的本質(zhì),只是通過稀釋擴散、掩蔽、液化分離、水洗、吸附等物理手段,將惡臭氣體濃度稀釋、掩蔽或轉(zhuǎn)移的一類方法。常用的物理法有如下幾種。

1.1 稀釋擴散法

稀釋擴散法主要是利用高煙囪將惡臭氣體排入大氣,利用大氣的稀釋擴散及氧化能力降低惡臭氣體的濃度。該方法容易受氣象條件的影響,且可能對下風(fēng)向和污水處理廠附近居民的健康帶來危害[1]。其適用于處理中、低濃度的有組織排放的惡臭氣體,一般情況下,不提倡使用此方法。

1.2 掩蔽法

掩蔽法是采用比惡臭氣體更強烈的芳香氣味或者令人愉快氣味的掩蔽氣體“覆蓋”異味,“欺騙”人的嗅神經(jīng),舒緩人對惡臭氣體的不適感,使人聞不到臭味。實際上,惡臭氣體仍然存在,并沒有徹底解決惡臭氣體污染的問題[2]。此方法適用于需立即、暫時消除低濃度惡臭氣體影響的場合。

1.3 水洗法

水洗法主要是利用惡臭氣體中H2S和NH3以及低級脂肪酸等組分易溶于水的特性,將惡臭氣體通入噴淋塔后經(jīng)氣液交換作用,將惡臭氣體中易溶于水的組分由氣相轉(zhuǎn)移為液相。此方法產(chǎn)生二次污染,需對洗滌水進行后續(xù)處理,而且對溶解度較低的惡臭氣體組分基本沒有去除效果,因此常作為預(yù)處理方法與其他方法聯(lián)合使用[3]。

1.4 活性炭吸附法

活性炭吸附法是指惡臭氣體通過具有吸附功能的活性炭,由氣相轉(zhuǎn)移為固相的過程。惡臭氣體的組成、溫度、濕度和含塵量等因素對活性炭的吸附能力影響很大,所以,在實際應(yīng)用中一般采用不同性質(zhì)的活性炭,分別吸附酸性、中性或堿性的惡臭氣體,并安裝除濕除塵裝置維持適宜的吸附環(huán)境[4]?；钚蕴课斤柡秃筮€需考慮更換或反沖洗再生,但再生后吸附容量明顯降低。為了克服這個缺點,美國卡爾岡炭素公司研發(fā)出新型的催化氧化活性炭專利產(chǎn)品Centaur[5],并成功應(yīng)用于廣州市獵德污水處理廠西濠涌泵站除臭系統(tǒng)工程[6]。Centaur對硫化氫等惡臭氣體具有很強的催化氧化能力,并可通過水洗恢復(fù)其吸附能力。但此方法會產(chǎn)生二次污染,需對含硫酸鹽和硝酸鹽的洗滌水進行后續(xù)處理。

2 化學(xué)法

化學(xué)法改變了惡臭氣體的本質(zhì),利用化學(xué)藥劑或化學(xué)方法將惡臭氣體組分轉(zhuǎn)變成無臭物質(zhì)[7]。目前,常用的化學(xué)方法有化學(xué)吸收法、化學(xué)氧化法和離子法等。

2.1 化學(xué)吸收法

化學(xué)吸收法主要利用氫氧化鈉、碳酸鈉、硫酸、鹽酸等酸堿中和惡臭氣體中的酸性或堿性成分,達到除臭的目的。但該方法對硫醇等揮發(fā)性惡臭氣體的去除率很低[8],不能保證完全消除臭味,而且酸、堿吸收法都需要消耗大量的水、化學(xué)溶液和電力等,需要對吸收后產(chǎn)生的廢液進行處理。

2.2 化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法是采用臭氧、次氯酸鹽、氯氣、二氧化氯、高錳酸鉀、過氧化氫等強氧化劑將惡臭氣體氧化為無臭或低臭氣體的方法[7]。臭氧氧化能力極強,其氧化還原電位僅次于氟,可快速分解惡臭物質(zhì),但其易分解,不易存儲,需即產(chǎn)即用。當(dāng)惡臭氣體中含有少量或大量粉塵時,為避免粉塵顆粒和臭氧反應(yīng)導(dǎo)致的臭氧投加量過大,需增加旋風(fēng)除塵器、袋式除塵器或電除塵器來預(yù)處理除塵。惡臭氣體被完全處理后的臭氧殘留,可通過活性炭吸附去除。

如遇高濃度的惡臭氣體,化學(xué)氧化法可與化學(xué)吸收法聯(lián)合使用,比較經(jīng)濟高效。威立雅AQUILAIR?化學(xué)除臭塔[9]由存儲化學(xué)藥劑的塔底惡臭氣體與化學(xué)藥劑接觸的填料以及除霧器組成。對于混合組分的惡臭廢氣,可采用多級塔系統(tǒng)進行處理。第一級為酸吸收塔,用硫酸去除所有的NH3和胺等含氮化合物。第二級為氧化塔,通過氫氧化鈉和次氯酸鈉分別調(diào)節(jié)pH值以及含氯量,去除所有的硫化物,如H2S和硫醇RSH等。目前,該技術(shù)在深圳濱河污水處理廠、法國Reims水廠和法國Rouen Petit Quevilly水廠已有多年的應(yīng)用歷史。但該技術(shù)對高濃度的H2S以及脂溶性VOC的去除效果欠佳。王黎虹等人[10]利用兩級逆流循環(huán)式填充塔對化工污水處理廠產(chǎn)生的惡臭氣體進行了處理:第一級為堿吸收塔,用低濃度的氫氧化鈉溶液吸收H2S;第二級為酸吸收塔,首先用硫酸溶液吸收NH3,再利用高錳酸鉀在酸性介質(zhì)中的強氧化性和活性炭的吸附作用去除甲硫醇。王雷雷[11]利用濕式洗滌/過氧化物氧化法脫除甲硫醇惡臭氣體,即用堿液將甲硫醇吸收,吸收液通過過氧化物(H2O2、過一硫酸氫鹽PMS、過二硫酸鹽PS)進行氧化處理。該方法中甲硫醇惡臭氣體可持續(xù)去除,在一定的時間內(nèi),吸收氧化液可循環(huán)使用且無污水外排。

根據(jù)催化機理的不同,催化法包括催化氧化法、吸附催化氧化法和光催化氧化法[12]。催化氧化法是在催化劑的作用下,將惡臭氣體氧化為無臭或低臭氣體。某石化公司于2005年以來,使用催化氧化(濕法)脫臭設(shè)備,相繼對污水氣提酸性水罐、焦化原料池及酸性水氣提裝置尾氣進行處理[13]。其工作原理是通過惡臭氣體與除臭劑中的堿性化合物迅速反應(yīng),將惡臭成分轉(zhuǎn)移至除臭劑液相中,然后在均相體系中,繼續(xù)與氧化劑發(fā)生催化氧化反應(yīng),轉(zhuǎn)變成無毒、無臭的高價鹽類,消除惡臭污染。吸附催化氧化法常以活性炭為催化劑,用氧氣將H2S和硫醇分別氧化成硫和二烷基二硫化物并沉積在活性炭孔隙中脫除[14]。光催化氧化法是利用紫外線在特種催化氧化劑的作用下,將氧氣催化生成負氧離子,再將惡臭氣體氧化還原。目前,常用的催化劑是二氧化鈦。然而二氧化鈦對含硫或含氮惡臭氣體的降解存在易失活、易產(chǎn)生二氧化硫或氮氧化物等副產(chǎn)物的問題[15]。為了增強二氧化鈦的吸收能力,便于二氧化鈦回收利用或提高二氧化鈦光催化活性,研究者開發(fā)了納米二氧化鈦、磁性二氧化鈦或采用半導(dǎo)體金屬摻雜、半導(dǎo)體表面貴金屬沉積、半導(dǎo)體表面光敏化及復(fù)合半導(dǎo)體等手段改性二氧化鈦[12]。為了提高對惡臭氣體的去除率,部分企業(yè)嘗試采用光催化氧化+活性炭吸附的方式對有異味、惡臭的有機廢氣進行處理[16],處理后可達到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 離子法

離子除臭法包括高能離子除臭法和活性氧離子除臭法兩種。

高能離子除臭法是利用在高能電場中產(chǎn)生的高能粒子,與氧分子碰撞生成強氧化性正負氧離子[17],在與揮發(fā)性有機物接觸后打開其化學(xué)鍵,經(jīng)過一系列的反應(yīng)后生成穩(wěn)定無害的小分子[8]。該方法對NH3和H2S以及甲硫醇等惡臭氣體同樣具有分解作用,分別生成CO2,SO42-,NO3-和H2O等[3]。此外,高能離子法還可以降低空氣中的細菌濃度,并協(xié)助凈化空氣中傳統(tǒng)過濾裝置難以捕捉的細微顆粒[18]。廣州市獵德污水處理廠采用高能離子除臭法對污泥脫水車間除臭系統(tǒng)進行改造,使污泥脫水車間完全達到GB 14554—1993《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中二級標(biāo)準(zhǔn)要求[19]。杭州市高新區(qū)(濱江)2#和4#污水泵站采用送風(fēng)系統(tǒng)+外排系統(tǒng)的高能離子凈化系統(tǒng)處理泵站外逸惡臭氣體,運行結(jié)果達到國家二級標(biāo)準(zhǔn)[20]。天津市某全地下排水泵站采用高能離子除臭工藝法對泵站內(nèi)揮發(fā)的污染物氣體進行治理,運行結(jié)果顯示,主要臭氣凈化指標(biāo)完全符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[21]。浙江省某污水處理廠臭氣收集后進入高能離子除臭系統(tǒng),經(jīng)除塵→除濕→正負氧離子分解臭氣污染分子→中和殘留酸性氣體的過程,使廠界達到GB 14554—1993《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中二級標(biāo)準(zhǔn)要求[22]。常山縣天馬污水處理廠[23]和德清新安污水處理廠[24]采用《一種高能離子除臭裝置》(CN 201620618072.7)專利技術(shù),將臭氣經(jīng)旋流板塔→除霧器→高能離子除臭器→堿洗塔后外排,處理效果達到了設(shè)計及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

活性氧離子除臭法通過前沿陡峭、脈寬窄(納秒級)的高壓脈沖電暈放電,在常溫常壓下產(chǎn)生大量高能電子,O2,O2-,O2+,·OH,·HO2,·O,O等活性粒子(稱“活性氧”)[25]。這些高能電子與活性粒子迅速與惡臭氣體進行碰撞、激活并直接破壞污染物,或者激活空氣中的氧分子產(chǎn)生二次活性氧,在極短的時間內(nèi)與污染物發(fā)生一系列鏈?zhǔn)椒磻?yīng),最終將污染物降解成二氧化碳、水以及其他小分子[26]。杭州濱江區(qū)污水處理廠[25]利用活性氧除臭技術(shù)處理NH3和H2S,以及甲硫醇、臭氣等污染物的效率平均達到80%以上。上海竹園第二污水處理廠[26]在對比了各種去除惡臭氣體的方法后,選用活性氧離子除臭法。運行結(jié)果表明,惡臭中的NH3和H2S以及甲硫醇等平均去除效率達到78%以上,處理后氣體無明顯臭味,符合相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)要求。湖北省黃石市慈湖污水處理廠[27]主要采用鋼筋混凝土蓋板(上部覆土綠化)加可開啟塑鋼窗進行臭氣收集,采用活性氧離子除臭法進行處理。結(jié)果表明,排放的氣體完全符合GB 14554—1993《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中二級廠界標(biāo)準(zhǔn)和排氣筒排放標(biāo)準(zhǔn)。大連老虎灘污水處理廠[28]采用活性氧技術(shù)協(xié)同光催化對細格柵間、CAST反應(yīng)池、脫水機房進行了除臭處理,運行效果達到GB 14554—1993《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級標(biāo)準(zhǔn)。安徽六安市城北污水處理廠在升級改造時,除臭工藝也選擇了活性氧離子除臭法[29]。

3 生物法

生物法凈化惡臭氣體一般需經(jīng)過如下過程。首先,惡臭氣體由氣相轉(zhuǎn)移到液相或固體表面液膜中的溶解過程。其次,在濃度差的推動下通過微生物細胞壁和細胞膜擴散到生物膜內(nèi)的微生物吸收過程。在這一過程中,不溶于水的惡臭物質(zhì)通過附著在微生物體外,由微生物分泌的胞外酶分解為可溶性物質(zhì),再滲入細胞內(nèi)。最后,作為微生物營養(yǎng)物質(zhì)和能源的分解利用過程[30-31],最終轉(zhuǎn)化為無害的物質(zhì)。根據(jù)微生物生長方式的不同,生物除臭法可分為懸浮生長型和附著生長型。前者是通過適當(dāng)?shù)姆绞绞刮⑸镌谔幚順?gòu)筑物內(nèi)保持懸浮狀態(tài),如洗滌式活性污泥法和曝氣式活性污泥法[8]。洗滌式活性污泥法凈化惡臭氣體過程如圖1所示。后者是微生物生長在某種載體上并形成生物膜,包括如圖2所示的生物濾池法和圖3所示的生物滴濾池法[32-35]。

圖1 洗滌式活性污泥法凈化惡臭氣體示意

圖2 生物濾池法凈化惡臭氣體示意

圖3 生物滴濾池法凈化惡臭氣體示意

生物除臭法在國內(nèi)的實際應(yīng)用工程案例見表1。

4 結(jié) 語

城鎮(zhèn)污水處理廠(尤其是大型城鎮(zhèn)污水處理廠)各環(huán)節(jié)(提升泵房、預(yù)處理、生物處理、污泥處理等)惡臭氣體成分復(fù)雜多樣、收集方式不一,單一工藝已難以適用于整個城鎮(zhèn)污水處理廠的除臭要求,需要研究并應(yīng)用組合法來處理城鎮(zhèn)污水處理廠的惡臭氣體。

傳統(tǒng)上,對除臭技術(shù)的評價多考慮處理效率和經(jīng)濟效益,但卻忽視環(huán)境效益,忽略除臭處理設(shè)施從建設(shè)到運行的全生命周期過程中對資源和能源的消耗,以及向環(huán)境中排放的污染物質(zhì)。因此，應(yīng)開展惡臭氣體處理技術(shù)的全生命周期評價。

我國惡臭氣體處理技術(shù)起步晚、成熟產(chǎn)品不多,而進口除臭裝置價格貴、成本高,所以目前我國污水處理廠的除臭投入較之國外總體處于非正?；健Ｒ虼?大力發(fā)展經(jīng)濟有效的國產(chǎn)化除臭技術(shù)及裝備是十分必要的。