城市污水廠除臭組合新工藝的優(yōu)化及應(yīng)用

唐 霞，肖先念，李碧清，馮肇霖，謝逢俊

(1. 廣州市凈水有限公司，廣東廣州 510163；2. 廣州廣一大氣治理工程有限公司，廣東廣州 510530)

污水輸送、處理過程以及污泥處理處置過程中，都會產(chǎn)生惡臭氣體[1]。臭氣對人的神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激作用，使工作人員效率低下。H2S等物質(zhì)對污水處理設(shè)備有嚴(yán)重的腐蝕作用，造成經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。目前，全國設(shè)市城市、縣累計(jì)建成城鎮(zhèn)污水處理廠4 000余座，污水處理能力約為1.78億m3/d，隨著城市化進(jìn)程的大力推進(jìn)，曾經(jīng)地處郊區(qū)的污水處理廠已逐漸被密集的社區(qū)、商業(yè)中心等包圍，新建和即將建設(shè)的污水處理廠甚至已經(jīng)不得不處于居民區(qū)周圍。這些臨近居民區(qū)、交通要道的污水廠(泵站)，如果臭氣問題解決不好，將造成負(fù)面的社會影響。污水處理廠臭氣污染控制正在得到前所未有的重視。

為了有效控制廠界臭味，國家早在《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 1891—2002)中對廠界廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的最高允許濃度進(jìn)行了明確規(guī)定。無論新舊污水廠，正形成以污水污泥各個處理環(huán)節(jié)加蓋或密閉為基礎(chǔ)并配以除臭裝置的防控體系，從而保證廠界臭氣達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，有效維護(hù)廠內(nèi)外人群的身心健康。盡管如此，對于某些污水廠及其附屬泵站，由于部分環(huán)節(jié)產(chǎn)生局部高濃度臭氣，采用常規(guī)處理工藝仍然無法消除異味，因此，高濃度臭氣處理新工藝的探討值得進(jìn)一步研究。

當(dāng)前，污水處理過程中主流的除臭技術(shù)有等離子除臭技術(shù)、生物除臭技術(shù)等[4-5]。等離子體法具有效率高、處理時間短等優(yōu)點(diǎn)；生物除臭法則具有運(yùn)行費(fèi)用低、操作簡單和無二次污染等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。但仍存在不足：等離子技術(shù)氣體流量較大時轉(zhuǎn)化率不高、能耗高、可能造成二次污染等；生物處理惡臭廢氣也存在裝置體積較大，易受污染負(fù)荷及組分的變化、非穩(wěn)態(tài)工況影響等問題。為了彌補(bǔ)單項(xiàng)技術(shù)的不足之處，提高除臭系統(tǒng)的處理效果及穩(wěn)定性，結(jié)合城市污水惡臭廢氣排放特征，將等離子體技術(shù)、生物過濾處理技術(shù)等單元技術(shù)系統(tǒng)集成，形成惡臭污染物深度凈化的集成技術(shù)與設(shè)備，具有非常好的實(shí)用價(jià)值[8-10]。

針對某污水廠泵站的強(qiáng)酸性臭氣，開發(fā)等離子-氣動乳化-生物除臭組合工藝，利用等離子體中的活性粒子對臭氣污染物進(jìn)行初步去除，大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為簡單小分子，然后進(jìn)入氣動乳化塔，經(jīng)乳化塔內(nèi)的乳化劑進(jìn)行氣液交換及酸性中和，再進(jìn)入生物處理裝置進(jìn)行分解凈化。本研究對該工藝各單元進(jìn)行優(yōu)化配置，獲得最佳組合工藝，并對泵站除臭工程進(jìn)行生產(chǎn)性改造，獲得了較好的處理效果。

1 除臭單元優(yōu)化

1.1 等離子單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過對離子體反應(yīng)器不同的電場結(jié)構(gòu)(蜂窩式電場結(jié)構(gòu)、平板式電場結(jié)構(gòu)、管式單介質(zhì)阻擋放電電場結(jié)構(gòu))進(jìn)行優(yōu)選，并對高壓電源的特性和運(yùn)行條件、高效合理的極配形式進(jìn)行研究，使等離子體電場電功率密度最大，達(dá)到最佳凈化效率。

(1)電場結(jié)構(gòu)

蜂窩電場、平板電場和管式單介質(zhì)電場如圖1所示，蜂窩電場呈蜂窩結(jié)構(gòu)狀；板式電極結(jié)構(gòu)采用不銹鋼板作為正負(fù)電極；管式單介質(zhì)電場采用石英玻璃管作為等離子體電場的阻擋介質(zhì)，內(nèi)電極為與石英玻璃管同軸的不銹鋼齒型負(fù)電極。

圖1 蜂窩電場、平板電場、管式單介質(zhì)電場Fig.1 Honeycomb Electric,Plate Electric and Tube Single Medium Fields

(2)電源及其控制

采用高頻脈沖電源控制裝置，高頻脈沖流光等離子體反應(yīng)器的高壓整流變壓器采用單一輸出可變參數(shù)高壓調(diào)制的三相電源供電，具有恒流輸出、自動復(fù)位、電場短路保護(hù)、電源過載保護(hù)等多種電氣參數(shù)保護(hù)功能。

(3)等離子體設(shè)備

等離子設(shè)備測試如圖2所示。

圖2 等離子設(shè)備測試圖Fig.2 Chart of Plasma Equipment Test Pattern

(4)測試結(jié)果

不同電場結(jié)構(gòu)的等離子反應(yīng)器對VOCs凈化效果如表1所示。

表1 不同電場結(jié)構(gòu)的等離子反應(yīng)器對VOCs凈化效果Tab.1 Purification Efficiency of VOCs Removal by Plasma Reactor of Different Electric Fields

蜂窩式電場模塊對VOCs的凈化效率的性價(jià)比最高，能夠在較低的電功率密度情況下達(dá)到較為理想的凈化效率。蜂窩式電場模塊的最高電功率密度為44 615 W/m3，對VOCs的凈化效率為52.3%。故選擇蜂窩電場結(jié)構(gòu)為等離子單元的配置模式，同時，采用良好的絕緣結(jié)構(gòu)，將絕緣子與臭氣相分離、不直接接觸，保證絕緣性能良好，保證等離子凈化設(shè)備長期高效率穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 氣動乳化單元優(yōu)化

氣動乳化的工作原理是：臭氣以一定角度從容器下端進(jìn)入容器，形成旋轉(zhuǎn)上升的紊流氣流，與下流的不穩(wěn)定溶液相碰，氣液充分混合，形成一穩(wěn)定的乳化液層。帶著被捕集的雜質(zhì)流經(jīng)均氣室落至吸收塔的底部。

在等離子和生物塔之間增加了氣動乳化塔環(huán)節(jié)，提高氣液的傳質(zhì)效率，同時，為后續(xù)生物菌提供一個穩(wěn)態(tài)工況高效的培育環(huán)境，不易受污染負(fù)荷及組分的變化、外界環(huán)境溫度的影響等問題。圖3為氣動乳化示意圖。

圖3 氣動乳化示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Pneumatic Emulsification

通過對氣動乳化塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，3 000 m3/h的處理風(fēng)量最佳的旋子數(shù)量為2個，可明顯觀察到乳化層的氣液混合狀態(tài)。選擇最佳的處理風(fēng)量與氣動乳化旋子的比例參數(shù)，作為高凈化效率且低耗水量的氣動乳化形式。

表2 氣動乳化工藝單元不同旋子數(shù)量對廢氣中NH3的凈化效率影響Tab.2 Purification Efficiency of NH3 Removal by Different Number Arch Plasma Equipment

1.3 生物除臭單元優(yōu)化改進(jìn)

針對常規(guī)的生物除臭塔，進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，如圖4所示。生物濾塔中從下往上設(shè)有生物濾塔循環(huán)水箱、大空隙填料層、小空隙填料層和生物濾塔噴淋系統(tǒng)的出水淋浴噴頭，生物濾塔噴淋系統(tǒng)的進(jìn)水口設(shè)在所屬的生物濾塔循環(huán)水箱中，生物濾塔出口在上、進(jìn)口設(shè)在生物濾塔循環(huán)水箱與空隙填料層之間的空間內(nèi)。生物濾塔中大空隙填料層和小空隙填料層構(gòu)成生物過濾層，其中，大空隙填料層可選用球形塑性填料，小空隙填料層可選用樹皮類填料，大小空隙填料層厚度比例為1∶5～1∶1。氣體進(jìn)入生物濾塔后，首先穿越大空隙填料層，壓損較小，與微生物反應(yīng)，以好氧反應(yīng)為主，之后進(jìn)入小空隙填料層，壓損較大，與微生物反應(yīng)，以兼氧和厭氧反應(yīng)為主，得到凈化的氣體由頂部煙囪排出。

注：12-生物濾塔循環(huán)水箱;13-大水箱泵空隙填料層;14-小空 隙填料層;15-生物濾塔噴淋系統(tǒng);16-水箱泵;17-地面基礎(chǔ)圖4 生物除臭濾塔Fig.4 Biological Deodorization Filtration Tower

2 組合工藝實(shí)際工程應(yīng)用

某污水廠泵站地處工業(yè)小作坊和人口密集地帶，周邊時有工業(yè)廢水排入，造成該泵站臭氣濃度較高(幾十～數(shù)百mg/m3)且成分復(fù)雜，臭氣pH值低至3～4，對原生物濾塔腐蝕嚴(yán)重，處理效果甚微。處理后氣體排放仍然使周邊草地植物生長受到嚴(yán)重傷害。本工程以“等離子法+氣動乳化+生物法”組合工藝對原處理設(shè)施進(jìn)行改造，通過前述小試試驗(yàn)確定最優(yōu)單元配置，生物濾塔前置加裝“等離子體+氣動乳化”一體化裝置，以氫氧化鈉水溶液作為氣動乳化淋洗液，對強(qiáng)酸性氣體進(jìn)行中和。

2.1 除臭單元效果測試

(1)等離子單元除臭效果

如表3所示，單獨(dú)運(yùn)行等離子單元處理臭氣時，除臭效果不太穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)去除率波動較大。NH3去除率為33%～99%，H2S去除率為41%～99%，VOCs去除率為50%～77%。

表3 等離子體單元對臭氣凈化效果Tab.3 Purification Efficiency of Odor Removal by Plasma Reactor

(2)氣動乳化單元除臭效果

如表4所示，單獨(dú)運(yùn)行氣動乳化單元處理臭氣時，NH3去除率為12%～34%，H2S去除率為10%～43%，VOCs去除率為16%～38%。氣動乳化單元主要靠氣液混合溶解去除部分污染物質(zhì)，用堿性淋洗液對強(qiáng)酸性氣體pH有一定的調(diào)節(jié)作用。

表4 氣動乳化單元臭氣凈化效果Tab.4 Purification Efficiency of Odor Removal by Pneumatic Emulsion Unit

(3)生物濾池單元除臭

如表5所示，單獨(dú)運(yùn)行生物濾池處理臭氣時，NH3去除率為9%～85%，H2S去除率為7%～35%，VOCs去除率為7%～26%。當(dāng)進(jìn)氣H2S濃度較高時，氣體酸性極強(qiáng)，生物濾池內(nèi)菌種幾乎不起作用，對各項(xiàng)指標(biāo)去除效率均在10%以下。

表5 生物濾池單元臭氣凈化效果Tab.5 Purification Efficiency of Odor Removal by Biological Deodorization Filtration

2.2 組合工藝除臭效果測試

組合工藝除臭效果如表6所示。

表6 等離子體-氣動乳化-生物法設(shè)備凈化效果Tab.6 Purification Efficiency of Odor Removal by Combined Deodorization Process

等離子體-氣動乳化-生物濾池組合工藝整體運(yùn)行時，H2S和NH3的脫除率均穩(wěn)定達(dá)到95%以上，VOCS的平均脫除率也達(dá)85%以上。NH3、H2S和VOCS的排放濃度均低于《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554—1993)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

由圖5可知，工程改造前，單獨(dú)的生物濾池對強(qiáng)酸性氣體處理效果不佳，周邊草木受酸性氣體毒害，大片枯黃，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重。采用組合工藝對該除臭工程進(jìn)行改造后，強(qiáng)酸性氣體得到有效處理，周邊草地樹木生長旺盛，設(shè)備腐蝕現(xiàn)象得以改善。

圖5 等離子體-氣動乳化-生物法處理強(qiáng)酸性臭氣工程改造前后Fig.5 Deodorization Treatment by Combined Deodorization Process before and after Reconstruction

3 經(jīng)濟(jì)能耗分析

如表7所示，對示范工程進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，以處理能力2 000 m3/h計(jì)，全年運(yùn)行費(fèi)用約為17 050元，折舊費(fèi)用為17 000元。設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用折合1.22元/(103m3廢氣)，設(shè)備折舊費(fèi)用為1.214元/(103m3廢氣)，總處理成本為2.434元/(103m3廢氣)。

表7 示范工程投資運(yùn)行費(fèi)用能耗Tab.7 Investation Operation Cost of Demonstration Project

3.1 與單獨(dú)等離子技術(shù)經(jīng)濟(jì)比對

按照等離子體技術(shù)設(shè)計(jì)，要處理2 000 m3/h的廢氣，其變壓器的功率為6.7 kW。采用等離子體-氣動乳化-生物塔惡臭氣體凈化系統(tǒng)的總功率為3.75 kW，與等離子體相比，減少44%(≥30%)，即2.95 kW，解決了單獨(dú)等離子體耗能大的問題。全年運(yùn)行費(fèi)用如表8所示。

表8 全年運(yùn)行費(fèi)用比對Tab.8 Comparison of Annual Operation Cost

3.2 與單獨(dú)生物技術(shù)比對

在達(dá)到相同的去除效率和處理相同風(fēng)量的情況下，與單獨(dú)生物除臭技術(shù)相比，等離子體-氣動乳化-生物法系統(tǒng)中生物滴濾塔體積減小50%以上，能夠有效降低生物反應(yīng)器的投資費(fèi)用。要處理2 000 m3/h的惡臭廢氣，如果只采用生物滴濾塔處理，有效停留時間為20.6 s；而采用等離子-氣動乳化-生物塔惡臭氣體凈化系統(tǒng)，有效停留時間為6 s，停留時間減少了14.6 s。與單獨(dú)生物除臭技術(shù)相比，填料體積減少70.7%，投資和占地都明顯減小。

4 結(jié)語

隨著等離子體、氣動乳化和生物治理技術(shù)在臭氣污染治理中的不斷發(fā)展、成熟及應(yīng)用，組合工藝具有傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)越性，應(yīng)用前景廣闊。通過對除臭工藝進(jìn)行組合優(yōu)化研究，得出以下結(jié)論。

(1)對除臭單元進(jìn)行優(yōu)化，蜂窩式電場結(jié)構(gòu)對VOCs的凈化效率最高，為等離子單元結(jié)構(gòu)最優(yōu)配置方式；對氣動乳化單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，處理風(fēng)量最佳的旋子數(shù)量為2個，獲得最佳氣液傳質(zhì)效果；對生物過濾塔進(jìn)行優(yōu)化改造，形成下層壓降較小以好氧活動為主、上層壓降較大以兼氧和厭氧反應(yīng)為主的高效生物除臭空間，獲得組合工藝最優(yōu)配置。

(2)單一生物法對污水廠泵站強(qiáng)酸性氣體處理效果不佳。單獨(dú)開啟等離子和氣動乳化單元，對強(qiáng)酸性氣體有一定去除效果，但去除率不高且效果不穩(wěn)定。

(3)利用組合工藝對強(qiáng)酸性氣體進(jìn)行處理，H2S和NH3的脫除率均穩(wěn)定達(dá)到95%以上，VOCS的平均脫除率也達(dá)85%以上，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。組合工藝對強(qiáng)酸性氣體有很好的耐受性和去除效果，工程實(shí)施后，設(shè)備腐蝕及周邊草木受損的情況得到很好的改善。

(4)組合工藝具有低成本低能耗的優(yōu)點(diǎn)，與單獨(dú)等離子技術(shù)相比，能耗及運(yùn)行成本降低30%以上；與單獨(dú)生物除臭技術(shù)比較，生物除臭裝置體積減小50%以上，投資及占地明顯減少。