金順利,陳步東,曹飛飛,吳啟軍,邵頌晶
(杭州楚環(huán)科技股份有限公司,浙江 杭州 310015)
隨著城鎮(zhèn)污水處理量的不斷增加,城鎮(zhèn)污泥的妥善處理處置越來越受到人們的重視。土地填埋、焚燒和資源化利用等眾多的污泥處理處置方式被開發(fā)應(yīng)用,這些處理處置方式都離不開污泥脫水這一重要的工藝環(huán)節(jié)。通過脫水減容,不僅大幅降低污泥的儲(chǔ)運(yùn)成本,而且減小設(shè)備的占地面積、提高污泥的低位熱值,從而為污泥堆肥、填埋、自持焚燒等進(jìn)一步處理處置創(chuàng)造了有利條件[1-2]。
污泥脫水過程伴生的惡臭廢氣帶來的環(huán)境壓力不容忽視。惡臭污染物往往嗅閾值非常低,即使在環(huán)境空氣中的濃度很低,仍然能引起人們不愉快的感覺并損害生活環(huán)境。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,人們對(duì)工作和生活環(huán)境的要求也逐步提高。惡臭作為環(huán)境公害之一已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注,人們對(duì)環(huán)境問題的投訴中惡臭投訴的比例急劇增加[3-5]。污泥脫水伴生惡臭廢氣以H2S、NH3為主要污染物,同時(shí)涉及含硫、含氮有機(jī)物等多種揮發(fā)性惡臭物質(zhì),嚴(yán)重危害工作人員身體健康和周界環(huán)境空氣質(zhì)量,已成為關(guān)系城鎮(zhèn)污泥處理處置設(shè)施建設(shè)和持續(xù)運(yùn)營(yíng)的突出環(huán)境問題。
城鎮(zhèn)污泥的含水率通常都很高,可達(dá)99%,必須對(duì)污泥做脫水減容預(yù)處理,才能進(jìn)行后續(xù)的污泥處理處置。常見的脫水工藝類型有污泥濃縮、機(jī)械脫水和污泥干燥三種。
污泥濃縮就是通過污泥增稠來降低污泥的含水率,減小污泥的體積,常用的方法有重力濃縮、氣浮濃縮和離心濃縮等,是一種初步脫水處理工藝。機(jī)械脫水一般在污泥濃縮之后,污泥中的水分在過濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差的推動(dòng)下強(qiáng)制通過過濾介質(zhì),污泥顆固體粒被截留在過濾介質(zhì)上,從而達(dá)到脫水的目的。經(jīng)機(jī)械脫水處理的污泥含水率一般能從95%左右降到50%~75%,可滿足污泥填埋、堆肥等處理處置要求。污泥干燥往往在污泥機(jī)械脫水后進(jìn)行,有自然干燥和人工干燥兩種形式。自然干燥露天作業(yè),占地大,產(chǎn)生的惡臭難以收集,已很少被采用。人工干燥是在密閉環(huán)境下利用人工熱源對(duì)污泥進(jìn)行深度脫水,惡臭收集效率高,是主流的污泥干燥形式。污泥干燥是污泥焚燒、熱解的預(yù)處理工藝,干燥產(chǎn)物也可用于堆肥或直接作為農(nóng)用肥料。
惡臭污染物伴隨城鎮(zhèn)污泥脫水過程而產(chǎn)生,其組成與污泥性質(zhì)和脫水工藝密切相關(guān)。
對(duì)于污泥濃縮、機(jī)械脫水等常溫脫水工藝,惡臭污染物來源于污水、污泥及其厭氧產(chǎn)物,按其組成成分可分4類:含硫化合物,如硫化氫、硫醇類、硫醚類等;含氮化合物,如氨、胺類、酸胺類、吲哚、糞臭素等;含氧有機(jī)物,如醇、醛、酮、酚以及有機(jī)酸等;烴類化合物,如芳香烴、鹵代烴、烯烴等[5-7]。眾多的污染物中,硫化氫、氨的排放濃度最高。黃力華等[8]研究表明,污泥濃縮池臭氣中硫化氫、氨的濃度分別為0.09~5.96 mg/m3、0.13~11.24 mg/m3,機(jī)械脫水臭氣中硫化氫、氨的濃度分別為0.17~27.3 mg/m3、0.2~18.45 mg/m3,而臭氣中甲硫醇、甲硫醚、苯乙烯、二甲苯的濃度均≤1 mg/m3。唐小東等[9]在污泥濃縮池和脫水機(jī)房的臭氣中檢測(cè)到了烷烴、鹵代烴、烯烴、芳香烴、含氧有機(jī)物和硫醚等40種揮發(fā)性有機(jī)物,其中苯系物含量最高,各揮發(fā)性有機(jī)物濃度之和小于1 mg/m3。
污泥干燥過程產(chǎn)生的惡臭污染物來源還包括不穩(wěn)定化合物受熱分解產(chǎn)物,如一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等,其成分和濃度隨加熱時(shí)間及溫度等因素影響大。張靈輝等[10]將城市生活污水脫水污泥于90 ℃干燥1小時(shí),在尾氣中檢測(cè)出氨、硫化氫及多種有機(jī)組分,如芳香族化合物、含硫化合物、含氧有機(jī)物、烴類等,其中氨的濃度為4.9 mg/m3,遠(yuǎn)高于其他成分,其次為硫化氫,濃度為0.2 mg/m3。
惡臭污染物一般嗅閾值很低,具有刺激性或毒性,易造成嗅覺感官污染,危害人體健康。部分污泥脫水惡臭污染物嗅閾值及感官性質(zhì)如表1所示[11]。
表1 污泥脫水惡臭污染物類型及感官性質(zhì)
惡臭污染物的形成與污泥中微生物的活動(dòng)密切相關(guān)。H2S的形成源于硫酸鹽、亞硫酸鹽的還原和含硫有機(jī)化合物的脫硫反應(yīng)。硫酸鹽在厭氧微生物作用下還原形成硫化氫以式(1)表示。含硫有機(jī)物(以半胱氨酸為例)在厭氧狀態(tài)下轉(zhuǎn)化形成硫化氫的簡(jiǎn)化過程以式(2)表示[6]。含硫有機(jī)惡臭物質(zhì)(甲硫醚、甲硫醇等)的形成存在含硫氨基酸的厭氧降解、硫化物的厭氧甲基化反應(yīng)等多種途徑[12]。含氮惡臭物質(zhì)(氨、胺類、吲哚及其衍生物等)的形成與污泥中的蛋白質(zhì)、氨基酸、硝酸鹽等含氮物質(zhì)的厭氧生化反應(yīng)有關(guān),如胺類物質(zhì)通過氨基酸的脫羧基反應(yīng)產(chǎn)生。揮發(fā)性脂肪酸、醛類、醇類、酮類等揮發(fā)性有機(jī)物則是碳水化合物厭氧發(fā)酵的副產(chǎn)物[6]。
(1)
CH3COCOOH+NH3+H2S
(2)
惡臭污染物的形成受污泥成分、污泥停留時(shí)間、溫度、湍流程度等因素的影響。污泥中氮、硫元素及有機(jī)成分的含量越高,惡臭污染物的產(chǎn)生量也相應(yīng)越大。Lomans等[12]研究表明含硫有機(jī)惡臭物質(zhì)的產(chǎn)生量取決于污泥中硫化物和供甲基化合物的含量。縮短污泥的停留時(shí)間,降低了污泥厭氧腐敗程度,有利于減少惡臭污染物的形成。眭光華等[13]研究表明,采用高效脫水機(jī)直接對(duì)污泥進(jìn)行脫水處理時(shí)污泥脫水機(jī)房?jī)?nèi)硫化氫、氨的濃度明顯低于常規(guī)脫水工藝,分析認(rèn)為直接對(duì)污泥脫水縮短了污泥的停留時(shí)間和污泥發(fā)酵產(chǎn)生惡臭物質(zhì)的過程,減少了惡臭污染物的排放。溫度影響厭氧過程微生物的活性,在污泥干燥過程中,污泥中的熱不穩(wěn)定物質(zhì)受熱分解,形成新的惡臭物質(zhì)。眭光華等[13]研究表明,污泥濃縮池硫化氫排放濃度具有夏季高、冬季低的季節(jié)性特點(diǎn)。Gomez-Rico等[14]的研究表明,當(dāng)污泥干燥溫度為80~120 ℃時(shí),在干燥廢氣中揮發(fā)性有機(jī)物含量隨溫度變化不大。Weng等[15]研究了干燥溫度為50~300 ℃時(shí)苯系物的釋放特性,結(jié)果表明,苯系物主要在干燥溫度為200~300 ℃時(shí)產(chǎn)生,當(dāng)干燥溫度低于100 ℃時(shí),苯系物的釋放量?jī)H占總量的5.09%~7.34%。
源頭控制是通過優(yōu)化污泥脫水工藝,抑制污泥脫水處理工藝過程中惡臭污染物的形成。常見的有調(diào)節(jié)pH、投加藥劑、減少污泥停留時(shí)間、降低污泥干燥溫度等[16]。
一些研究表明當(dāng)pH值低于5.5或高于8.5時(shí),硫酸鹽還原菌不能生長(zhǎng)[17]。將污泥初始pH從6.5提高至8.0,硫化氫的產(chǎn)生量可下降44.7%[18]。通過控制硝酸鈣的添加量,可以有效地防止污泥中H2S等惡臭污染物的形成[19]。莫少婷等[20]研究表明丙酸鉀對(duì)污泥硫化氫釋放具有明顯的抑制作用。Jaouadi等[21]研究表明向污泥中添加3%的蘆薈凝膠或水玻璃可明顯減少VOCs的產(chǎn)生量,降低污泥的感官臭味。范海宏等[22]控制污泥干化溫度小于250 ℃、干化時(shí)間小于30 s,同時(shí)將污泥與氧化鈣按質(zhì)量比1∶1混合,對(duì)CS2、H2S和SO2的抑制率可接近100%,分析認(rèn)為氧化鈣呈堿性,可抑制有機(jī)硫化物和脂肪硫的分解,同時(shí)釋放出的CS2、H2S和SO2是酸性氣體,均可與氧化鈣反應(yīng)。
末端治理是對(duì)已經(jīng)形成的惡臭污染物采取收集處理措施,以減輕或消除惡臭污染。常規(guī)的末端治理技術(shù)包括洗滌法、吸附法、高級(jí)氧化、掩蔽法、燃燒法、生物法等,各項(xiàng)治理技術(shù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)見表2[23-24]。
表2 惡臭處理技術(shù)簡(jiǎn)介
隨著研究的深入,一些新型除臭工藝被不斷開發(fā)。Lu等[25]采用具有更高能量利用率的滑動(dòng)弧放電等離子體處理污泥干化模擬廢氣,當(dāng)輸入電壓11 kV、氣體流速4.72 m/s時(shí),該反應(yīng)器達(dá)到最大處理效率;當(dāng)廢氣中同時(shí)含NH3和H2S時(shí),能耗可降低38%。Almarcha等[26-27]以有機(jī)無機(jī)混合填料,并接種專門篩選的高效降解菌來改進(jìn)生物濾池除臭性能,該生物濾池對(duì)污泥臭氣中的主要污染物處理效率達(dá)95%~99%,相比傳統(tǒng)的生物濾池具有明顯優(yōu)勢(shì)。Mika等[28]從資源化的角度研究了從廢氣中回收氮的可行性,結(jié)果表明廢氣中具有回收潛力的氮占污泥干重的比例可達(dá)0.49%~0.62%。Eekert等[29]的研究報(bào)告則系統(tǒng)介紹了汽提、化學(xué)氧化、生物轉(zhuǎn)化等氮回收方法。
大量的研究和工程實(shí)踐表明,單一處理技術(shù)往往只能高效處理一類或幾類惡臭物質(zhì),對(duì)多組分惡臭廢氣,在處理成本、處理效率、適用濃度范圍等方面具有局限性,難以取得理想的除臭效果。多技術(shù)組合工藝可協(xié)同發(fā)揮單一技術(shù)的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),在滿足除臭效果的同時(shí)降低了處理成本,因而成為污泥脫水臭氣處理技術(shù)的研究熱點(diǎn)。Weng等[16]針對(duì)不同工序階段產(chǎn)生的臭氣提出了一個(gè)分質(zhì)分類處理的方案,其中污泥倉(cāng)儲(chǔ)臭氣引入生物濾池或熱力氧化爐處理,污泥熱干化尾氣引入水洗-堿洗裝置處理,污泥儲(chǔ)存庫(kù)空間臭氣采用UV光解原位處理。工程實(shí)踐表明,該組合工藝對(duì)硫化氫和煙塵的去除率分別達(dá)97.5%和99.7%。Andersen等[30]研究了酸洗、非熱等離子體、UV光解及其組合工藝對(duì)污泥干化臭氣的處理效果,結(jié)果表明,單獨(dú)采用非熱等離子體工藝時(shí),臭氣濃度的處理效率為70%~79%;采用非熱等離子體+UV光解的組合工藝時(shí),臭氣濃度的處理效率提高至70%~83%;采用酸洗+非熱等離子體+UV光解的組合工藝時(shí),臭氣濃度的處理效率達(dá)90%。組合工藝的除臭效率明顯優(yōu)于單一處理工藝。
城鎮(zhèn)污泥脫水惡臭廢氣具有成分復(fù)雜、臭氣嗅閾值低等特點(diǎn),在選擇惡臭控制方法時(shí),應(yīng)注重源頭控制和末端治理相結(jié)合,以源頭治理為主,最大限度削減惡臭污染物的排放,在分析惡臭污染源,掌握惡臭廢氣特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)際優(yōu)選惡臭控制工藝。在實(shí)際末端除臭應(yīng)用中,吸附法、洗滌法、燃燒法等除臭技術(shù)由于運(yùn)行費(fèi)用高、存在二次污染等問題,很少單獨(dú)應(yīng)用。掩蔽法主要用于惡臭污染物難以收集的場(chǎng)合,高級(jí)氧化技術(shù)對(duì)高濃度污染物處理效果不佳。生物法也存在占地面積大、對(duì)難生化物質(zhì)處理效果低下的缺點(diǎn)。為適應(yīng)不斷提高的環(huán)境質(zhì)量要求,在深入研究常規(guī)末端治理技術(shù)的基礎(chǔ)上,開發(fā)生物、化學(xué)洗滌、高級(jí)氧化、資源化回收利用等處理技術(shù)相結(jié)合的組合除臭工藝,實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),提高惡臭廢氣處理效果,降低運(yùn)行成本,將是污泥脫水惡臭廢氣處理技術(shù)的發(fā)展方向。