污水處理廠惡臭氣體產(chǎn)排規(guī)律及除臭菌群分布研究

郭學彬，常 江，趙 珊，魯富蕾

（1. 北京城市排水集團有限責任公司科技研發(fā)中心，北京 100124；2. 北京北排科技有限公司，北京 100124；3. 北京市污水資源化工程技術研究中心，北京 100124；4. 天津市生態(tài)環(huán)境科學研究院，國家環(huán)境保護惡臭污染控制重點實驗室，天津 300191）

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展及城市化進程的加快，全國污水處理廠的數(shù)量和處理規(guī)模逐漸增加。據(jù)住建部公布數(shù)據(jù)顯示，截至2019 年底我國已建成城鎮(zhèn)污水處理廠4 140 座，處理能力21 450 萬m3/d，平均污水處理率95.18%。但污水處理過程中產(chǎn)生的惡臭氣體不僅影響周邊居民的身心健康，還對大氣環(huán)境造成了嚴重污染[1]。國家生態(tài)環(huán)境部公布了2019 年度全國環(huán)保舉報情況，大氣污染占各類舉報的50.8%，其中惡臭異味占大氣舉報的41.0%。污水處理廠惡臭物質(zhì)的治理引起人們的廣泛關注。

目前，污水處理廠惡臭氣體治理技術主要有物理法、化學法和生物法[2-6]。物理法主要為活性炭吸附法，其原理是利用活性炭多孔結(jié)構，將惡臭氣體吸附去除，其處理效率高，但后期吸附飽和的活性炭需要定期更換，運行成本大[7-9]。化學法主要有化學洗滌法，其原理為利用惡臭組分與化學藥劑發(fā)生不可逆的化學反應，從而生成新的無臭物質(zhì)以達到脫臭目的，但化學藥劑作為?；穼⒅鸩奖还芸兀矔Νh(huán)境造成二次污染[10]。生物法以其處理效率高、投資運行成本低和處理效果良好成為污水處理廠主要的除臭方法[11-12]，其原理為惡臭氣體在通過生物填料時被附著在填料上的微生物吸附，然后吸收和消化降解為二氧化碳和其他無機物，如含硫惡臭污染物中的硫轉(zhuǎn)化為環(huán)境中穩(wěn)定的硫酸鹽，含氮污染物中的氮轉(zhuǎn)化為環(huán)境中穩(wěn)定的硝酸鹽或氮氣[13-14]。生物除臭法關鍵在于微生物種類的選擇，其微生物種類決定惡臭物質(zhì)的生物降解程度，根據(jù)微生物菌種的生存條件選擇合適的生物填料供其生長，培訓出能高效除臭的微生物菌種，使得惡臭治理技術尤其是生物治理技術出現(xiàn)新的突破[15]。

北京某污水處理廠處理規(guī)模為20 萬m3/d，污水處理手段采用氧化溝工藝。為減少污水廠內(nèi)惡臭氣體的排放，對廠內(nèi)的進水區(qū)、曝氣沉砂池、厭氧池、氧化溝和污泥區(qū)等構筑物都進行了封閉管理，使惡臭氣體集中治理并達標排放[16]。該廠采用以生物除臭法為主的除臭技術，生物除臭系統(tǒng)主要由生物反應池體、生物濾床、營養(yǎng)液循環(huán)噴淋系統(tǒng)和參數(shù)控制系統(tǒng)等組成[17]，可在生物除臭系統(tǒng)啟動時投加自主研發(fā)的除臭微生物菌劑，便于研究微生物種類在生物除臭中的影響[18]。本研究目的在于調(diào)查分析生物除臭系統(tǒng)運行過程中微生物群落的變化，并結(jié)合除臭效果篩選出更高效的除臭微生物菌種。通過給微生物提供不同的生存環(huán)境，培育出對不同惡臭組分具有針對性脫除的微生物菌群。

1 材料與方法

1.1 試驗樣品

在污水處理廠選定7 套除臭系統(tǒng)，將微生物載體填料放置于污水廠的除臭系統(tǒng)的生物箱內(nèi)，分別設置在進水區(qū)、曝氣沉砂池、厭氧池段、厭氧池Ⅱ段、氧化溝Ⅰ段、氧化溝Ⅱ段和污泥區(qū)，并將其編號為1～7#，該除臭系統(tǒng)采用生物段加洗滌段等工藝。試驗樣品分為炭質(zhì)填料和海綿填料（塑料球內(nèi)包海綿）2 種，其中炭質(zhì)填料放置到編號5#、6#系統(tǒng)中的生物段和洗滌段，在7#系統(tǒng)中的生物段放置炭質(zhì)填料，洗滌段放置海綿填料。在7 套除臭系統(tǒng)中，噴淋液采用系統(tǒng)自身循環(huán)水，其中1#～6#系統(tǒng)采用編號為1#～6#的液體樣品，7#系統(tǒng)中的生物段循環(huán)水設為7#液體樣品，7#系統(tǒng)中的洗滌段循環(huán)水設為8#液體樣品。

1.2 采樣方法

惡臭氣體采樣方法是在除臭系統(tǒng)的排氣筒采樣口處現(xiàn)場用氣體采樣器將排氣筒中的臭氣采集到事前配制好的硫化氫和氨氣的吸收液中；臭氣濃度采用臭氣濃度玻璃采樣瓶采集；最后將采集的氣體樣品送第三方進行檢測。微生物群落的采樣方法是從不同生物除臭系統(tǒng)的循環(huán)水箱中采集水樣和除臭設備中采集微生物附著的生物填料樣品，并將采集的水樣和生物填料樣品送第三方檢測。采樣頻次為1 次/月。

1.3 檢測方法

惡臭氣體檢測采用國標法，檢測項目為硫化氫、氨和臭氣濃度，見表1[19-21]。

表1 惡臭氣體檢測方法

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化氫變化規(guī)律

跟蹤檢測7 套生物除臭系統(tǒng)近一年的硫化氫進出口濃度和去除效率，見圖1。

圖1 可知，除臭系統(tǒng)進口H2S 濃度相差較大，可能是由于受到氣溫和水溫的影響，導致污水中微生物活性不同，產(chǎn)生的臭氣也不同。同時由于收集的惡臭氣體來源不同，系統(tǒng)進口H2S 差距明顯，污水區(qū)和污泥區(qū)H2S 濃度較高為0.03～10.45 mg/m3，生物池的年平均H2S 濃度為0.06 mg/m3，而曝氣沉砂池可達10.45 mg/m3，這可能是由于污水向污水廠的流動過程中已開始產(chǎn)生H2S，而到曝氣沉砂池時H2S 產(chǎn)生量較大，集中釋放，導致H2S 濃度升高。H2S 在污水處理廠各處理單元濃度變化為曝氣沉砂池>>進水區(qū)、厭缺氧池>污泥區(qū)>生物處理區(qū)。

圖1 硫化氫去除效果

除臭系統(tǒng)去除效率與進口濃度有關，進水區(qū)和污泥區(qū)的去除效率可達90%以上，生物池的去除效率僅50%以上。綜上，除臭系統(tǒng)在測試階段運行基本正常，達到工程設計要求。經(jīng)生物除臭系統(tǒng)處理后的出口H2S 均低于1.5 mg/m3，當排氣筒高15 m時，滿足北京市《大氣污染物綜合排放標準：DB11/501—2017》[22]要求。

2.2 氨氣變化規(guī)律

跟蹤檢測7 套生物除臭系統(tǒng)近一年的氨氣進出口濃度和去除效率，見圖2。

圖2 氨氣去除效果

圖2 可知，氨氣相比于硫化氫濃度變化較小，除臭系統(tǒng)進口的氨氣含量相差較小，夏秋季氨氣進氣濃度相對較高?？傔M水區(qū)氨氣濃度明顯高于其他位置，這可能是由于污水在管網(wǎng)中處于厭氧狀態(tài)下，污水中的有機物被厭氧細菌分解、消化產(chǎn)生氨氣，并在進水區(qū)得到集中釋放，使氨氣濃度升高。氨氣在污水處理廠各處理單元濃度變化為進水區(qū)>污泥區(qū)>厭缺氧區(qū)、生物處理區(qū)。

由于除臭系統(tǒng)進口氨氣濃度較低，去除效率不高，但出口濃度仍達標。綜上，在測試階段除臭系統(tǒng)運行基本正常，達到工程設計要求。經(jīng)過生物除臭系統(tǒng)處理后出口氨氣濃度值均遠低于北京市《大氣污染物綜合排放標準：DB11/501—2017》要求。

2.3 臭氣濃度變化規(guī)律

跟蹤檢測7 套生物除臭系統(tǒng)近一年的臭氣濃度進出口濃度和去除效率，見圖3。

圖3 可知，夏秋季臭氣濃度進口濃度相對較高，除臭系統(tǒng)進口的臭氣濃度隨季節(jié)變化明顯，濃度相差7～36 倍。不同的除臭系統(tǒng)，臭氣濃度差異較大。臭氣濃度在污水處理廠各處理單元濃度變化為曝氣沉砂池>>進水區(qū)、厭缺氧池、污泥區(qū)>生物處理區(qū)。

圖3 臭氣濃度去除效果

臭氣濃度經(jīng)除臭系統(tǒng)處理后，臭氣濃度最高為101 處理效果良好。整體而言，在測試階段中，除臭系統(tǒng)運行基本正常，達到了工程設計的要求。經(jīng)過生物除臭系統(tǒng)處理后的出口臭氣濃度值均遠低于標準[22]的要求。

2.4 同一點位、不同氣體監(jiān)測項目間對比

對污水處理廠除臭系統(tǒng)的同一點位、不同監(jiān)測項目間的惡臭氣體進行檢測，對其進出口濃度及去除效率對比分析，見表2。

表2 可知，在進水區(qū)、污泥區(qū)和厭缺氧池的進口硫化氫比氨氣高一個數(shù)量級，曝氣沉砂池高2 個數(shù)量級；在生化池，進口硫化氫和氨氣為同一數(shù)量級。監(jiān)測周期內(nèi)，出口氣體濃度均較低，硫化氫去除效率均達到70%以上；氨氣去除率整體效果不明顯；臭氣去除率均為70%以上。

表2 同一點位、不同監(jiān)測項目間對比

除臭系統(tǒng)的正常運行對硫化氫和臭氣有一定的處理效果；由于進口濃度較低，除臭系統(tǒng)對氨氣去除效率較低，部分系統(tǒng)去除效率幾乎無降低，可能是由于其進口濃度較小，處理效果不穩(wěn)定造成。硫化氫與臭氣濃度關系密切且有相似變化規(guī)律，可將硫化氫作為污水廠典型惡臭污染物的監(jiān)控對象。

2.5 除臭系統(tǒng)微生物生存狀況分析

6 ～10 月間，對除臭系統(tǒng)中pH 及填料上的微生物生長狀況進行檢測，其液體樣品pH，見圖4。

圖4 液體樣品pH 變化趨勢

圖4 可知，2#系統(tǒng)由于pH 較低，嗜酸性菌在LB培養(yǎng)基中難以培養(yǎng)。但1#系統(tǒng)的pH 與5～7#系統(tǒng)類似，菌群計數(shù)卻明顯低于5～7#系統(tǒng)。經(jīng)現(xiàn)場溝通得知，可能是1#系統(tǒng)在運行過程中需經(jīng)常往水箱中補水，稀釋了液體樣品中的菌群計數(shù)，導致1#系統(tǒng)菌落數(shù)較低。污水處理廠的典型惡臭氣體是硫化氫，液體樣品的pH 為偏酸性。用LB 培養(yǎng)基進行菌群計數(shù)，可以得到適合于中性環(huán)境生長的菌群數(shù)量，而嗜酸性菌在本項目中沒有得到監(jiān)測和統(tǒng)計。

經(jīng)過對除臭系統(tǒng)中的循環(huán)液進行檢測，液體樣品微生物生長趨勢，見圖5。

圖5 液體樣品微生物生長趨勢

圖5 可知，液體樣品的微生物總數(shù)隨月份逐步增加，并在9 和10 月達到最大。其中5～7#除臭系統(tǒng)中的數(shù)量變化較大，1～4#除臭系統(tǒng)中的總數(shù)較少，這可能與臭氣組分的影響或者pH 有關。

經(jīng)過對除臭系統(tǒng)中微生物在填料固體上的生長情況進行檢測，見圖6。

圖6 固體樣品微生物生長趨勢

圖6 可知，系統(tǒng)整體細菌數(shù)從6～10 月隨著溫度的升高而提升，但上升的速度不同，由于5#、6#除臭系統(tǒng)處理的是生化池上的惡臭氣體，處理氣源的污染程度較低，菌劑增值也較慢，固體填料上的微生物菌群數(shù)大致固定在106量級上。而7#除臭系統(tǒng)處理的是污泥脫水機房的惡臭氣體，處理氣源的污染程度較高，菌劑增值較快，固體炭質(zhì)填料上的微生物菌群數(shù)增殖了約20 倍，海綿上增殖了約37 倍。說明除臭微生物的生長與進氣氣源的性質(zhì)密切相關，且在固體海綿填料比在炭質(zhì)填料上生長的快。

對除臭系統(tǒng)固體-液體微生物進行檢測，見圖7。

圖7 除臭系統(tǒng)固體-液體微生物生長趨勢對比

圖7 可知，在同一除臭系統(tǒng)中，固體填料上的微生物菌群數(shù)量大于循環(huán)液體，但6 和7 月不明顯，5#、6#除臭系統(tǒng)也不明顯。這可能是由于微生物系統(tǒng)的生長活性受溫度影響較大，當有機物充足條件下，氣體溫度較高的8～10 月，大量微生物附著于填料上增殖更快。

3 結(jié)論

（1）在污水處理廠不同構筑物間，硫化氫的變化規(guī)律為曝氣沉砂池>>進水區(qū)、厭缺氧池>污泥區(qū)>生物處理區(qū)；氨氣的變化規(guī)律為進水區(qū)>污泥區(qū)>厭缺氧區(qū)、生物處理區(qū)；臭氣濃度的變化規(guī)律為曝氣沉砂池>>進水區(qū)、厭缺氧池、污泥區(qū)>生物處理區(qū)；經(jīng)生物除臭系統(tǒng)處理后均達到了排放標準要求。（2）經(jīng)生物除臭系統(tǒng)處理后，硫化氫出口濃度均低于1.5 mg/m3，并在進水區(qū)和污泥區(qū)去除效率可達90%以上；氨氣的進口濃度較低，去除效率不高；臭氣濃度經(jīng)系統(tǒng)處理后濃度值最高為101，其去除效果良好。（3）在生物除臭系統(tǒng)運行時，pH 偏酸性；微生物菌群數(shù)在固體填料和液體中都有所增加，海綿填料承載微生物菌群的能力比炭質(zhì)填料更為優(yōu)異，且都比循環(huán)液體中的微生物菌群數(shù)量高。