重慶大型污水處理廠除臭工程應用案例

杜 炯

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

近些年，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化率的快速提升，很多當初位于郊區(qū)的城市污水處理廠被“中心化”，居住區(qū)與污水處理廠的距離越來越近，污水處理廠的臭氣擾民問題日益突出，臭氣的治理逐漸成為人們關(guān)注的焦點。

臭氣治理工程一般在新建污水處理工程中配套實施，近些年，很多地方為了解決臭氣擾民問題，逐漸開始除臭專項工程?？嘤跊]有先例，很多除臭專項工程往往盲目建設除臭設施，而在設計上忽略了加罩收集和輸送環(huán)節(jié)，導致實施后除臭設施進氣濃度很低，大量臭氣未能有效收集散發(fā)入大氣中，擾民問題依舊。本文以重慶市最大的除臭專項工程為例，用系統(tǒng)性思維解析除臭項目設計中各環(huán)節(jié)的要點，以期對我國污水處理廠臭氣治理項目的設計提供指引。

1 項目概況

重慶市雞冠石污水處理廠位于南岸區(qū)雞冠石鎮(zhèn)，歷經(jīng)多次改擴建，2010年達到規(guī)劃規(guī)模，為165萬m3/d(雨季)和80萬m3/d(旱季)。其中，2008年建成的二期工程(60萬m3/d)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準，2010年建成的三期工程(20萬m3/d)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準(SS的質(zhì)量濃度=18 mg/L)，現(xiàn)出水均優(yōu)于設計排放標準，為重慶市的環(huán)境保護和COD減排做出了巨大貢獻。

但是，雞冠石污水處理廠內(nèi)現(xiàn)有除臭設施并不能滿足除臭要求，對周邊環(huán)境造成了一定的危害。粗格柵及進水泵房、細格柵及旋流沉砂池、初沉池、生物反應池厭缺氧段、好氧段、污泥處理區(qū)等構(gòu)筑物均為敞開式，臭氣無組織排放。大部分蓋板無法有效密封，仍有大量臭氣無組織排入大氣。隨著市民環(huán)境意識的加強，人們對污水處理廠飄散的惡臭污染更加關(guān)注，僅2020年12月全國的惡臭投訴事件就有15 952件，占大氣污染投訴的44.1%。重慶市為消除雞冠石污水處理廠臭氣對周邊環(huán)境的不利影響，縮減影響范圍和衛(wèi)生防護距離，提高廠區(qū)周邊土地的利用價值[可開發(fā)面積約為2 564畝(1畝≈666.67 m2)土地，地區(qū)經(jīng)濟效益達百億元]，確保廠區(qū)周圍良好的環(huán)境空氣質(zhì)量，對廠區(qū)中產(chǎn)生臭氣的構(gòu)建筑物進行針對性的改造，采取切實有效的環(huán)保措施，以實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一。

根據(jù)工程平面布置，本工程擬對初沉池、生反池厭缺氧段、污泥處理區(qū)進行加罩密封，并針對構(gòu)筑物單體上的蓋板增加密封措施，總投影面積共計92 560 m2。后續(xù)實現(xiàn)負壓吸引、集中除臭，處理能力達到13.8萬m3/h。

2 項目難點

2.1 臭氣成分復雜

雞冠石污水處理廠是國內(nèi)少見的工藝非常全面的污水處理廠，既有常規(guī)的預處理和生化處理段，也有不常見的污泥厭氧消化池和污泥熱干化工藝，如污泥處理區(qū)有污泥重力濃縮、機械濃縮、機械脫水、污泥消化、污泥熱干化等。流程不同，產(chǎn)生的惡臭氣體成分也有很大差異[1]，如污水處理工藝臭氣以硫化氫和氨為主，污泥干化采用蘇伊士兩段法，處理規(guī)模為450 t/d(80%含水率)，出泥含水率為10%以下，其產(chǎn)生臭氣為干化臭氣，以酚醛類多環(huán)芳烴為主，體現(xiàn)為硫化氫和氨濃度不高。整體工藝臭氣濃度較高，故需要充分分析其中的主要成分，并選擇針對性的處理方式。各單體的臭氣設計值如表1所示。

表1 主要單體臭氣濃度

2.2 規(guī)模大、源強高、臭源多、疊加效應強

雞冠石污水處理廠為重慶市最大規(guī)模的污水處理廠，總處理規(guī)模為165萬m3/d(雨季)，污水處理量為80萬m3/d(旱季)。該廠在十余年內(nèi)多次建設，現(xiàn)有處理構(gòu)建筑物近60座，其中，初沉池3座，每座散發(fā)臭氣的敞開水面面積約為0.45萬m2，3座初沉池散發(fā)臭氣總面積為1.35萬m2左右；AAO生反池4座，每座厭缺氧區(qū)面積約為1.00萬m2，4座生反池散發(fā)臭氣總面積為4.00萬m2左右。

污水處理廠現(xiàn)有處理構(gòu)建筑物近60座，分散在4.67×105m2范圍內(nèi)。臭氣濃度較高的預處理區(qū)和污泥處理區(qū)與廠外敏感點距離僅200 m左右，除臭難度大。工程要求排氣筒出口臭氣濃度需低于200，為國家標準值的1/10，該標準也僅為上海市最新的地方臭氣標準最高允許值的1/3，達標難度大。

3 項目技術(shù)特點

3.1 分散收集、處理

雞冠石污水處理廠除二沉池及之后的深度處理區(qū)之外，預處理區(qū)、污泥處理區(qū)、污水深化處理區(qū)均有產(chǎn)臭構(gòu)筑物分布，分散的布局給臭氣收集帶來很大不便。結(jié)合不同工藝臭氣濃度及成分的差異性，給出的解決方案是適度集中、分散收集處理。按“大集中”“小集中”分別給出布置方案，比較管道投資及處理設施的投資?！按蠹小笨偣膊捎?套除臭裝置方案，即預處理區(qū)1套、生反池1套、污泥處理區(qū)1套。該方案可節(jié)省除臭裝置投資，但管路投資大且風機電耗增加?！靶〖小辈捎?套除臭裝置，預處理區(qū)4套(含初沉池2套)、生反池2套、污泥區(qū)1套。該方案針對收集面積大、臭氣負荷高的初沉池和生反池區(qū)域均采用了2套除臭裝置，收集系統(tǒng)的縮小對區(qū)域內(nèi)臭氣的均勻收集非常有利。經(jīng)綜合比較，最終確定采用“小集中”方案(7套除臭裝置)，總除臭風量為13.8萬m3/h。

3.2 運用系統(tǒng)化思維、關(guān)注全流程

以往的除臭工程往往只關(guān)注送至除臭裝置的臭氣要達標排放，而忽視了臭氣收集和輸送的有效性。臭氣的“收集-輸送-處理”是整個除臭系統(tǒng)的三大環(huán)節(jié)，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會導致除臭“功虧一簣”，效果大打折扣。收集指如何對產(chǎn)臭構(gòu)筑物進行加罩，要點是兼顧運行管理的便利性；輸送指臭氣管路系統(tǒng)，要點是保證各個構(gòu)筑物或構(gòu)筑物內(nèi)各點臭氣收集的均衡性。

4 臭氣收集

4.1 加罩材料的選擇

雞冠石污水處理廠現(xiàn)有水池基本均為敞開設置，故除臭的第一步是選擇合適的加罩材料對現(xiàn)有水池進行密閉加罩，表2為目前國內(nèi)常用的加罩形式。

表2 3種加罩形式對比

綜上，結(jié)合雞冠石污水處理廠規(guī)模大、不能長時間停水施工、景觀綠化視覺效果要求較高的特點，將以上3種加蓋模式進行組合，在適當?shù)牡胤讲捎煤线m的加蓋方式，為本工程的最優(yōu)選擇。

巡檢人員密切觀察區(qū)域，如粗格柵間、粗格柵出渣間、沉砂池細格柵等處采用便于觀察的透明加罩形式，采用雙層鋼化玻璃加不銹鋼框架的加罩形式，使用壽命長、外觀整潔美觀。

設備故障率高且臭氣濃度高、需經(jīng)常放空檢修的大面積構(gòu)筑物，比如初沉池，采用高強度拱形玻璃鋼滑動蓋板加罩，該種罩采用高低蓋設計，可雙向?qū)崿F(xiàn)100%面積開啟，方便鏈板刮泥機的更換檢修。

雞冠石污水處理廠厭缺氧段和好氧段單格尺寸大，跨度均達到15 m以上，好氧區(qū)大部分位置跨度達25 m。AAO生物反應池池壁較薄，混凝土加蓋蓋板重量大，且需停水施工，工期長，對現(xiàn)有運行影響大，對于本工程來說不適宜采用。反吊膜和高強度玻璃鋼蓋板具有自重輕、視覺美觀的特性，適合較大跨度的生物反應池的加蓋。經(jīng)多方案比較，最終選用反吊膜和高強度玻璃鋼蓋板協(xié)同加罩方案。經(jīng)環(huán)評單位論證，考慮將來除臭標準進一步提高的可能性，在厭缺氧區(qū)采用高強拱形玻璃鋼蓋板加蓋，加蓋跨度為15 m；好氧區(qū)采用反吊膜加罩，跨度達25 m，罩體下部有2 m騰空段近期不封閉，遠期除臭標準進一步提高時可通過增加騰空段膜材實現(xiàn)快速封閉。

兩者結(jié)合的效果是“各取所長、互補其短”，臭氣散發(fā)濃度較高的厭缺氧區(qū)采用大跨拱形蓋，15 m跨度時最高處僅有1 m，有效降低了除臭風量；好氧區(qū)不除臭，采用反吊膜加蓋既美觀又實用。本工程反吊膜加蓋和拱形大跨度玻璃鋼加蓋面積均為4.5萬m2。

4.2 除臭風量的確定

目前，國內(nèi)除臭設計中均采用換風次數(shù)法確定各單體除臭風量，該種方法簡單易行，但由于換風次數(shù)可取值范圍很大，同一個單體規(guī)范上允許的換風次數(shù)低值和高值可相差一倍，導致投資也有一倍的差距，實際應用時設計人員按自我習慣取值，實際應用效果無法保障。

從加罩除臭機理角度分析，好的加罩換風次數(shù)應使加罩后所有縫隙中往罩內(nèi)吹的風速不低于0.3 m/s，一般取0.4 m/s[2]。此種風速下臭氣不會從縫隙中逸散到罩外，從而達到加罩目的。故換風次數(shù)應該和罩子的縫隙比(縫隙面積和加罩總面積的比值)相對應，縫隙比越低，換風次數(shù)越少，除臭風量也越小，除臭裝置投資越省，也越節(jié)能。

本工程在換風次數(shù)確定中，首次進行了加罩縫隙的計算，通過縫隙計算確定除臭風量值。

縫隙法計算的原理是認為混凝土現(xiàn)澆板不存在氣體散發(fā)可能，所有臭氣均從蓋板縫隙漏出。故統(tǒng)計水池加罩后蓋板的邊緣長度作為縫隙的長度，縫隙的寬度按蓋板邊固定方式經(jīng)驗選用。為便于滑動，采用雙向滑動蓋時其縫隙偏大，一般取值為10 mm左右；玻璃鋼蓋板為膨脹螺栓加橡膠墊固定，其縫隙寬度一般取值為2 mm左右；一般的活動蓋板和反吊膜加罩區(qū)域縫隙寬度居中，一般取值為5 mm左右。具體如表3所示。

表3 除臭風量縫隙法計算

初沉池采用雙向滑動除臭罩，為便于滑動，其縫隙較大，故折算后換風次數(shù)需達4次/h。反應池采用固定蓋加罩，蓋子與池面采用橡膠墊及膨脹螺栓固定，可控制平均縫隙寬度為2 mm左右，此時只需換風次數(shù)為2次/h，相比于常規(guī)的3～6次/h換風次數(shù)，計算得到的除臭風管及除臭裝置的投資均大幅降低。

5 臭氣輸送中的風管設計

每個吸風口與總管的距離盡量相同是風管布置中的一個基本原則，這個原理無庸贅述，但實際應用中，同程布置導致管路不可避免地出現(xiàn)繞路等現(xiàn)象，很多設計人員舍棄了同程設計理念，且存在“有風閥可調(diào)節(jié)阻力”的想法。經(jīng)測算，雖然風閥可以調(diào)節(jié)阻力，但調(diào)節(jié)能力有限，故合理的風管布置原則應該是對收集主管實現(xiàn)同程布置、支管通過閥門調(diào)節(jié)。圖1為小型構(gòu)筑物的風管布置，其收集管道基本實現(xiàn)了同程布局，末端3根支管方面，通過對末端計算流體力學(CFD)模擬后采用中間支管縮徑方式，也實現(xiàn)了3根支管的阻力一致。圖2為旋流沉砂池的風管布置，為主管同程布置的方式。

注：φ為直徑，mm;括號內(nèi)數(shù)值為標高，m

注：管徑單位為mm; 標高單位為m

除臭風管的冷凝水排放也很重要，尤其對于不銹鋼管道，如不及時排放，冷凝水會融入硫化氫后轉(zhuǎn)變?yōu)槿跛?，對不銹鋼管造成嚴重腐蝕。因此，設計中務必通過管道支架的墊片調(diào)整風管水平安裝的坡度，設計坡度取0.5%～1.0%，冷凝水通過管道最低點處的排水閥排出。此外，收集干管和支管風速設計取值不同，分別為6.0～10.0 m/s和4.0～7.0 m/s[3]。

經(jīng)分析，氣體從縫隙的漏風點進入，至吸風口排出，其沿程阻力損失很小可忽略不計，主要阻力發(fā)生在縫隙處和吸風口處。縫隙處按0.4 m/s風速計，吸風口處按3.0～5.0 m/s風速計，阻力共6～14 Pa，對整個收集管路的損失(300～700 Pa)來說可忽略。

試驗表明，氣體輸送與液體輸送存在很大差異，氣體輸送對阻力差異更敏感，也就意味著除臭風管風量的調(diào)節(jié)難度比水輸送管路更大。除臭風管布置的首要原則是同程原則，即每個吸風口與總管的距離盡量相同，從而大幅降低風閥調(diào)節(jié)的難度，使每個吸風口風量相同。實際應用中，由于大部分單體外形不規(guī)則，且風管還需考慮與人員通道、生產(chǎn)管線的避讓，吸風口距離總管不可避免地會存在遠近，無法實現(xiàn)完全同程，此時就需要通過風管上的風閥對風管阻力進行調(diào)節(jié)。一個收集系統(tǒng)中最近和最遠風管的阻力差如小于單個風閥最大阻力，則可通過風閥進行調(diào)平，如大于風閥最大阻力，則靠風閥無法實現(xiàn)調(diào)平，此時管路的同程布局就顯得尤為重要。

根據(jù)以上分析，在風管無法完全同程的情況下，只能靠風閥對遠近風管的阻力進行調(diào)平，如何準確地實現(xiàn)調(diào)節(jié)是一個重要的問題。污水處理廠除臭風管一般均采用玻璃鋼或不銹鋼等不透明材質(zhì)，風管的輸送量無法通過肉眼直觀看出差異。鑒于此，雞冠石除臭項目中采用了上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司創(chuàng)新設計的風量指示器，內(nèi)部風量值直觀顯示在外部刻度上，結(jié)合調(diào)節(jié)風閥可實現(xiàn)各支管風量的調(diào)平，如圖3所示。該風量指示器采用類似加藥管路上的轉(zhuǎn)子流量計原理，通過對不同形式盤片的試驗，最終選用特定開孔比及開孔斜度的鏤空等距盤片，在極小的風阻下(最低風速為1 m/s)可將盤片在不同位置懸停并勻速轉(zhuǎn)動，通過轉(zhuǎn)動將一些雜質(zhì)撥開，防止盤片被卡。為防止長時間運行后里面有污物，在盤片上設置了再生水接口，可接入再生水對內(nèi)部進行沖洗。

圖3 風量指示器示意圖

6 臭氣處理中的除臭裝置設計

化學洗滌法、生物除臭法、離子除臭法、活性炭(化學過濾)吸附法、除臭劑噴淋法、全過程除臭法是目前較常用的除臭處理工藝[4]，幾種工藝各具特點。針對不同的臭氣含量，采用不同的除臭設計參數(shù)，在確保達標的前提下節(jié)省投資[5-6]。常用除臭工藝優(yōu)缺點如表4所示。

表4 常用除臭工藝綜合比較

根據(jù)以上分析，考慮到預處理部分和生反池部分實測硫化氫體積質(zhì)量均低于50 mg/m3，為生物濾池可有效發(fā)揮作用的范疇，且化學法需使用氫氧化鈉和次氯酸鈉，運輸使用不便，故確定本工程采用生物濾池法為主的除臭工藝[7]。針對高濃度區(qū)域，如初沉池和污泥濃縮池、濃縮機房等設施，采用高效靶向型生物濾池，內(nèi)部含兩個不同的生物濾池模塊，分別采用不同的內(nèi)部設計和停留時間，培養(yǎng)嗜酸性細菌(停留時間為25 s)和嗜中性細菌(停留時間為15 s)的優(yōu)勢種群，分別以臭氣中的硫化氫等無機酸性氣體和甲硫醇等醇類臭氣成分為靶向目標進行高效去除。兩者聯(lián)合可將臭氣的去除效率從常規(guī)的90%提到95%～99%。

生物濾池采用的填料不同，其除臭效果及使用壽命也有很大差異，生物濾池常用的填料及特性如表5所示。

表5 生物濾池常用填料比較

根據(jù)以上分析，鑒于本工程對除臭效果要求高，且要求設施使用壽命長，經(jīng)多方位比選最終確定選用竹炭填料。竹炭填料價格較高，但其比表面積大、單位體積承載生物量大、強度高、不宜破碎，且其具有一定吸附作用，可在沒有掛膜的時候吸附臭氣發(fā)揮除臭功能，對于急于發(fā)揮效用的應急項目尤其適用。

生物濾池設計中還有個關(guān)鍵性指標，即停留時間。停留時間越長，除臭效果越好，但投資和運行成本越高，一般單級生物濾池停留時間為15～40 s。本工程考慮到不同設施臭氣濃度不同，故在停留時間上進行了精細化考量，對于濃度較低的粗格柵進水泵房、生反池區(qū)域，設置生物濾池填料區(qū)停留時間為25 s，對于濃度較高的細格柵旋流沉砂池、初沉池、污泥濃縮池，設置生物濾池填料區(qū)停留時間為40 s。

一般除臭微生物需要一定的溫度才能保持活性，如在北方地區(qū)需要增設加熱器對噴淋水進行加溫，而重慶地區(qū)尚不需要，且臭氣來自于污水池，在冬天臭氣的溫度也不會低于10 ℃。生物濾池采用玻璃鋼外殼，玻璃鋼本身的低傳熱效率也有利于保溫。

另外，雞冠石污水處理廠內(nèi)建有一座污泥干化機房，設計規(guī)模為450 t/d(進泥含水率為80%)，采用蘇伊士的兩段法干化工藝(薄層+帶式干化)。該工藝共產(chǎn)生兩種臭氣，一種為干化過程中產(chǎn)生的高溫高濃度臭氣(50 ℃左右)；另一種為房間內(nèi)的低濃度臭氣，其中薄層干化機密閉性好，房間內(nèi)無需除臭，帶式干化機無法做到完全密閉，房間內(nèi)有明顯臭味，且?guī)C體型大，整體加罩實施難度大。干化機房緊鄰廠界西側(cè)圍墻，圍墻外200 m即住宅小區(qū)，故本次對干化機房重點除臭。

鑒于此，針對干化機房的除臭方案如下：高溫、高濃度干化廢氣采取洗滌降溫+化學除臭+生物濾池+活性炭吸附(可超越)的組合除臭工藝，其中活性炭吸附作為保障措施，在進氣異常波動或設備檢修造成出氣超標情況下短期使用，化學除臭填料區(qū)接觸時間不小于3 s，生物濾池填料區(qū)停留時間不少于40 s；房間內(nèi)的低濃度臭氣為廠房內(nèi)無組織散發(fā)臭氣，采用離子送新風除臭工藝。

7 處理效果

2019年7月，除臭改造工程完成安裝調(diào)試工作。同年9月，市級環(huán)境保護部門通過驗收，處理后達到《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—1993)二級標準(表6)。其中排氣筒的實測臭氣值也始終低于200。

表6 排放臭氣檢測結(jié)果

8 結(jié)論

雞冠石污水處理廠除臭專項工程為西南地區(qū)首個大型除臭專項工程，采用了大量創(chuàng)新性的技術(shù)和理念。如在風量計算上采用縫隙面積法，在確保除臭效果的基礎上降低了風量，節(jié)省了投資；在除臭工藝選用上對設計參數(shù)進行了精細化設計；生物濾池選型上創(chuàng)新地采用了高效靶向型生物濾池，提高除臭效率到99%；收集管路上創(chuàng)新地應用了同程管路技術(shù)及可視化技術(shù)，提高了運行管理質(zhì)量，從而實現(xiàn)了 “收集-輸送-處理”全流程，對除臭技術(shù)進行了全面升級。本工程為大型污水處理廠的除臭改造工程提供了可復制、可借鑒的經(jīng)驗。