新型雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)在城市污水廠惡臭氣體處理中的應(yīng)用

劉建偉，臧娜娜，韓昌福，陳欣玥，馮文韜，魯晨，孫建斌

1.北京建筑大學(xué)，北京市可持續(xù)城市排水系統(tǒng)構(gòu)建與風(fēng)險控制工程技術(shù)研究中心

2.北京大北農(nóng)科技集團(tuán)股份有限公司

3.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，國內(nèi)城市污水廠的建設(shè)數(shù)量逐年遞增。盡管城市污水廠可有效去除污水中的污染物，但是在污水處理過程中由于曝氣、機械攪動等原因，硫化氫和氨等惡臭物質(zhì)易從污水中逸散[1-3]。惡臭物質(zhì)逸散至大氣后可能會刺激人體嗅覺器官，危害人體呼吸系統(tǒng) 、消化系統(tǒng) 、內(nèi)分泌系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等，并對環(huán)境造成不利影響[4-7]。因此，有效處理城市污水廠產(chǎn)生的惡臭氣體，減少其對人體健康和生態(tài)環(huán)境的影響，已成為亟待解決的重點問題之一。

對于惡臭氣體產(chǎn)生集中、易進(jìn)行收集的污水處理設(shè)施，如調(diào)節(jié)池、沉砂池和曝氣池等，多采用密閉收集-集中處理的方式，并且能夠達(dá)到較好的除臭效果[8-9]。而對于惡臭氣體間歇產(chǎn)生，且產(chǎn)生較為分散的處理設(shè)施，如格柵間等[10]，氣體集中收集難度較大，不宜直接采用常規(guī)密閉收集-集中處理的方式。霧化噴淋技術(shù)是一種有效的應(yīng)用于分散、半開放污染源的惡臭氣體原位處理技術(shù)，其原理是利用高壓作用將除臭菌劑霧化后散布于惡臭產(chǎn)生空間，惡臭物質(zhì)在霧化霧滴的吸收、吸附等作用下得以去除[11-12]。現(xiàn)有的對于霧化噴淋技術(shù)的研究主要集中在氣液比、噴淋壓力及噴淋介質(zhì)等參數(shù)優(yōu)化或選擇方面[13]。雖然霧化噴淋技術(shù)已經(jīng)在城市污水廠惡臭氣體處理中得到一定應(yīng)用，但常規(guī)霧化噴淋技術(shù)仍然存在著噴淋介質(zhì)單一、霧化效果不佳以及對惡臭物質(zhì)去除效果有限等問題[14]。

作為一種新型噴淋除臭技術(shù)，雙介質(zhì)霧化噴淋技術(shù)是利用混合后的加壓液體和壓縮空氣2種介質(zhì)高速沖擊噴頭頂部，產(chǎn)生的超聲波將除臭菌劑破碎成微米級粒徑的霧滴，再通過細(xì)微霧滴的吸收、吸附等作用實現(xiàn)惡臭物質(zhì)的高效降解。該技術(shù)集加濕、降塵和除臭等功能于一體，具有霧滴粒徑小、比表面積大和除臭效果好的優(yōu)點。筆者構(gòu)建了雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)，對系統(tǒng)運行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并以城市污水廠格柵間為研究對象，考察其對硫化氫和氨的去除效果，以期為城市污水廠分散點源的惡臭污染控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 氣體采樣點

北京某城市污水廠格柵間為非嚴(yán)格密封的半開放式結(jié)構(gòu)，面積約為100 m2，包含2臺回轉(zhuǎn)式粗格柵和4臺回轉(zhuǎn)式細(xì)格柵。惡臭氣體采樣點設(shè)置于距離格柵間粗、細(xì)格柵1 m位置處，采樣高度距地面1.2 m。采樣時間均在13:00—16:00，每個采樣點分別采集3個平行樣。

1.2 雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)

1.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

構(gòu)建的雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)通過對液體和空氣雙介質(zhì)分別進(jìn)行加壓，使2種介質(zhì)在噴頭內(nèi)混合撞擊，形成粒徑為2～5 μm的霧滴，通過吸收、吸附和降解作用去除氣體中的硫化氫和氨等惡臭物質(zhì)。系統(tǒng)組成、主要部件及參數(shù)分別如圖1和表1所示。

圖1 雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)組成示意Fig.1 Schematic diagram of the double medium pneumatic atomization spray system

表1 雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)主要部件及參數(shù)Table 1 Main components and parameters of the double medium pneumatic atomization spray system

雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)主要由多級過濾、霧化、噴淋和智能控制4個主要單元組成，其中多級過濾單元主要包括多級過濾器和管道式加熱器；霧化單元包括增壓泵、螺桿空壓機、儲氣罐和空氣過濾器；噴淋單元包括加液泵、菌液儲存箱和超聲霧化噴頭；智能控制單元包括可編程控制器和氣體傳感器。

該系統(tǒng)基于高壓空氣和液體雙介質(zhì)的混合、沖擊和霧化原理，采用全自動智能控制，利用高度霧化、分散的含除臭菌劑細(xì)微霧滴的吸收、吸附和降解作用去除惡臭物質(zhì)。系統(tǒng)集除臭、除塵和加濕功能于一體，除能夠高效去除惡臭物質(zhì)外，還可以與空氣進(jìn)行濕熱交換，實現(xiàn)對環(huán)境的降溫。

1.2.2 系統(tǒng)運行流程

雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)的運行流程如圖2所示。當(dāng)智能控制單元監(jiān)測到惡臭物質(zhì)濃度超過一定限值時，啟動霧化噴淋系統(tǒng)。壓縮空氣經(jīng)預(yù)處理單元去除顆粒物后經(jīng)增壓泵調(diào)節(jié)壓力，再通過氣、液管線輸送至超聲霧化單元。除臭菌液經(jīng)多級過濾單元凈化后與水在加液泵中混合。經(jīng)除雜凈化的壓縮空氣和噴淋菌液在超聲霧化單元混合、霧化后噴淋至惡臭空間，惡臭物質(zhì)與霧化菌液接觸后經(jīng)吸收和生物降解等作用得以去除。在智能控制單元的作用下，噴淋系統(tǒng)可以根據(jù)惡臭氣體的濃度特性，自動調(diào)節(jié)、控制和優(yōu)化運行參數(shù)，以達(dá)到最佳除臭效果。

圖2 雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)流程Fig.2 Operation flow of the double medium pneumatic atomization spray system

1.3 分析方法

1.3.1 氣體分析方法

分別通過分析噴淋霧化系統(tǒng)啟動前后的硫化氫和氨濃度來表征系統(tǒng)的除臭性能。其中，硫化氫濃度是通過鼓泡吸收管將氣體吸收至氫氧化鎘-聚乙烯醇磷酸銨溶液后利用亞甲基藍(lán)分光光度法測定，而氨濃度則是將氣體吸收至稀硫酸溶液后利用納氏試劑分光光度法測定[15]。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理方法

測得數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010軟件處理后應(yīng)用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，再用Origin 2021軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 城市污水廠格柵間惡臭氣體的產(chǎn)生特性

對某城市污水廠格柵正常運行及停止運行后1 h，格柵間的硫化氫和氨濃度進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

表2 某城市污水廠格柵間產(chǎn)生的硫化氫和氨濃度Table 2 Concentration of hydrogen sulfide and ammonia produced in screen room in a MSTPmg/m3

由表2可見，該城市污水廠格柵間產(chǎn)生的硫化氫和氨逸散濃度波動較大。在格柵運行時，硫化氫濃度為 0.03～1.58 mg/m3，平均濃度為 (0.23±0.02) mg/m3；氨濃度為 0～5.47 mg/m3，平均濃度為 (3.32±0.24)mg/m3。而格柵停止運行1 h后，硫化氫濃度為0.01～0.18 mg/m3，平均濃度為 (0.04±0.01) mg/m3；氨濃度為 0～0.23 mg/m3，平均濃度為 (0.14±0.02) mg/m3。

可見，該城市污水廠格柵間硫化氫和氨的逸散濃度具有一定差異，這與污水pH，污水中含硫、含氮物質(zhì)的組成和濃度以及硫化氫和氨的溶解度、揮發(fā)性等特性有關(guān)[16-17]。與格柵停止運行1 h后相比，在格柵運行期間，硫化氫和氨的平均濃度分別高出5.1倍和22.8倍，這主要是由于格柵運行期間，柵條的強烈攪動作用加速了硫化氫和氨從污水中的釋放和逸散[18]。格柵停止運行后，機械攪動導(dǎo)致的惡臭氣體逸散作用減弱，但是臨時堆存的柵渣也可能造成惡臭氣體的逸散[19]。由于城市污水廠格柵間格柵的安裝、布置方式以及柵渣的產(chǎn)生和臨時存放特點，格柵間產(chǎn)生的惡臭氣體不易集中收集，且具有一定的濃度波動，常規(guī)的密閉收集-集中處理的處理方式并不適合，因此考慮采用雙介質(zhì)霧化噴淋系統(tǒng)對惡臭氣體進(jìn)行原位處理[19]。

2.2 霧化噴頭的選擇及運行參數(shù)優(yōu)化

霧化噴頭的類型主要包括不銹鋼濾網(wǎng)式、不銹鋼PE棉過濾式和銅質(zhì)濾網(wǎng)式等[20]。本研究的雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)噴頭選取五段式不銹鋼濾網(wǎng)式，該類型霧化噴頭具有噴霧流量大、覆蓋面積大和霧化效果好的特點。不同孔徑的霧化噴頭，其適用的噴霧壓力和噴霧流量均不同，表3列出了不同孔徑霧化噴頭的噴霧壓力范圍和噴霧流量范圍。

表3 不同孔徑霧化噴頭的噴霧壓力和噴霧流量Table 3 Spraying pressure and spraying flow of spraying nozzles with different apertures

從表3可以看出，霧化噴頭的噴霧流量隨孔徑的增大而有較大幅度的增加。如孔徑為0.15 mm的1#霧化噴頭，其噴霧流量僅為20～46 mL/min，而孔徑為0.50 mm的5#霧化噴頭的噴霧流量達(dá)130～243 mL/min。

噴霧壓力是影響霧化噴頭噴霧面積、噴霧流量和霧化粒徑的重要參數(shù)[20]。對于不同孔徑的霧化噴頭，其噴霧壓力對噴霧面積、噴霧流量和霧化粒徑的影響如圖3所示。

圖3 噴霧壓力對不同霧化噴頭噴霧面積、噴霧流量和霧化粒徑的影響Fig.3 Influence of spraying pressure on spraying area, spraying flow and atomization particle size of different spraying nozzles

由圖3可知，對于相同孔徑的霧化噴頭，噴霧面積隨著噴霧壓力的增大而增加。但是當(dāng)噴霧壓力增大至一定值后，噴霧面積的增加幅度變小。如1#霧化噴頭在噴霧壓力為30 kg/cm2時，其噴霧面積僅為0.9 m2；當(dāng)噴霧壓力增至60 kg/cm2時，其噴霧面積為2.8 m2；而當(dāng)噴霧壓力繼續(xù)增加時，雖然噴霧面積仍隨之增大，但增加幅度明顯變?。划?dāng)噴霧壓力增加至90 kg/cm2時，噴霧面積僅增加至3.2 m2。

噴霧壓力對噴霧流量有較明顯的影響。對于相同孔徑的霧化噴頭，噴霧壓力越大，噴霧流量也越大。當(dāng)噴霧壓力增至70 kg/cm2后，噴霧流量增加幅度明顯變小。如5#霧化噴頭在噴霧壓力70 kg/cm2時，噴霧流量為175 mL/min；而當(dāng)噴霧壓力繼續(xù)增加時，噴霧流量增量明顯變??；當(dāng)噴霧壓力增至90 kg/cm2時，噴霧流量僅增至190 mL/min。

隨著噴霧壓力的增加，不同孔徑的各霧化噴頭的霧化粒徑變化均相對穩(wěn)定，其變化均在10 μm以內(nèi)。然而，在相同的噴霧壓力下，霧化噴頭孔徑越大，霧化粒徑越大。如當(dāng)噴霧壓力為50 kg/cm2時，孔徑為0.15 mm的1#霧化噴頭的霧化粒徑僅為23.2 μm，而孔徑0.50 mm的5#霧化噴頭，霧化粒徑則為80.6 μm。

綜上，對于不同孔徑的霧化噴頭，噴霧面積、噴霧流量和霧化粒徑均隨著噴霧壓力的變化而變化，特別是噴霧面積和噴霧流量隨著噴霧壓力的增大變化較為明顯，但是當(dāng)噴霧壓力增加至一定值后，二者增幅明顯變小。因此，在實際應(yīng)用時，應(yīng)當(dāng)基于除臭效果和經(jīng)濟性指標(biāo)，綜合考慮實際噴霧面積、處理區(qū)惡臭氣體組成、濃度等參數(shù)，選擇適宜的霧化噴頭運行參數(shù)。

2.3 雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)在城市污水廠的實際應(yīng)用

以北京某城市污水廠格柵間為例，考察了雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)在運行120 d的時間內(nèi)對硫化氫和氨的去除效果，結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，在120 d內(nèi)，雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)對該城市污水廠格柵間產(chǎn)生的硫化氫和氨具有較好的去除效果。其中，系統(tǒng)噴淋前硫化氫和氨濃度分別為0.27～1.51和0.88～3.97 mg/m3，而經(jīng)系統(tǒng)噴淋后，硫化氫和氨濃度則分別降至0.01～0.11和0.02～0.23 mg/m3，系統(tǒng)對硫化氫和氨的去除率分別為90.54%～97.80%和93.75%～99.42%。與以往研究[21]中的單介質(zhì)霧化噴淋系統(tǒng)相比，雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)對硫化氫和氨的去除率更高，這主要是由于雙介質(zhì)霧化噴淋系統(tǒng)通過氣、液雙介質(zhì)的霧化產(chǎn)生了更加細(xì)微的含除臭菌的霧化顆粒，增加了其與硫化氫和氨等惡臭物質(zhì)的接觸面積，從而提高了惡臭物質(zhì)的吸收和降解效果[22]。

表4 雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)對硫化氫和氨的去除率Table 4 Removal efficiency of hydrogen sulfide and ammonia by the double medium pneumatic atomization spray system

2.4 雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)的投資和運行費用

對雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)的投資和運行費用進(jìn)行了估算，結(jié)果如表5、表6所示。

表5 雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)的投資費用Table 5 Investment costs of the double medium pneumatic atomization spray system 萬元

表6 雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)的運行費用Table 6 Operating costs of the double medium pneumatic atomization spray system

由表5可知，該雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)的投資費用包括設(shè)備工程、電氣工程、噴淋管線及其他費用，共計95萬元。其中，占比最大的為設(shè)備工程費用，占總投資費用的42.11%。由表6可知，系統(tǒng)運行費用包括電費、水費和除臭菌劑費，共計3.62萬元/a。其中，占比最大的是水費，占總運行費用的51.10%。如果城市污水廠有處理后的中水能夠作為噴淋水使用，則系統(tǒng)的用水費用會大大降低。

3 結(jié)論

(1)對于惡臭氣體間歇產(chǎn)生、產(chǎn)生分散且濃度波動相對較大的城市污水廠處理設(shè)施，如格柵間，宜采用雙介質(zhì)氣動霧化噴淋技術(shù)對惡臭氣體進(jìn)行原位處理。

(2)新型雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)是利用氣、液雙介質(zhì)高壓霧化產(chǎn)生的含除臭功能微生物的細(xì)微霧滴的吸收、吸附和生物降解作用實現(xiàn)惡臭氣體的高效處理。噴霧壓力對不同孔徑的霧化噴頭噴霧面積、噴霧流量和霧化粒徑均有一定影響。

(3)將雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)應(yīng)用于北京某城市污水廠格柵間惡臭氣體的處理，取得了較好的效果。系統(tǒng)對硫化氫和氨的去除率分別達(dá)90.54%～97.80%和93.75%～99.42%。新型雙介質(zhì)氣動霧化噴淋系統(tǒng)集加濕、降塵和除臭等功能于一體，適用于不同惡臭污染場所分散點源惡臭氣體的原位處理。