城镇污水处理厂臭气污染与除臭技术研究进展

邹博源，陈 广

(上海城投污水处理有限公司，上海 201203)

随着经济发展与人口城镇化，居民区越来越靠近污水、污泥处理设施，污水处理厂的臭气污染也受到越来越多的关注。城镇污水处理厂散发的多组分、低浓度恶臭化合物具有典型的刺激性异味。长时间处于此类环境中会产生反胃恶心、失眠、头疼、呼吸困难等症状。恶臭污染物通过刺激人的嗅觉神经进而引起人心理和生理的不适，人的年龄、性别、健康状况以及化合物组分、浓度等诸多因素都会对嗅觉刺激的敏感程度产生影响。其不适程度主要取决于受滋扰人群的主观反应即人的感觉，这一点对臭气污染治理评价来说至关重要[1]。

加拿大除臭标准中将臭气污染定义为：干扰或可能干扰人们的舒适、健康、生活或享受活动[2]。我国的国家标准《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—1993)中将恶臭污染物定义为[3]：一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快及损坏生活环境的气体物质。臭气污染投诉在澳大利亚和美国的空气污染投诉中高居第一[4]，在国内大城市中污水处理厂的臭气污染投诉已屡见媒体报道。大规模的投诉派生出更严格的政策法规，对污水处理厂除臭工程的有效性提出了更高的要求。《中华人民共和国大气污染防治法》第五章明确规定生产经营过程中向大气排放恶臭气体的排污单位，必须采取措施防止周围居民区受到污染。上海市颁布的环境保护和建设行动计划中，着重强调污水处理厂臭气治理是解决市民重点关心的环境问题之一，结合城镇污水处理厂提标改造，需进一步强化污水处理设施废气治理。此外，硫化氢等恶臭污染物溶于水后具有腐蚀性，进而对污水处理设备造成严重腐蚀。污水处理厂的臭气治理已是世界性议题，国内外污水厂都面临防腐蚀问题、延长设施设备使用寿命的内部压力以及减少投诉、缓解厂群矛盾的外部压力。

1 城镇污水处理厂臭气来源与排放规律

1.1 臭气来源

在生活污水和工业污水收集和输送过程中，由于污水在无法补充足够溶解氧的管网中长时间停留形成厌氧条件，污水中的碳水化合物、蛋白质、脂肪等物质被厌氧微生物利用进行合成和分解，从而形成恶臭气体向周围区域发散。污水脱离排水管道中的厌氧环境后，进入污水厂的配水区域。水流在经过进水提升泵房时发生剧烈扰动，不断释放原本已溶解在污水中的恶臭污染物。污水在途经格栅和沉砂池时，较大悬浮物会被截留，而其中的有机物在较长的截流停留时间中不断发酵，产生大量恶臭气体(主要以含硫物质为主)。

在厌氧条件下，污水中的厌氧硫还原菌(sulphate reducing bacteria)以硫酸盐为最终电子受体，氧化有机化合物获取能量，将硫酸盐还原成亚硫酸盐和硫化物，进而产生具有异味的硫化氢气体，同时伴随产生硫醇和含硫气态化合物[5]。含硫有机物通过厌氧菌的降解作用形成硫化氢。污水中硫酸盐主要来自食品加工废水和餐饮废水，食用明矾的普遍应用、日常餐饮蔬菜中的植物含硫(0.1%～0.5%)和各种清洁剂中的硫是污水中无机硫酸根与有机硫酸根的来源[6-7]。水厂广泛使用硫酸铝作为混凝剂也是生活污水中硫酸根的重要来源之一。

污水中的有机氮在厌氧环境下转化为氨氮。在有机物降解过程中不断生成脂肪酸等酸性物质，将氨大量转化为不可挥发的铵离子。随着脂肪酸等有机物不断被分解成二氧化碳和水，氨最终主要以碳酸氢铵的形式存在。碳酸氢铵的热稳定性极差，易发生热分解，而从水中溢出的氨气释放出强烈的刺激性异味，且随温度上升越不稳定。

污泥处理过程需较长的停留时间，易形成厌氧环境，进而引起恶臭污染物从污泥有机物中产生并释放。污泥处理臭气排放源主要集中在污泥脱水机房、污泥料仓和污泥干化区域。污泥干化过程中产生的恶臭气体为非常温气体，随着温度的升高、污泥含水率的降低，污泥中的各类有机及无机物会发生分解挥发。污泥干化初始加温后的短时间内，低熔点和低沸点的大量硫化氢受热分解释放[8-12]。在污泥干化过程中，碳水化合物分解生成的二氧化碳等酸性物质与溶于水的氨反应生成碳酸氢铵，继而被分解成氨气释放。

1.2 排放规律

影响污水厂恶臭物质产生的因素有很多，进水浓度、处理工艺、水温、水中酸碱值及降雨都可能影响污水厂内不同建构筑物所排放的恶臭污染物浓度值。污水处理规模较大的污水厂比规模较小的污水厂恶臭现象更为明显，污水厂内部构筑物在密闭状态下浓度明显更高[13]。恶臭物质的排放随着污水生物处理过程的延伸而有所缓和，好氧池由于溶解氧较高，部分恶臭污染物被氧化，其排放浓度显著低于预处理区域。但是，在污泥的处理处置过程中，由于有机负荷率升高，臭气污染更严重。

曝气沉砂池、粗格栅、污泥浓缩池和污泥脱水区域硫化氢和氨气的排放浓度存在夏、秋高而冬、春低的明显的季节变化特征。雨天，污水厂恶臭物质的浓度明显较低，降雨带来的污染物稀释和溶解氧浓度提高是浓度降低的主要原因[14-15]。污水中酸碱值的变化也是影响排放规律的重要因素[1]，在pH降低至酸性时，氨气在水中的溶解度高且不易挥发、硫化氢和硫醇类化合物溶解度很低但较易挥发。当pH升高至碱性时，氨气变得容易挥发而硫化氢和硫醇类化合物不易挥发。与污水进水和预处理区域相比，污泥处理区域由于有机负荷较高，其恶臭气体排放规律受到季节变换与降雨等因素的影响较小。

污泥脱水机房的恶臭污染物浓度以料斗口中心最高，并向周边不断递减[16]。离心脱水工艺建(构)筑物内的恶臭污染物浓度大幅低于板框压滤工艺，在污泥干化过程中，随着温度的升高，硫化氢和氨气的释放量不断增加。污泥干化存储环境的变化对硫化氢的生成有直接影响，空气中微生物活动更活跃，致使硫化氢排放量显著高于氮气环境[8-12]。污泥干化过程中，氨的释放量随干化温度的升高而增加，在220 ℃时增加显著。当含水率降至45%～80%时，不同干化温度下污泥氨的单位释放量均随含水率减小而明显升高；当含水率小于45%时，不同干化温度下氨释放量不再随含水率减小而升高。污泥含水率与干化温度直接影响污泥干化过程中VOCs的产生。当温度低于140 ℃时，VOCs排放量随干化温度的升高而增加；当温度高于140 ℃时，则随温度的升高而减少。

2 城镇污水处理厂恶臭评价与除臭标准

2.1 现行恶臭评价方法

臭气污染先给人以感官不悦的心理刺激，可通过4个指标衡量，分别是恶臭阈值、臭气浓度、臭气强度以及阈稀释倍数[17-18]。全世界最普及的恶臭测定方法是仪器分析法与官能测定法。表1总结对比了2种测定方法的特性。仪器分析法测得的数据精确性高，能作为追踪污染源的重要依据。官能测定法则体现了臭气污染对人体感官的直接影响，可用于对臭气进行综合治理效果的评价。只有两者有效的结合才能避免恶臭污染物排放浓度达标，而周边社区居民却无法接受的尴尬境地[17]。

目前，污水厂除臭工程使用的臭气电子鼻仪器为国外进口产品，在实际检测中存在诸多不便。应用过程中，参数配置繁琐、维修保养困难，无法对多个监控区域进行大数据收集、统计、建模；对污染区域提供的预警信息也不够准确或过于敏感。因此，以人工嗅辨结果作为检测仪器标准，开发复合恶臭气体检测系统，实现对恶臭污染物精准与稳定的在线自动监测是未来恶臭评价研究的重要方向。

表1 对比仪器分析法与官能测定法[17-18]Tab.1 Comparison between Methods of Instrumental and Human Sensory Analysis[17-18]

2.2 世界各国除臭标准比较

目前，国内城镇污水厂正在使用的除臭排放标准有《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—1993)、《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)，更严格的地方性标准有上海市《城镇污水处理厂大气污染物排放标准》(DB 31/982—2016)。表2总结对比了欧美、亚洲与我国的除臭标准特点，亚洲邻国与我国均是人口集中、污染密集的地区，因此，具有更高的借鉴价值。我国现在执行的厂界标准限值已达到国际水平，与亚洲邻国相比，主要差异体现在监测项目中涵盖的VOCs种类较少[19]。美国是全世界较早致力于制定除臭标准的国家，但没有统一的联邦标准,各州根据本地区具体情况制定灵活而实际的除臭标准[20]。我国可参考美国除臭标准的制定，由各地根据自身实际情况制定地方标准针对性限制VOCs排放浓度。

表2中国标的污染物浓度数值引自《恶臭污染物排放标准(征求意见稿)》，氨和硫醇厂界无组织排放浓度指标已严于欧美、日韩国标与上海地标，硫化氢则高于日韩国标与上海地标，略低于美国康涅狄格州标准，臭气浓度为20，高于表2内所有其他标准。《恶臭污染物排放标准(征求意见稿)》编制说明中指出，根据受控物质排放浓度与臭气强度的对应关系，计算每种受控恶臭污染物臭气强度1级(气味似有似无)时对应的浓度值。尽管此次国标浓度排放限制更新中包含了臭气强度因素，但与国外监管标准相比，仍显得不够立体。建议增加投诉标准、排污单位厂区内部环境空气质量、发生频率、持续时间等因素，完善总体评价体系。

表2 国内外除臭标准特点比较Tab.2 Characteristics Comparison of Deodorization Standards at Home and Abroard

注：a为《康涅狄格州异味控制环境标准》；b为《日本异味控制标准》；c为《恶臭污染物排放标准(征求意见稿)》；d为《城镇污水处理厂大气污染物排放标准》(DB 31/982—2016)

3 城镇污水处理厂除臭技术与工艺运行

3.1 除臭技术比较

3.1.1 臭气源抑制技术

臭气源抑制技术是向排水管线内投加硝酸盐等化学药剂破坏厌氧环境或氢氧化镁等碱性物质沉淀硫离子，进而抑制恶臭污染物的产生。由于成本较高，目前尚未大规模应用。

污泥低温干化过程中添加碱将大幅减少含硫气体的排放，碱能促进热稳定性差的脂肪族和芳香族硫化物氧化为稳定的亚砜和砜类，从而抑制产生硫化氢等含硫气体。醋酸盐的投加可抑制污泥干化过程中蛋白质氮的分解，热解过程中释放丙酮和氨气，生成酮亚胺并发生缩聚作用，形成胺类将氨固定[8]。与纯污泥干化相比，掺加10% 重量比的氧化钙污泥，在200 ℃的干化温度下，硫化氢和氨的释放量明显大幅减少[9]。

3.1.2 臭气源收集技术

臭气源收集处理技术即对污水厂内部恶臭气体进行封闭收集、传输与净化处理，主要包括构筑物上的集气罩、输送臭气的风机和连接集气罩与处理系统的管道。风机的选取根据输送气体的性质和风量范围进行确定，换气量决定除臭工艺的处理效果和成本。恶臭物质含有一定的腐蚀性，在输送过程中由于压缩作用易产生水珠，因此，风机的防腐性和除湿也需纳入设计考量。1985年，美国联邦环保局(EPA)发布污水处理系统臭气与腐蚀控制的设计手册[21]，可见腐蚀是臭气治理的共生问题。国内重视程度明显不够，需针对恶臭污染物带来的腐蚀问题尽快完善相关设计标准与运行规范。

3.1.3 臭气污染净化技术

臭气污染的净化技术有：物理法(掩蔽法、稀释扩散法)、燃烧法(直接燃烧法、催化燃烧法)、洗涤法(酸碱液洗涤法、植物洗涤法、清水洗涤法)、吸附法(活性炭等)、化学氧化法(臭氧氧化法、催化氧化法)、离子体法、生物法(生物过滤法、生物滴滤法、生物洗涤法)等[22]。

掩蔽法是在臭气源设施周围喷洒芳香药剂掩蔽或调和恶臭的感官气味，由于排放浓度和大气条件的不断变化，除臭效果并不明显。稀释扩散法是以干净的空气将恶臭气体稀释，从而减少臭气干扰。燃烧法是将恶臭物质高温氧化为无臭无害的二氧化碳和水，可分为直接燃烧和催化燃烧，由于能源消耗较高还未大规模推广。洗涤法是利用气液接触，使气相中的致臭成分转移至液相，洗涤液中的化学药剂或植物提取液与其发生酸碱中和等化学反应，从而去除恶臭分子。氨类恶臭物质极易溶于水，因此，清水洗涤法在污水厂和输送泵站中已获得广泛应用。颗粒活性炭作为吸附法主体与污染物质进行物理结合或化学反应。化学氧化法是采用强氧化剂如臭氧、次氯酸盐等氧化恶臭物质,从而去除异味的方法。离子体法是通过高压脉冲放电获取等离子体中的活性粒子对污染物中的致臭有机分子进行直接分解去除。生物法除臭是利用在固体填料上生长的微生物群落，在常温常压下对中低浓度恶臭气体中的致臭成分进行生物降解，转化为嗅阈值较高的低臭成分。不同技术之间的处理效果与投资运行成本差异较大，表3总结了污水厂主流除臭工艺的经济技术特点[23]。

图1 生物处理法除臭工艺简图[23-24] (a) 生物过滤法；(b) 生物滴滤法；(c)生物洗涤法；(d) 化学吸收法(化学洗涤法)Fig.1 Diagram for Biological Deodorization Process[23-24] (a) Biofilter；(b) Biotrickling Filter；(c) Bioscrubber；(d) Chemical Deodorization Process (Chemical Scrubber)

表3 不同除臭工艺特点比较[23]Tab.3 Characteristics Comparison of Different Deodorization Processes[23]

生物法优点主要体现在处理有效性较高，总体能耗与运行维护费用较低，不易出现二次污染和跨介质污染转移的问题[24]。单一除臭技术的应用已无法满足越来越严格的除臭标准，因此，采用多种技术串联，拥有更高去除效率的组合工艺成为合理趋势。根据污水厂内污水臭气排放浓度低、气量大，以及污泥臭气排放浓度高、气量大的特点，污水和污泥采用不同的除臭工艺组合，以化学氧化与酸碱吸收为预处理，将高浓度、多组分的恶臭物质降解为中低浓度，后利用单组或多组生物处理装置对恶臭物质进行净化处理。若经生物处理后的排放浓度仍未达标，后续启动吸附等辅助工艺对尾气进行最终处置。图1展示了除臭技术中生物法与化学吸收法的工艺简图[25]。

3.2 除臭工艺运行

恶臭污染物的密封及收集效率是除臭工程良好运行的关键因素。臭气收集系统内应保持微负压，确保输送过程中无泄露。在实际运行中，污水与污泥的臭气处理负荷有较大差别。随着进气浓度与进气气量变化而发生的处理负荷变化直接影响着后续的除臭工艺运行效果，不同的流速直接决定了后续处理工艺的停留时间[23]。在确认进气气量的前提下，循环水的喷淋水量与喷淋频率影响着臭气气体溶解于液体的气液传质速率。氨气比硫化氢更易溶于水,在增加湿度后，大部分氨气通过溶解特性去除，去除率高于硫化氢。甲硫醇不溶于水，仅能依靠生物填料的吸附以及气态条件下微生物降解的联合作用去除[26]，较低的生物去除率必须配合辅助工艺加以处理。通常生物滤池的填料湿度控制在40%～60%[27]；通过保持适当的填料含水率，控制微生物新陈代谢过程中多余热量的释放。

微生物的活性直接影响生物除臭的整体效率，调控生物反应器的运行参数使之符合不同环境下微生物生长与代谢的条件，直接决定了最终处理效果。运行过程中，循环水pH值通常控制在6～8。在低pH条件下，嗜酸性硫细菌的活性更强，对硫化物的去除能力更高,并已在除硫生物滤池中得到应用。温度是影响微生物活性的重要因素，微生物进行好氧呼吸的温度范围相对较大(15～35 ℃)。冬季运行时，可通过对收集气体进行加热增温处理或提高循环水水温等方法保持微生物活性。对于低浓度的臭气来源，直接使用生物法处置达标，避免进入预处理和后续辅助工艺段，降低运行成本。将含有除臭微生物的除臭污泥投加到污水预处理、污泥料仓等臭气污染严重区域，实现对恶臭物质的源头削减和过程控制。

在除臭工程运行中，采用自动控制技术实施管理，对不同工艺段的设备参数、运行参数实现通讯连接。对设备进行监视，及时采集故障信号，向中控室反馈。针对不同工况，设置循环水温度、pH、喷淋水量与频次的自动调节功能，实时更新除臭系统的运行管理[28]。除臭设备设施检修需配合相关污水污泥设备设施的检修计划，应根据污水厂总体运行情况进行合理规划、有效分配检修时间，减少除臭设备正常检修对恶臭污染物去除的影响。通过定期组织设备管理人员和工艺运行人员对设备运行情况进行分析小结，提高对设备异常状态的警觉和重视程度，确保设备正常可持续运行，实现零故障[29]。生物法中使用的填料为培养持续有效的除臭微生物提供了基础，作为增加微生物活性的核心设备对整体除臭效果至关重要。优化现有填料配方，开发除臭核心设备的微生物培养箱是除臭工程设备管理的重要方向。

4 总结与展望

城镇污水处理厂除臭工程的高效运行是为周边民众提供良好居住环境，保证运行人员健康的重要途径。臭气污染的有效治理可大幅降低污水处理厂的腐蚀问题，是延长设施设备使用寿命、降低成本的重要环节。根据进水浓度、温度变化等不同影响因素下的污水厂自身臭气排放规律，针对污水和污泥处理工段，因地制宜采用不同工艺组合，定制各自专属的除臭工程设计与运行方案。通过以生物法为主与其他处理工艺为辅的工艺组合，可有效处理硫化氢、氨气、甲硫醇，VOCs和臭气浓度等恶臭污染物。对除臭工艺运行实施精细化管理，不断调整完善工艺运行状态、加强设备管理，结合仪器分析法与官能测定法开发复合恶臭气体监测系统，共同确认最终除臭效果。