城鎮(zhèn)污泥脫水過程伴生惡臭控制技術(shù)研究進(jìn)展

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)

0 引言

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。

1 污泥脫水工藝類型

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。

2 污泥脫水惡臭廢氣特點(diǎn)

2.1 惡臭組成及性質(zhì)

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)

2.2 惡臭污染的形成及影響因素

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%。

3 污泥脫水惡臭控制技術(shù)

3.1 源頭控制

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)。

3.2 末端治理

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。

4 展望

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。