城镇污水处理厂除臭技术研究

赵 韬 王世霞 江霜英

（1、上海理工大学理学院，上海200090 2、同济大学环境科学与工程学院，上海200092）

城镇污水中存在大量不同类型的恶臭污染物，污染物发生相态变化及生化反应转化为恶臭气体，严重影响厂内职工及厂界周边居民的身心健康。国家生态环境部公布的2019 年度环保举报情况统计中，恶臭/异味投诉比例在大气污染举报中高达33.2%；2018 年《恶臭污染物排放标准》编制组向全国各地环境监测单位及第三方检测机构发放问卷调查恶臭污染情况，结果表明，60%的污水处理厂收到恶臭/异味投诉，仅次于垃圾填埋场及垃圾转运站。如何控制臭气，消除恶臭，污水处理行业应引起高度重视。

1 臭气来源和分类

1.1 臭气来源及形成原因

城镇污水处理厂恶臭来源分为污水处理系统和污泥处理系统。不同构筑物中污水与污泥处理工艺的不同，导致产生的臭气类型、臭气量及臭气浓度均存在差异。典型城镇污水厂臭气来源、臭气浓度及波动范围如表1 所示，其中污泥处理系统中臭气浓度是污水处理系统中臭气浓度的2～3 倍。污水处理厂臭气形成原因有两点：

其一是污水中致臭物质发生相态变化，未经处理的污水中存在各种致臭物质，由液相转化为气相，形成臭气，另外在污泥处理过程中，污泥浓缩和污泥脱水流程会释放大量恶臭；

其二是在污水处理过程中，无异味污染物发生各种生化反应转化为恶臭污染物，如长距离输送过程，污水在管道中停留时间过长，好氧微生物消耗水中溶解氧产生厌氧环境，此时厌氧微生物大量繁殖，硫酸盐被还原为H2S，有机物被分解为如醇、醛等中间产物，另外污水流经格栅时，大颗粒漂浮物中含有大量有机物，被格栅拦截造成污染物堆积，发酵产生多种恶臭气体。

1.2 臭气种类

城镇污水处理厂臭气组分复杂，致臭物质种类至今尚未探测完全，早在2001 年C.David Cooper 等[1]对佛罗里达州橙县某污水处理厂检测出污水中27 种致臭化合物；2011 年唐小东等[2]在广州典型污水处理厂检测出合计80 种挥发性有机物（Volatile organic compounds, VOCs），其中54 种VOC 是挥发性恶臭有机物（Malodorous Volatile Organic Compounds, MVOC）；同年刘舒乐等[3]对广州典型城镇污水厂六个处理车间的空气进行采样，检测出70 种VOC，其中30 种属于MVOC。污水处理厂致臭物质大致可分为含硫化合物，含氮化合物、烃类有机物、含氧有机化合物、卤素及其衍生物五大类。

1.3 臭气收集系统

通常在污水除臭流程之前需要先对臭气进行收集以便集中处理。目前国内外城镇污水处理厂关于污水臭气收集之后的除臭工艺研究已经非常丰富成熟，但对臭气收集系统的设计方面重视程度往往不够，从而导致除臭效果不理想，处理装置腐蚀等问题。污水厂臭气收集系统的设计布置应考虑臭气收集管道选型、加盖密封方式、抽风机选型三个因素[4]。

根据所处温度，湿度，耐腐蚀性等环境条件的不同，应对收集管道材质加以选择，对于地上式臭气收集管道，通常选用质量轻、耐腐蚀性强、价格经济的玻璃钢材质；对于地下式臭气收集管道，常常选用多种材料组合使用的方式，如内壁不锈钢与外壁玻璃钢，内壁不锈钢外壁混凝土等。

表1 臭气排放源强

通常污水处理构筑物需加盖密封以防止臭气逃逸。目前在实际工程中应用较多的密封方式包括简易拆卸式、滑轨式、不锈钢+玻璃覆面、大跨度氟碳纤维反吊膜、土建与盖板相结合形式。选择何种加盖密封方式，需根据构筑物类型，运行方式及设备的不同加以考量。如沉砂池中主要设备为搅拌器，选用土建与不锈钢材质的盖板相结合的方式；而曝气池中主要设备为鼓风曝气头和表曝机，选用玻璃钢耐力板材质的滑轨式盖板的方式。

关于抽风机选型，需考虑风量、风机台数、送气方式及抽风机的换气频次4 个因素，抽风机风量Q，风机台数N 通过如下公式计算得出：

Q=Fv

N=V·n/Q

式中F 为抽风机管道横截面积（单位m2），v 为风速（单位m/s），由风机配套风速计自动测量读数得出；V 为场地容积（单位m3），n 为每小时换气次数。送气方式与除臭构筑物的密封性有关。正压送气方式指在除臭设施前端安装抽风机，这种送气方式可能造成气体逃逸，因此对除臭设施的密封性有较高要求，而负压送气方式指在除臭设施后端安装抽风机，将空气从设备间隙收集，对密封性要求较低。风机换气次数根据排放标准要求及装置内臭气浓度确定。

2 物理、化学法

2.1 活性炭吸附法

活性炭吸附法是目前应用最为广泛的物理脱臭方法，其除臭效率比其他物理法高，能够有效地去除吲哚、硫化物等多种物质。活性炭（AC）具有发达的孔隙结构、高比表面积、丰富的表面活性基团，能够对恶臭物质特异性吸附。然而活性炭材料成本较高，吸附容量有限，饱和点难掌握，且恶臭气体的成分、温度、湿度和含尘量等因素对活性炭的吸附能力影响很大。

基于普通的活性炭材料，美国卡尔刚碳素公司研发出新型的催化氧化活性炭专利产品，命名为Centaur[6]。H2S 及含硫有机物被吸附后，发生氧化反应生成H2SO4、少量H2SO3和硫元素，并且在材料吸附容量达到饱和后，通过水洗涤后能继续重复利用。广州市猎德污水厂采用催化型活性炭塔除臭装置对西濠涌泵站除臭系统进行改造，处理风量为1500m3/h，NH3和H2S 的去除率分别为86.7%和97.9%，对臭气浓度的平均去除率为87.4%，达到相应国家标准排放要求[7]。催化型活性炭法的局限性在于其只对H2S 及含硫有机恶臭污染物具有良好去除效果，而对其他致臭物质去除效果一般。

活性炭的另一发展方向是对普通活性炭进行改性，提高其吸附性能。目前有4 种普遍使用的改性方法，包括表面氧化改性、表面还原改性、负载金属改性、微波改性[8]。Shan 等[9]使用HNO3、（NH4）2S2O8、KMnO4分别作为氧化试剂对椰壳基与煤基活性炭改性，改性后的AC 对NH3的吸附容量提升显著。Stavropoulos 等[10]使用尿素等物质作为还原剂，对活性炭材料改性后对苯酚的吸附性能大大提升。高雯雯等[11]使用等体积浸渍法制备负载Mn 的果壳活性炭材料（Mn/Ac），其比表面积相比于未负载前从500.8m2/g 提高至629.8m2/g，对苯酚的去除率是负载前活性炭材料的3.7 倍。王新豪等[12]利用离子液体对活性炭改性后提升了对气象甲苯及二甲苯的吸附能力。

2.2 化学吸收法

化学吸收法，又称化学洗涤法，湿式吸收氧化法等，是结合酸碱中和反应以及氧化反应的原理，利用吸收塔作为反应装置除臭的方法，是化学脱臭法中最为普遍的应用方法。填料塔中循环液流动方式有逆流循环式和错流循环式两类，其中前者更为常用。为保证去除不同类别不同性质的恶臭污染物，常需要采用不少于两个的填料塔串联的方式进行除臭，如图1 为典型的两级化学吸收法除臭流程图：恶臭气体至下向上移动，洗涤药液先从下到上再从上到下循环流动，使两者充分接触反应生成无味物质。

深圳市滨河污水处理厂三期工程处理规模为25×104m3/d，选用威立雅水务公司研发的AQUILAIR○R化学除臭工艺专利技术进行除臭，除臭装置为一个酸洗涤塔加两个碱洗涤塔串联使用，除臭风量为7×104m3/h，除臭效果达《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）废气排放一级标准[13]。

化学吸收法的优势在于具有很强的操作弹性，能通过控制药液投加量与投加速率达到最佳除臭反应条件。其局限性在于：化学吸收法需要加入一系列化学试剂，对污水处理构筑物中如除臭装置、各个管道产生腐蚀现象；强酸或强碱使用时需要考虑操作安全性因素，吸收后产生的废液容易产生二次污染。化学吸收法近几年在实际工程中使用案例较少，然而对于需要提标改造的现有污水处理厂及占地面积较小的新建厂，目前其依然是处理高浓度臭气最直接有效的方法。

2.3 植物液除臭法

图1 典型二级逆流循环式填充塔除臭流程

植物液除臭法指从数百种自然植物中提取出汁液，再进行不同配比形成能与与致臭物质反应的溶液，工作液经喷淋雾化，以保证均匀分散到臭气中，除臭液滴中糖类成分能吸附臭气，单宁、单宁类物质、类黄酮、氨基酸及有机酸能与有机恶臭污染物发生各种类型的反应，将其转化为氮气、水、无机盐等无害物质。其优势在于无毒无害，可直接喷洒于空气中，特别适合无法加盖密封的场所除臭，且无二次污染；局限性在于其处理效果不稳定，耐冲击负荷能力弱，不适用于大气量的除臭。陈双贵[14]对某规模为17×104m3/d 的污水处理厂选用竹提取液除臭，除臭风量为20 100m3/h，处理后气体达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）厂界废气排放三级标准。

3 生物法

3.1 生物滤池除臭法

城镇污水处理厂除臭技术中，当下生物滤池法是实际工程最成熟普遍使用的方法，也是实验优化改造研究的热点。生物滤池主体核心部件是微生物填料层，其不仅为微生物提供生长附着点，同时为微生物提供充足的营养物质保证其活性，包括碳源，微量元素，另外填料层需保持微生物生长环境的相对稳定性，包括湿度、含氧量、pH值。常用填料包括干草、干枯树皮、果壳、碎石、泥炭等具有生物活性的填料。图2 为生物滤池除臭流程图，臭气收集后经过预吸室进行加湿处理，预洗室配备循环槽、喷淋泵、喷淋管，接着恶臭气体自下而上扩散经过填料层被其间微生物代谢分解，净化后气体由排气筒排出。

图2 生物滤池除臭流程

3.2 生物滴滤除臭法

图3 生物滴滤塔除臭流程

生物滴滤法与生物滤池除臭流程类似，最大的区别在于两者填料层的差异性，生物滴滤法采用的是塑料环、沸石、火山岩等人工合成或者天然的惰性材料作为填料，且填料孔隙率比生物滤池高，持水力比生物滤池低，因而生物滴滤法需持续不断喷淋无机营养液以维持微生物的功能活性，增加这一工序后，使得生物滴滤法除臭过程更易把握，能严格操控运行进程，然而额外补充的营养液也使得运行成本增高。图3 为典型生物滴滤塔除臭流程图，可溶性无机盐营养溶液由喷淋泵输送到填料塔塔上方，通过喷淋装置均匀向下移动，再由塔底排入循环槽，恶臭物质从填料塔底部自下而上经过生物填料层，被微生物净化后从塔顶排出。

3.3 洗涤式活性污泥法

洗涤式活性污泥除臭法又称为生物洗涤除臭法。图4 为洗涤式活性污泥法除臭流程图，恶臭气体从洗涤塔底通入塔内向上移动，活性污泥反应器中混合液输送至塔顶部向下喷淋，与恶臭气体逆向接触使其被净化后从塔顶排放；同时，臭气致臭成分与活性污泥悬浮液充分接触混合，由气相转化为液相，形成洗涤液，洗涤液流入活性污泥反应器，活性污泥中微生物分解致臭物质，反应后污水流经沉淀池后沉淀出水，沉淀池中部分污泥回流入活性污泥反应器，对消耗的污泥进行补充。活性污泥反应器往往还需增添曝气设备，并添加水、营养液，其一是为防止活性污泥沉积固化，其二是为微生物提供最佳反应条件[17]。洗涤式活性污泥法的优势在于采取塔型构筑物节省了占地资源，污泥回流减少了物料损失；局限性在于操作较为复杂，且额外添加的营养物增加了运行成本。

3.4 腐殖土活性污泥法

20 世纪80 年代日本研发出腐殖土活性污泥法，其是在普通活性污泥法基础上新增加一个微生物反应培养装置，又称作腐殖土反应器，是决定腐殖土活性污泥法除臭效果的核心装置，其内部填料层为腐殖土以及其他多种物质复合制备出的催化活性材料，同时模拟自然的土壤环境，能够筛选培养出选定功能性微生物菌属[18]。腐殖土活性污泥法除臭流程如图5 所示：腐殖土反应器对活性污泥进行处理后污泥流入曝气池内；污水经过格栅、初沉池等构筑物预处理后到达曝气池，与高活性的污泥充分接触混合，此时微生物高效降解污水中致臭物质；随后污水流入二沉池、消毒池进一步处理后出水；二沉池、污泥浓缩池中部分污泥回流至腐殖土反应装置，循环进行下一轮脱臭流程。污泥回流不仅使反应器内污泥原料得到了补充，提高了除臭效率，同时节省了物料成本。

目前腐殖土活性污泥法除臭已经在日本和韩国有相当数量的实际工程案例[19]，但在国内对该技术的研究及应用较少。

4 除臭技术发展方向

除臭技术的发展涵盖两方面，其一是将传统物理化学除臭机理进行结合，研发出的新型高级氧化除臭法，典型为高能离子除臭法及低温等离子体除臭法；其二是以不小于两种方法串联使用的组合工艺，其中既有传统除臭法间联用，又包括传统除臭法与新型除臭法联用。

4.1 高能离子除臭法

高能离子法源于瑞典，BENTAX 净化器是该法的最为重要的部件，除臭原理分为三部分[20]：其一是依靠化学分解反应，产生离子的器件发射出α 离子，作用于VOCs，打断其化学键，将其氧化分解为CO2和H2O，对H2S、NH3也有同样净化作用；其二是依据物理重力沉降作用，气体分子与离子碰撞，产生荷电聚合作用形成质量大的颗粒物，通过沉降而被收集去除；高能离子除臭法最大优势在于不易产生二次污染，且所需工程投资较少，占地面积小，反应迅速，其局限性在于对低浓度致臭污染物去除效果较好，对高浓度致臭污染物去除效果不是很好。德清新安污水处理厂处理水量为1×104m3/d，除臭风量为2.5×104m3/h，臭气经收集后进入高能离子除臭系统进行去除，处理效果达到恶臭污染物国标二级排放标准[21]。

图4 洗涤式活性污泥法除臭流程

图5 腐殖土活性污泥法除臭流程

4.2 低温等离子体除臭法

低温等离子体指在温度低于103K～105K 时，利用数十到数百纳米的超窄脉宽高压脉冲电晕放电，使空气电解出现不稳定状态的导电性流体，由高能电子、活性氧粒子（·O、·OH 等）、正负离子和中性粒子组成，四种物质整体呈电中性状态，其中前两种物质是等离子体除臭的关键性物质。等离子体除臭原理可分为两部分[22]：

一是高能量电子作用于致臭物质，迅速使得大分子分解成各种小分子；

二是电离产生的活性氧粒子具有强氧化性，恶臭物质与其发生氧化反应，生成低浓度的SO2、SO3、NOX、CO2、H2O 分子，排放到大气中逐步稀释、去除。

等离子体除臭法优点在于能处理较高浓度臭气，能耗小，检修率低，缺点在于当处理气体流量较大时，臭气转化率不高、产物中臭氧等可能造成二次污染问题。苏州市某工业园区污水处理厂规模10×104m3/d，除臭总风量为1.1×104m3/h，采用低温等离子体技术除臭，结果表明，硫化氢去除率为81.3%；氨气去除率为88.1%；甲硫醇去除率为84.4%；臭气浓度去除率为99.5%，处理后的气体符合国家恶臭污染物二级排放标准[23]。

4.3 组合工艺

由于污水处理厂恶臭气体成分的复杂性及各个构筑物产生臭气存在差异性，特别是大型污水处理厂，往往采用单一的除臭方法不能达到理想的除臭效果，因此需要采用不同的除臭方法组合使用。表2 为近年来国内组合工艺除臭工程案例，现阶段最为普遍的是采用生物除臭法+活性炭吸附的方法。其中全过程除臭工艺（CYFF）是一种新型生物除臭专利技术，其核心物件是含组合填料的微生物培养箱，将培养箱先置于生物池中使除臭功能性微生物菌属富集繁殖，培养的活性污泥混合液输送至污水厂进水端，从源头消除污水中致臭污染物。相比于其他生物除臭技术，CYFF 技术优势在于工艺精简，不需要增加其他的臭气收集装置以及臭气处理构筑物，从而节省了占地资源及运行成本[24]。

5 结论

城镇污水处理厂产生的恶臭污染物通过收集及各类除臭技术处理后达标排放，可以有效减少大气污染，改善空气环境质量。污水中致臭物质通过越来越精密的检测手段，种类库存会不断增加，有助于针对性地采取措施消除；随着除臭技术的高速研发改进，相关臭气排放标准规范逐步完善，无疑使得污水厂新建及现有污水厂提标改造时，相关专业技术人员更应综合细致考量影响除臭效率的各种因素，选用最优化的除臭技术并设计出最符合时宜的除臭系统。

污水除臭技术种类较多，目前我国污水处理厂实际应用的除臭技术仍以生物法为主，且从过去采用单一除臭工艺向组合工艺转变。传统除臭方法而言，物理法中的催化及改性活性炭技术是今后的研究重点，以期制备出吸附性及稳定性更优良的活性炭材料；化学法在高效除臭的同时应采取措施尽量避免二次污染。新兴除臭技术中，高级氧化法因其具有能耗小、投资灵活、几乎无二次污染等优点在未来污水除臭领域具有良好的应用前景。

表2 组合工艺除臭案例

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