污水处理厂生物除臭技术及其应用进展

吴见平，靳紫恒，长英夫，张进，江霞

（1四川大学建筑与环境学院，四川成都610065；2西原环保工程(上海)有限公司,上海201204；3四川省科学城天人环保有限公司,四川绵阳621054）

污水处理厂在实际运营过程中会释放大量的恶臭污染物到周围空气中形成恶臭气体，尤其是在预处理工段、生化处理区和污泥处理车间[1-3]。恶臭气体中的污染物对人体健康、经济建设活动和环境质量具有严重危害。首先，大部分恶臭污染物毒性阈值低或嗅觉阈值低，容易使人产生不舒适的感觉和中毒现象，从而不利于开展污水处理厂和其周围的经济建设活动[4]。其次，恶臭污染物排入到大气中后，在光或大气中一些颗粒物的作用下，与其他物质发生反应，从而导致酸雨、灰霾和光化学烟雾等环境问题[4]。因此，在排放前降低污水处理厂的恶臭污染物浓度，使其不影响周围环境和人体健康，是建设环保型污水处理厂的硬性要求，特别是运营环境相对密闭的地下污水处理厂。

恶臭气体净化技术有很多种，按照去除机理可以分为生物法、吸附法、化学洗涤法和低温等离子法等[4-5]。在这些技术中，生物法除臭技术不仅除臭效率高、成本低，而且基本上不产生二次污染。此外，污水处理厂中的恶臭气体具有气量大、恶臭污染物组分复杂和恶臭污染物浓度低的特点[3,6]。随着社会经济的发展，降低运营成本、减少环境影响和减少能耗物耗是污水处理厂发展的必然方向。因此，生物法除臭技术在污水处理厂中的应用对污水处理厂的建设和升级改造具有重要意义。本文综述了生物法除臭技术的种类和应用现状，并据此提出一些关于污水处理厂中生物法除臭技术的应用发展方向，从而为污水处理厂除臭工程的建设和升级改造提供选择。

1 生物法除臭技术

生物法除臭技术除了微生物的生物降解作用以外，还需要吸附、吸收等作用使恶臭污染物进入微生物细胞体内被生物降解。常见的末端生物法除臭技术分为生物过滤法、生物洗涤法和活性污泥扩散法[4,7]，其净化恶臭污染物的过程如图1所示。此外，也出现了一些源头生物除臭技术。

1.1 生物过滤法

生物过滤法除臭技术的关键是生物过滤系统，生物过滤系统的核心是微生物/填料层[7]。其除臭机理为：①微生物附着在填料上形成生物膜，从而构成微生物/填料复合材料；②恶臭气体通过微生物/填料层时，恶臭污染物被微生物/填料复合材料吸附、吸收，然后吸附或吸收的恶臭污染物被微生物降解为基本无害的小分子物质，从而使恶臭气体转变为无臭的气体；③喷淋液通过微生物/填料层时，冲刷降解产物和脱落的生物膜，同时调节微生物/填料层的环境条件，使微生物/填料层保持稳定的除臭效果。根据填料的类型、喷淋液的组成和喷淋方式可以将生物过滤法分为土壤生物法、生物滤池法和生物滴滤池法。

土壤生物法是最早应用于去除空气中恶臭污染物的生物过滤技术，以活性土壤为主要填料，水为喷淋液[7]。活性土壤是天然的微生物/填料复合材料，其中富含有机质、矿物质和微生物。有机质和矿物质能为微生物提供营养物质并且吸附恶臭污染物。采用不同类型的土壤与活性炭颗粒、堆肥等其他类型填料可组合构成复合型土壤滤层。陈敏等[8]将草腐土、珍珠岩和黑炭按照体积比为15∶4∶1混合后，土壤生物过滤系统对养猪场中主要恶臭气体污染物NH3和H2S的去除率高于95%。然而，由于活性土壤滤层空隙率低，微生物聚集体和降解产物难以被冲刷出活性土壤滤层，从而使活性土壤滤层易出现土壤结板、床层堵塞和气流短路等问题。为了保证土壤生物过滤系统正常运行，需要定期松土或更换活性土壤滤层。

图1 末端生物法除臭技术的除臭过程

为了克服土壤生物法的缺点，在二十世纪七八十年代发展出了以土壤生物法为基础的生物滤池法，反应器为生物滤池[7]。早期的生物滤池以木屑、堆肥和废弃生物质等易生物降解的有机物为主要填料，以水为喷淋液。有机填料中的微生物可以用于去除恶臭污染物，并且其中富含微生物生长和繁殖所需的营养物质，可以使微生物迅速地在这些有机填料表面形成生物膜，构成微生物/填料复合材料。填料的类型和配比对生物滤池除臭效率影响很大，填料可以是一种物质，也可以是几种物质组成的混合物，如木屑和堆肥混合物[9-13]。陆日明等[13]采用堆肥分别与树皮、木片、泥炭等按照体积比1∶1混合作为生物滤池的填料，除臭结果表明，以堆肥和树皮组成的混合填料的生物滤池具有更好的除臭效果，对NH3的去除率在90%以上。尽管木屑、堆肥和废弃生物质等有机填料容易获得且成本低廉，但是这些填料在运行过程中会逐渐被降解。生物滤池在运行一段时间后，填料的尺寸由大变小，填料层发生板结和塌陷，从而导致生物滤池的床层压降增加、运行能耗增加、操作难控制和除臭效果不稳定。因此，自从2012年后，生物滤池常使用火山岩、竹炭和活性炭等无机惰性填料。火山岩的比表面积小、硬度大和强度大，通常布置在填料层的底层，起支撑作用。竹炭和活性炭等多孔碳基材料具有发达的比表面积和丰富的官能团，对恶臭污染物具有较高的吸附能力，并且易于在其表面形成大比表面积的生物膜，从而提升生物滤池除臭的稳定性和抗冲击负荷能力。有时为了生物滤池开始运营时的处理效率，常在活性炭等惰性无机填料中加入树皮等废弃生物质填料，使微生物在惰性填料表面快速挂膜。

生物滴滤池法所用的反应器为生物滴滤池，以聚丙烯环、聚氨酯、陶瓷颗粒和火山岩等难生物降解的惰性材料为填料，并且填料不为微生物提供营养物质[14-16]。填料是影响生物滴滤池除臭效果的关键因素，其主要作用是为微生物提供适宜的生长环境，对于不同类型的恶臭气体，填料的选择也不同。通常比表面积大、持水性能和附着性能好、空隙率大、机械强度大和防腐能力强的填料有利于提高单位体积填料的生物量、冲刷降解产物和脱落生物膜以及避免填料层塌陷、床层堵塞、气流短路等，从而可使生物滴滤池能长期稳定地去除恶臭污染物，如合适规模的竹炭作为填料等[17]。单一填料一般难以实现上述所有要求，但是通过组合不同类型的填料可以满足这些要求，例如负载粉末活性炭的海绵填料[18]。由于填料不能为微生物提供所需的营养物质，生物滴滤池的喷淋液含微生物所需养分。此外，喷淋方式为短周期的间歇性喷淋或连续喷淋使除臭的反应条件（pH、营养和温度等）易控制和产物不易积累。最后，通过调节喷淋液的组成和喷淋速率，可以提高生物滴滤池除臭的效率[17]。Arellano等[19]报道了在喷淋液中添加NaOH保持其pH在10左右、空床停留时间为40s时，生物滴滤池对DMDS（二甲基二 硫醚，730mg/m3）和H2S（130mg/m3）的去除率接近100%。Mirmohammadi等[20]发现当空床停留时间不变时，喷淋液的喷淋速率越大，对三乙胺的去除率越高。通常，营养液的喷淋流量与恶臭气体的进气流量比值为1∶10左右[21]。西原环保工程有限公司在浙江某污水处理厂的除臭工程案例中，生物滴滤池的进口H2S浓度在151.8～303.6mg/m3且波动较大，调试初期采用间歇喷淋方式，H2S去除率为90%～95%；当采用连续喷淋后，出口浓度低于1.5mg/m3，满足设计要求。

随着生物过滤技术的发展，生物滤池法和生物滴滤池法所用填料的差异逐渐变小，即通过调节喷淋液组成和喷淋方式可以使箱式生物过滤除臭装置以生物滤池法或生物滴滤池法运行。生物过滤法除臭时，恶臭气体与喷淋液通常以逆流180°接触[7-8,13,22]。西原环保工程有限公司在北京通州碧水地下污水处理厂的除臭工程中，采用以恶臭气体与喷淋液逆流180°接触和顺流0°接触的两个生物滴滤池一体化除臭系统，其中一个生物滴滤池环境调整为弱酸性至中性，确保恶臭气体中不易生物降解的甲硫醇的去除效果。然而，当处理含较高浓度H2S的恶臭气体时，H2S被部分生物氧化为单质硫，单质硫沉积在生物膜中难以被喷淋液冲刷带走，积累的单质硫和过剩的生物膜容易使生物滴滤池出现床层压降增加、气体压力损失增大和除臭性能不稳定等问题[23]。Jiang等[23-24]提出横流式生物滴滤池脱除H2S和NH3，即床层的布水与布气方向的夹角为90°，与传统逆流式生物滴滤池相比，床层的布气和布水更均匀，降解产物和脱落生物膜更容易被冲洗出床层，床层压降明显减小，耐冲击负荷能力增强，运行稳定性大大增加。张书景等[25]采用横流式生物滴滤池脱除含甲苯废气时，也得出了相似的结论。在实际应用中，为了解决传统柱式反应器布水和布气不均匀的问题，四川省科学城天人环保有限公司开发了一体化箱式生物过滤除臭装置，在四川新都某污水处理厂实现了工业化应用（8000m3/h）（图2）。长期运行结果显示：箱式生物过滤除臭装置运行稳定，排放的尾气中H2S浓度低于0.06mg/m3，氨气浓度低于1.5mg/m3，臭气浓度小于20mg/m3，达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918—2002中废气排放二级标准。

图2 箱式生物过滤除臭装置的除臭流程

通过上述可知，生物过滤法除臭技术对污水处理厂中NH3和H2S等易生物降解的恶臭污染物的去除效果较好。然而，污水处理厂中的恶臭气体中存在一些难生物降解的污染物，如氯代有机物等，生物过滤法对其去除效果通常较差[26]。Wang等[27]采用生物过滤法去除1000mg/m3的氯苯时，直接采用生物过滤法去除氯苯的去除率在40%左右，结合臭氧氧化法的去除率在70%以上。可见，对高浓度的难生物降解恶臭污染物，生物过滤法需要结合臭氧氧化和等离子法等物理化学法以实现达标排放。

1.2 生物洗涤法

生物洗涤法利用来自生物曝气池的吸收液（净化后的水和污泥混合液）吸收恶臭气体中的恶臭污染物，含恶臭污染物的吸收液进入曝气池，恶臭污染物被好氧活性污泥降解为CO2、H2O和SO2-4等。生物洗涤法对恶臭污染物的去除率取决于在吸收液对恶臭污染物的吸收效果[4]。李远啸等[28]采用生物洗涤法去除VOCs废气（苯和甲醇的浓度均为3000mg/m3）时，发现对甲醇的去除率为97%，对苯的去除率为55%，而采用清水洗涤对甲苯的去除率只有15%左右。将恶臭气体与吸收液逆流接触、增加吸收液与恶臭气体的流量比、减小吸收液滴直径、向洗涤器加入填料和向吸收液添加生物表面活性剂、硅油和NaOH等化学试剂均可以促进吸收液吸收恶臭污染物[28-31]。

1.3 活性污泥扩散法

1.4 源头生物除臭技术

图3 活性污泥回流除臭系统

活性污泥回流法是指将生物处理池中的好氧活性污泥和二沉池中沉淀分离的污泥回流到污水处理厂入口污水中提高污水中的溶解氧、NO3-含量和除臭微生物的含量（图3），有利于恶臭污染物在入口污水中被生物氧化为无臭或弱臭的物质。此外，回流活性污泥对后续生物处理基本没有影响，还可以降低入口污水中的硫化物含量，从而有助于避免后端生物处理池出现污泥丝状膨胀现象[35]。然而，在运用此技术时需要选择合适的污泥回流比（回流污泥流量与入口污水流量的比值），避免初沉池的运营负荷过载。美国德克萨斯休斯顿城中的两个污水处理厂于1994年采用活性污泥回流法控制恶臭污染，污泥回流比为45%～50%，这两个污水处理厂的恶臭污染问题得到明显改善[39]。2010年，天津凯英科技发展股份有限公司提出全过程除臭工艺，即在生物处理池设置微生物培养箱以富集培养硫氧化菌和硝化菌等除臭微生物，使回流污泥中的除臭微生物含量增加和污泥回流比降低，污泥回流比为2%～10%。此外，微生物培养箱设置在生物处理池，还有助于降低生物处理池中的恶臭污染物浓度，从而实现污水处理全过程减排恶臭污染物。该工艺应用在天津市纪庄子污水处理厂（450000t/d）控制恶臭污染，污泥回流比为2%～6%，运行结果显示，在各重点恶臭污染构筑物的H2S浓度从0.1mg/m3降低至0.01mg/m3[40]。

图4 氨氧化产物回流除臭系统

表1 生物法除臭技术比较

2 生物法除臭技术在污水处理厂中的应用现状

近年来，生物法除臭技术在国内污水处理厂的一些应用案例如表2所示。当前生物法除臭技术在我国应用现状如下。

（1）当采用土壤生物法、生物滤池法、生物滴滤池法和生物洗涤法等末端生物法除臭技术时，通常需要在污水处理段加盖密闭，以便于恶臭气体的收集和输送，从而减少污水处理厂直接排入到大气环境中的恶臭污染物。

（2）土壤生物法在早期修建的污水处理厂中应用较广泛，随着城市用地需求增大，土壤生物法不再适宜大规模应用，生物滤池法和生物滴滤池法成为当前应用最广泛的末端生物法除臭技术。

（3）当单一的末端生物法除臭技术难以满足排放要求时，常采用源头减排法或等离子法、活性炭吸附法等末端物理化学除臭法相结合或多种末端生物法除臭技术结合的工艺作为除臭工艺，尤其是对于化工类污水处理车间或污水处理厂。

表2 近年来生物法除臭技术在国内污水处理厂的一些应用案例

（4）为了降低除臭成本和便于维护管理，通常根据污水处理厂构筑物布局分区域加盖密闭收集恶臭气体和处理恶臭污染物。

（5）为了降低除臭成本和占地面积，结合源头减排生物法除臭技术和末端生物法除臭技术开始在污水处理厂应用。即针对污水处理系统以活性污泥回流法为基础的全过程除臭工艺在新建污水处理厂或污水处理厂升级改造工程中应用，对于污泥处理系统依旧采用末端生物法除臭技术控制恶臭污染。

3 展望

除臭工程作为污水处理厂的一部分，是未来污水处理厂必须配套的处理设施，并且追求占地面积、除臭成本、能量消耗以及污染物排放量更小化。基于生物法除臭技术在我国的应用现状特点，结合污水处理厂除臭工程的发展方向提出以下一些观点。

（1）分区治理当污水处理厂气量较大时，根据污水处理厂的构筑物布置和构筑物周围恶臭气体的特点分区域选择除臭工艺治理污水处理厂的恶臭污染。污水处理厂除臭总体上可分为预处理区域、生物处理区域和污泥处理区域。对于预处理区域和污泥处理区域，恶臭污染物浓度较高且难处理，采用“等离子法+生物滴滤池法”等组合工艺。此外，预处理区域和污泥处理区域根据构筑物的恶臭气体中恶臭污染物浓度和工人工作频率进一步细分，将离子法等前端预处理工艺设备放置在恶臭污染物浓度高和工人工作频率高的构筑物中。对于生物处理区域，恶臭污染物浓度较低，采用生物滴滤池法等单级工艺。分区治理可以使所有除臭单元发挥其最大有效运行负荷，减少多余的处理单元，从而降低除臭能耗、除臭反应器占地面积和除臭成本。

（2）首尾结合将源头减排工艺和末端治理工艺结合，即全过程除臭工艺和生物滴滤池法等末端生物法除臭技术同时应用于污水处理厂。全过程除臭工艺降低入口污水中的恶臭污染物浓度，使其在预处理段由于鼓泡等机械力的作用而直接排入到空气中的恶臭污染物量显著降低，从而降低恶臭气体的收集和输送成本、末端处理气量和处理负荷。生物滴滤池法等末端生物法除臭技术可以进一步降低污水处理厂附近环境中的恶臭气体污染物浓度，使污水处理厂中的恶臭污染对环境的影响最小化。

（3）密闭处理将更多分离性能好的密闭型化工分离装置用于污水处理厂的分离过程中，替代敞开式分离功能的构筑物。例如，密闭式沸腾床分离器和形状聚结器替代曝气沉砂池，密闭式旋流分离器和沸腾床分离器替代污泥浓缩池，分离过程中的恶臭气体可直接通过分离装置与风管连接进入末端恶臭气体生物法处理装置，从而减少加盖工程量，降低除臭成本。

（4）工艺组合末端治理工艺依旧以生物滴滤池法和生物滤池法为主，但是需要通过改进填料、布气、布水方向的设计和喷淋液的组成/方式等提高生物法除臭反应器的去除能力、运行稳定性和抗冲击负荷能力。当恶臭气体中恶臭污染物具有难降解有机物浓度高的特点时，可采用如臭氧氧化、等离子法等技术预处理恶臭污染物，使其变得更容易被生物降解。

（5）生物气溶胶控制生物滴滤池法和生物滤池法除臭过程中会排放生物气溶胶，生物气溶胶中的微生物来源于滤床中填料上的微生物，可能含有多种致病微生物，能够对人体的呼吸道和肺部造成伤害。然而，现有的标准中没有关于污水处理厂控制微生物排放到环境中的指标与限值。因此，在使用生物滴滤池法和生物滤池法除臭技术时，在出气口安装灭菌装置控制生物气溶胶可能是未来污水处理厂升级改造或新建的要求之一。