新型双介质气动雾化喷淋系统在城市污水厂恶臭气体处理中的应用

刘建伟，臧娜娜，韩昌福，陈欣玥，冯文韬，鲁晨，孙建斌

1.北京建筑大学，北京市可持续城市排水系统构建与风险控制工程技术研究中心

2.北京大北农科技集团股份有限公司

3.北京建筑大学环境与能源工程学院

近年来，随着城市化进程的加快，国内城市污水厂的建设数量逐年递增。尽管城市污水厂可有效去除污水中的污染物，但是在污水处理过程中由于曝气、机械搅动等原因，硫化氢和氨等恶臭物质易从污水中逸散[1-3]。恶臭物质逸散至大气后可能会刺激人体嗅觉器官，危害人体呼吸系统 、消化系统 、内分泌系统和神经系统等，并对环境造成不利影响[4-7]。因此，有效处理城市污水厂产生的恶臭气体，减少其对人体健康和生态环境的影响，已成为亟待解决的重点问题之一。

对于恶臭气体产生集中、易进行收集的污水处理设施，如调节池、沉砂池和曝气池等，多采用密闭收集-集中处理的方式，并且能够达到较好的除臭效果[8-9]。而对于恶臭气体间歇产生，且产生较为分散的处理设施，如格栅间等[10]，气体集中收集难度较大，不宜直接采用常规密闭收集-集中处理的方式。雾化喷淋技术是一种有效的应用于分散、半开放污染源的恶臭气体原位处理技术，其原理是利用高压作用将除臭菌剂雾化后散布于恶臭产生空间，恶臭物质在雾化雾滴的吸收、吸附等作用下得以去除[11-12]。现有的对于雾化喷淋技术的研究主要集中在气液比、喷淋压力及喷淋介质等参数优化或选择方面[13]。虽然雾化喷淋技术已经在城市污水厂恶臭气体处理中得到一定应用，但常规雾化喷淋技术仍然存在着喷淋介质单一、雾化效果不佳以及对恶臭物质去除效果有限等问题[14]。

作为一种新型喷淋除臭技术，双介质雾化喷淋技术是利用混合后的加压液体和压缩空气2种介质高速冲击喷头顶部，产生的超声波将除臭菌剂破碎成微米级粒径的雾滴，再通过细微雾滴的吸收、吸附等作用实现恶臭物质的高效降解。该技术集加湿、降尘和除臭等功能于一体，具有雾滴粒径小、比表面积大和除臭效果好的优点。笔者构建了双介质气动雾化喷淋系统，对系统运行参数进行了优化，并以城市污水厂格栅间为研究对象，考察其对硫化氢和氨的去除效果，以期为城市污水厂分散点源的恶臭污染控制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 气体采样点

北京某城市污水厂格栅间为非严格密封的半开放式结构，面积约为100 m2，包含2台回转式粗格栅和4台回转式细格栅。恶臭气体采样点设置于距离格栅间粗、细格栅1 m位置处，采样高度距地面1.2 m。采样时间均在13:00—16:00，每个采样点分别采集3个平行样。

1.2 双介质气动雾化喷淋系统

1.2.1 系统结构

构建的双介质气动雾化喷淋系统通过对液体和空气双介质分别进行加压，使2种介质在喷头内混合撞击，形成粒径为2～5 μm的雾滴，通过吸收、吸附和降解作用去除气体中的硫化氢和氨等恶臭物质。系统组成、主要部件及参数分别如图1和表1所示。

图1 双介质气动雾化喷淋系统组成示意Fig.1 Schematic diagram of the double medium pneumatic atomization spray system

表1 双介质气动雾化喷淋系统主要部件及参数Table 1 Main components and parameters of the double medium pneumatic atomization spray system

双介质气动雾化喷淋系统主要由多级过滤、雾化、喷淋和智能控制4个主要单元组成，其中多级过滤单元主要包括多级过滤器和管道式加热器；雾化单元包括增压泵、螺杆空压机、储气罐和空气过滤器；喷淋单元包括加液泵、菌液储存箱和超声雾化喷头；智能控制单元包括可编程控制器和气体传感器。

该系统基于高压空气和液体双介质的混合、冲击和雾化原理，采用全自动智能控制，利用高度雾化、分散的含除臭菌剂细微雾滴的吸收、吸附和降解作用去除恶臭物质。系统集除臭、除尘和加湿功能于一体，除能够高效去除恶臭物质外，还可以与空气进行湿热交换，实现对环境的降温。

1.2.2 系统运行流程

双介质气动雾化喷淋系统的运行流程如图2所示。当智能控制单元监测到恶臭物质浓度超过一定限值时，启动雾化喷淋系统。压缩空气经预处理单元去除颗粒物后经增压泵调节压力，再通过气、液管线输送至超声雾化单元。除臭菌液经多级过滤单元净化后与水在加液泵中混合。经除杂净化的压缩空气和喷淋菌液在超声雾化单元混合、雾化后喷淋至恶臭空间，恶臭物质与雾化菌液接触后经吸收和生物降解等作用得以去除。在智能控制单元的作用下，喷淋系统可以根据恶臭气体的浓度特性，自动调节、控制和优化运行参数，以达到最佳除臭效果。

图2 双介质气动雾化喷淋系统流程Fig.2 Operation flow of the double medium pneumatic atomization spray system

1.3 分析方法

1.3.1 气体分析方法

分别通过分析喷淋雾化系统启动前后的硫化氢和氨浓度来表征系统的除臭性能。其中，硫化氢浓度是通过鼓泡吸收管将气体吸收至氢氧化镉-聚乙烯醇磷酸铵溶液后利用亚甲基蓝分光光度法测定，而氨浓度则是将气体吸收至稀硫酸溶液后利用纳氏试剂分光光度法测定[15]。

1.3.2 数据处理方法

测得数据经Excel 2010软件处理后应用SPSS 22.0软件进行统计分析，再用Origin 2021软件进行作图。

2 结果与讨论

2.1 城市污水厂格栅间恶臭气体的产生特性

对某城市污水厂格栅正常运行及停止运行后1 h，格栅间的硫化氢和氨浓度进行分析，结果见表2。

表2 某城市污水厂格栅间产生的硫化氢和氨浓度Table 2 Concentration of hydrogen sulfide and ammonia produced in screen room in a MSTPmg/m3

由表2可见，该城市污水厂格栅间产生的硫化氢和氨逸散浓度波动较大。在格栅运行时，硫化氢浓度为 0.03～1.58 mg/m3，平均浓度为 (0.23±0.02) mg/m3；氨浓度为 0～5.47 mg/m3，平均浓度为 (3.32±0.24)mg/m3。而格栅停止运行1 h后，硫化氢浓度为0.01～0.18 mg/m3，平均浓度为 (0.04±0.01) mg/m3；氨浓度为 0～0.23 mg/m3，平均浓度为 (0.14±0.02) mg/m3。

可见，该城市污水厂格栅间硫化氢和氨的逸散浓度具有一定差异，这与污水pH，污水中含硫、含氮物质的组成和浓度以及硫化氢和氨的溶解度、挥发性等特性有关[16-17]。与格栅停止运行1 h后相比，在格栅运行期间，硫化氢和氨的平均浓度分别高出5.1倍和22.8倍，这主要是由于格栅运行期间，栅条的强烈搅动作用加速了硫化氢和氨从污水中的释放和逸散[18]。格栅停止运行后，机械搅动导致的恶臭气体逸散作用减弱，但是临时堆存的栅渣也可能造成恶臭气体的逸散[19]。由于城市污水厂格栅间格栅的安装、布置方式以及栅渣的产生和临时存放特点，格栅间产生的恶臭气体不易集中收集，且具有一定的浓度波动，常规的密闭收集-集中处理的处理方式并不适合，因此考虑采用双介质雾化喷淋系统对恶臭气体进行原位处理[19]。

2.2 雾化喷头的选择及运行参数优化

雾化喷头的类型主要包括不锈钢滤网式、不锈钢PE棉过滤式和铜质滤网式等[20]。本研究的双介质气动雾化喷淋系统喷头选取五段式不锈钢滤网式，该类型雾化喷头具有喷雾流量大、覆盖面积大和雾化效果好的特点。不同孔径的雾化喷头，其适用的喷雾压力和喷雾流量均不同，表3列出了不同孔径雾化喷头的喷雾压力范围和喷雾流量范围。

表3 不同孔径雾化喷头的喷雾压力和喷雾流量Table 3 Spraying pressure and spraying flow of spraying nozzles with different apertures

从表3可以看出，雾化喷头的喷雾流量随孔径的增大而有较大幅度的增加。如孔径为0.15 mm的1#雾化喷头，其喷雾流量仅为20～46 mL/min，而孔径为0.50 mm的5#雾化喷头的喷雾流量达130～243 mL/min。

喷雾压力是影响雾化喷头喷雾面积、喷雾流量和雾化粒径的重要参数[20]。对于不同孔径的雾化喷头，其喷雾压力对喷雾面积、喷雾流量和雾化粒径的影响如图3所示。

图3 喷雾压力对不同雾化喷头喷雾面积、喷雾流量和雾化粒径的影响Fig.3 Influence of spraying pressure on spraying area, spraying flow and atomization particle size of different spraying nozzles

由图3可知，对于相同孔径的雾化喷头，喷雾面积随着喷雾压力的增大而增加。但是当喷雾压力增大至一定值后，喷雾面积的增加幅度变小。如1#雾化喷头在喷雾压力为30 kg/cm2时，其喷雾面积仅为0.9 m2；当喷雾压力增至60 kg/cm2时，其喷雾面积为2.8 m2；而当喷雾压力继续增加时，虽然喷雾面积仍随之增大，但增加幅度明显变小；当喷雾压力增加至90 kg/cm2时，喷雾面积仅增加至3.2 m2。

喷雾压力对喷雾流量有较明显的影响。对于相同孔径的雾化喷头，喷雾压力越大，喷雾流量也越大。当喷雾压力增至70 kg/cm2后，喷雾流量增加幅度明显变小。如5#雾化喷头在喷雾压力70 kg/cm2时，喷雾流量为175 mL/min；而当喷雾压力继续增加时，喷雾流量增量明显变小；当喷雾压力增至90 kg/cm2时，喷雾流量仅增至190 mL/min。

随着喷雾压力的增加，不同孔径的各雾化喷头的雾化粒径变化均相对稳定，其变化均在10 μm以内。然而，在相同的喷雾压力下，雾化喷头孔径越大，雾化粒径越大。如当喷雾压力为50 kg/cm2时，孔径为0.15 mm的1#雾化喷头的雾化粒径仅为23.2 μm，而孔径0.50 mm的5#雾化喷头，雾化粒径则为80.6 μm。

综上，对于不同孔径的雾化喷头，喷雾面积、喷雾流量和雾化粒径均随着喷雾压力的变化而变化，特别是喷雾面积和喷雾流量随着喷雾压力的增大变化较为明显，但是当喷雾压力增加至一定值后，二者增幅明显变小。因此，在实际应用时，应当基于除臭效果和经济性指标，综合考虑实际喷雾面积、处理区恶臭气体组成、浓度等参数，选择适宜的雾化喷头运行参数。

2.3 双介质气动雾化喷淋系统在城市污水厂的实际应用

以北京某城市污水厂格栅间为例，考察了双介质气动雾化喷淋系统在运行120 d的时间内对硫化氢和氨的去除效果，结果如表4所示。

从表4可以看出，在120 d内，双介质气动雾化喷淋系统对该城市污水厂格栅间产生的硫化氢和氨具有较好的去除效果。其中，系统喷淋前硫化氢和氨浓度分别为0.27～1.51和0.88～3.97 mg/m3，而经系统喷淋后，硫化氢和氨浓度则分别降至0.01～0.11和0.02～0.23 mg/m3，系统对硫化氢和氨的去除率分别为90.54%～97.80%和93.75%～99.42%。与以往研究[21]中的单介质雾化喷淋系统相比，双介质气动雾化喷淋系统对硫化氢和氨的去除率更高，这主要是由于双介质雾化喷淋系统通过气、液双介质的雾化产生了更加细微的含除臭菌的雾化颗粒，增加了其与硫化氢和氨等恶臭物质的接触面积，从而提高了恶臭物质的吸收和降解效果[22]。

表4 双介质气动雾化喷淋系统对硫化氢和氨的去除率Table 4 Removal efficiency of hydrogen sulfide and ammonia by the double medium pneumatic atomization spray system

2.4 双介质气动雾化喷淋系统的投资和运行费用

对双介质气动雾化喷淋系统的投资和运行费用进行了估算，结果如表5、表6所示。

表5 双介质气动雾化喷淋系统的投资费用Table 5 Investment costs of the double medium pneumatic atomization spray system 万元

表6 双介质气动雾化喷淋系统的运行费用Table 6 Operating costs of the double medium pneumatic atomization spray system

由表5可知，该双介质气动雾化喷淋系统的投资费用包括设备工程、电气工程、喷淋管线及其他费用，共计95万元。其中，占比最大的为设备工程费用，占总投资费用的42.11%。由表6可知，系统运行费用包括电费、水费和除臭菌剂费，共计3.62万元/a。其中，占比最大的是水费，占总运行费用的51.10%。如果城市污水厂有处理后的中水能够作为喷淋水使用，则系统的用水费用会大大降低。

3 结论

(1)对于恶臭气体间歇产生、产生分散且浓度波动相对较大的城市污水厂处理设施，如格栅间，宜采用双介质气动雾化喷淋技术对恶臭气体进行原位处理。

(2)新型双介质气动雾化喷淋系统是利用气、液双介质高压雾化产生的含除臭功能微生物的细微雾滴的吸收、吸附和生物降解作用实现恶臭气体的高效处理。喷雾压力对不同孔径的雾化喷头喷雾面积、喷雾流量和雾化粒径均有一定影响。

(3)将双介质气动雾化喷淋系统应用于北京某城市污水厂格栅间恶臭气体的处理，取得了较好的效果。系统对硫化氢和氨的去除率分别达90.54%～97.80%和93.75%～99.42%。新型双介质气动雾化喷淋系统集加湿、降尘和除臭等功能于一体，适用于不同恶臭污染场所分散点源恶臭气体的原位处理。