城市污水處理廠主要發(fā)揮削減水污染物、保護(hù)水環(huán)境質(zhì)量的功能，其主要處理構(gòu)筑物包括一級處理（格柵、沉砂池、初沉池等）、二級處理（生物處理、二沉池等）及污泥處理處置單元。各處理單元構(gòu)筑物在削減水污染物的同時，由于厭氧生化反應(yīng)、好氧曝氣、污泥發(fā)酵等過程，不可避免會產(chǎn)生氨氣（NH3）、硫化氫（H2S）、甲硫醇等惡臭污染物，并逸散至空氣中，刺激人的感官并對人體健康造成一定危害。
控制污水處理單元構(gòu)筑物逸散的惡臭污染物的方法主要有物理吸附法、化學(xué)吸收法、化學(xué)氧化法、生物除臭法等。在工程實(shí)踐中，首先需對惡臭氣體進(jìn)行集中收集，然后通過各類方法的組合使氣體中惡臭組分得以去除，達(dá)到惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)后排放。城鎮(zhèn)污水處理廠的惡臭組分包括硫化氫、氨氣等，污水處理廠的進(jìn)水格柵間、曝氣沉砂池、初沉池等上游構(gòu)筑物的氨氣和硫化氫含量相對較高，而下游構(gòu)筑物中相對較少，故惡臭氣體收集與處理的重點(diǎn)應(yīng)置于上游構(gòu)筑物。目前城鎮(zhèn)污水處理廠惡臭治理均采用處理后達(dá)標(biāo)排放的模式，在惡臭削減方面獲得較好效果；但由于惡臭氣體處理后依然存在排放問題，難以完全消除惡臭排放對廠區(qū)及周邊環(huán)境的影響。
為進(jìn)一步削減污水處理單元構(gòu)筑物惡臭氣體的排放量，以紹興污水處理發(fā)展有限公司的曝氣沉砂池為研究對象，在原有除臭工藝的基礎(chǔ)上，提出惡臭氣體封閉循環(huán)處理的“趨零排放”工藝方案，并對除臭工藝進(jìn)行增強(qiáng)改造，以進(jìn)一步降低惡臭氣體及組分排放。該思路對于其他處理單元構(gòu)筑物及同類污水處理廠亦有較大推廣應(yīng)用價值。
1、工程背景
紹興水處理發(fā)展有限公司的生活污水處理量為30×104m3/d，采用曝氣沉砂、A2O、中間沉淀、AO、二次沉淀、氣浮、纖維轉(zhuǎn)盤過濾組合工藝，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）的一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。
該污水處理廠曝氣沉砂池長23m，單格寬3.5m，有效水深2.92m，水平流速0.85m/s，停留時間4min，曝氣量3800m3/h。該單元是污水處理廠惡臭的主要來源。經(jīng)過原有常規(guī)生物洗滌、過濾除臭系統(tǒng)處理后，依然存在惡臭氣體外排問題。為提升廠區(qū)和周圍大氣環(huán)境質(zhì)量，消除生活污水處理工藝散發(fā)惡臭的問題，基于惡臭氣體循環(huán)處理的“趨零排放”思路，將現(xiàn)有常規(guī)生物洗滌、過濾組合除臭系統(tǒng)改造成“趨零排放”除臭系統(tǒng)。在獲得相應(yīng)改造及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，未來可進(jìn)一步將其余涉及惡臭氣體排放單元逐步實(shí)現(xiàn)“趨零排放”模式改造升級，在不大幅增加工程投資的基礎(chǔ)上，改善廠區(qū)及周邊區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量。
2、“趨零排放”改造思路的提出
2.1 原有惡臭氣體處理工藝
該污水處理廠現(xiàn)有多套生物除臭裝置，其中位于生活污水處理系統(tǒng)的曝氣沉砂池除臭系統(tǒng)采用生物除臭工藝，工藝流程如圖1所示。
曝氣沉砂池產(chǎn)生的惡臭氣體經(jīng)收集后由主管輸送至生物洗滌過濾除臭系統(tǒng)上部的進(jìn)氣口，通過霧化噴嘴將水充分霧化后與氣流混合，迅速使待處理的氣體濕度達(dá)到飽和狀態(tài)，在氣體由下而上運(yùn)動時，氣體中的異味分子穿過填料層，與填料表面形成的生物膜充分接觸并氧化、分解，從而達(dá)到除臭目的。由于惡臭氣體經(jīng)現(xiàn)有除臭工藝處理后仍需外排，難以徹底消除惡臭氣體排放對廠區(qū)及周邊環(huán)境的影響，因此，需對曝氣沉砂池的除臭系統(tǒng)工藝進(jìn)行改進(jìn)。
2.2 改造工藝思路
為實(shí)現(xiàn)曝氣沉砂池惡臭氣體“趨零排放”，將曝氣沉砂池排放的惡臭氣體經(jīng)噴淋、生物洗滌、生物過濾組合工藝處理后，再循環(huán)至曝氣沉砂池，與曝氣沉砂池排放的惡臭氣體混合后再進(jìn)一步經(jīng)除臭工藝處理。惡臭氣體經(jīng)閉路循環(huán)處理后，使系統(tǒng)內(nèi)H2S、氨氣不發(fā)生積累并可實(shí)現(xiàn)持續(xù)循環(huán)，大幅降低了外排氣體總量，最終實(shí)現(xiàn)“趨零排放”。改造工藝方案見圖2。
根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，將曝氣沉砂池除臭系統(tǒng)升級改造為“趨零排放”系統(tǒng)，主要工程內(nèi)容包括：循環(huán)抽風(fēng)系統(tǒng)（利舊）、提高池體密閉性能、增設(shè)送風(fēng)回路系統(tǒng)、增設(shè)鐵氧化H2S噴淋吸收裝置、生物除臭主體設(shè)備（更換填料）、氣體平衡裝置（氧氣補(bǔ)給和二氧化碳吸收系統(tǒng)）等。
該系統(tǒng)的核心在于：
①鐵氧化H2S噴淋吸收裝置與生物洗滌、過濾組合強(qiáng)化除臭。為強(qiáng)化循環(huán)惡臭氣體的處理及實(shí)現(xiàn)“趨零排放”，在原系統(tǒng)中生物洗滌、生物過濾組合工藝之前，增加了鐵氧化H2S噴淋裝置，對H2S、NH3的去除率較高，在閉環(huán)系統(tǒng)中不發(fā)生積累。
②系統(tǒng)內(nèi)O2平衡。由于曝氣沉砂池進(jìn)水中有機(jī)物的存在，隨著運(yùn)行時間增加，閉環(huán)系統(tǒng)中會發(fā)生有機(jī)物氧化而使O2含量降低，不僅影響曝氣沉砂池的預(yù)曝氣作用，而且對生物濾池的除臭效果也會產(chǎn)生影響。因此，依據(jù)O2濃度增設(shè)了O2補(bǔ)充平衡裝置。
③CO2吸收裝置。由于曝氣沉砂池進(jìn)水中有機(jī)物的存在，閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的O2會將有機(jī)物氧化為CO2，從而造成CO2在系統(tǒng)內(nèi)的積累。為解決“趨零排放”系統(tǒng)中CO2的積累問題，采用CO2吸收填料塔，以NaOH為吸收劑將系統(tǒng)中產(chǎn)生的CO2去除。
“趨零排放”系統(tǒng)正常運(yùn)行應(yīng)滿足如下3個條件：a.回用氣體以系統(tǒng)進(jìn)、出氣流量相等為前提；b.排氣條件滿足循環(huán)使用要求；c.排氣不影響系統(tǒng)內(nèi)各部件壽命。系統(tǒng)內(nèi)部非金屬材質(zhì)均為玻璃鋼，系統(tǒng)中僅有鼓風(fēng)機(jī)對氣體成分較敏感。鼓風(fēng)機(jī)為304材質(zhì)，根據(jù)API571規(guī)范，304材質(zhì)基本不受H2S腐蝕影響，因此只需保證系統(tǒng)進(jìn)出氣流量吻合即可滿足循環(huán)使用條件。另外，只需通過處理設(shè)施保證進(jìn)入的H2S和NH3被大部分去除，即可滿足系統(tǒng)趨零排放及氣體循環(huán)回用條件。
3、“趨零排放”工藝方案及設(shè)計(jì)
3.1 池體密閉性能改進(jìn)
改造原有曝氣沉砂池密封系統(tǒng)，嚴(yán)密封閉蓋板和池面的接觸縫隙，使其形成封閉空間，確保整個覆蓋密封系統(tǒng)的密閉性，使惡臭氣體不外逸。同時，對密閉空間里產(chǎn)生的臭氣進(jìn)行統(tǒng)一收集，通過風(fēng)機(jī)抽吸，將臭氣吸入輸送管道，經(jīng)管道輸送至除臭系統(tǒng)集中處理。改造后的密封系統(tǒng)使用蓋板進(jìn)行加蓋，同時達(dá)到臭氣封閉不泄漏、景觀性強(qiáng)的視覺效果。
3.2 增設(shè)送風(fēng)回路系統(tǒng)
3.2.1 設(shè)計(jì)說明
整套除臭系統(tǒng)處理風(fēng)量為8000m3/h，其中鼓風(fēng)機(jī)曝氣風(fēng)量為3000m3/h，空間置換為5000m3/h。通過生物除臭系統(tǒng)處理的氣體經(jīng)過氣體平衡裝置、送風(fēng)回路系統(tǒng)，共分成兩路，重新送入曝氣沉砂池，其中一路（風(fēng)量5000m3/h）通過管道直接送回曝氣沉砂池，另一路經(jīng)由過濾裝置后以鼓風(fēng)曝氣形式送入曝氣沉砂池，曝氣沉砂池氣體運(yùn)行路徑形成閉合循環(huán)系統(tǒng)，達(dá)到“趨零排放”目的。
3.2.2 管道設(shè)計(jì)
除臭風(fēng)管選用流體阻力小、機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗老化性能優(yōu)越的玻璃鋼。除臭風(fēng)管風(fēng)量及管徑分布參照《簡明通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊》，支管設(shè)計(jì)流速宜為4~6m/s，次主管設(shè)計(jì)流速宜為6~8m/s，主管設(shè)計(jì)流速宜為8~12m/s。除臭風(fēng)管的壁厚與風(fēng)管口徑設(shè)計(jì)要求：當(dāng)管徑<DN200時，壁厚≥3.0mm；當(dāng)管徑為DN200~DN400時，壁厚≥4.0mm；當(dāng)管徑為DN400~DN630時，壁厚≥5.0mm；當(dāng)管徑為DN630~DN1000時，壁厚≥6.0mm。
3.3 新增鐵氧化除H2S噴淋吸收裝置
鐵氧化除H2S噴淋吸收裝置如圖3所示。
含H2S氣體擴(kuò)散至液相中，HS被Fe3+氧化，生成單質(zhì)硫，脫硫液中的還原態(tài)Fe2+在被空氣氧化后，循環(huán)至吸收段重復(fù)利用；整個反應(yīng)過程金屬離子基本不消耗，H2S最終轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫從體系中分離出去。
反應(yīng)原理及過程如下：
氣相至液相：
H2S氧化過程：
Fe2+氧化再生：
鐵氧化除H2S反應(yīng)液經(jīng)沉淀、脫水后形成含單質(zhì)硫的污泥，與污水處理產(chǎn)生的污泥一并外運(yùn)處置。由于鐵氧化除H2S反應(yīng)液含單質(zhì)硫，可考慮將其回流至脫氮單元用于自養(yǎng)反硝化脫氮電子供體。
鐵氧化除H2S裝置尺寸為Ø1.8m×6.0m，處理風(fēng)量為8000m3/h，填料高度為1.2m，2層，填料有效停留時間為2.75s，空塔流速為0.87m/s，裝置主體材質(zhì)為玻璃鋼，噴淋管件材質(zhì)為UPVC，噴嘴材質(zhì)為PVC。
3.4 CO2吸收裝置
污水處理工藝中CO2的主要來源是曝氣電耗及設(shè)備能耗所導(dǎo)致的間接碳排放，以及有機(jī)物降解產(chǎn)生的直接碳排放，以A2O法為主的直接碳排放可達(dá)0.5024kgCO2/m3。由于曝氣沉砂池的主要功能是去除污水中的無機(jī)砂粒，有機(jī)物平均去除率僅占污水處理工藝的10%左右，按有機(jī)物去除率估算，CO2排放量較低。采用Ca（OH）2或NaOH等堿性物質(zhì)吸收，反應(yīng)方程式：2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O（CO2為少量）。含Na₂CO₃的吸收液可回流至污水處理硝化單元，用于補(bǔ)充硝化消耗的堿度。
對于趨零排放系統(tǒng)中氣體的閉路循環(huán)，需解決產(chǎn)生的CO₂的總量平衡問題，實(shí)現(xiàn)凈化前后氣體體積總量不變。因此，對原有設(shè)備進(jìn)行內(nèi)部改造，在保留生物洗滌和生物過濾的基礎(chǔ)上，對生物除臭設(shè)備的出口端進(jìn)行隔斷，設(shè)置一套獨(dú)立的CO2吸收裝置。CO2吸收裝置的主體材質(zhì)為玻璃鋼，噴淋管件材質(zhì)為PVC，噴嘴材質(zhì)為UPVC。CO2吸收裝置尺寸2000mm×3000mm×5800mm，處理風(fēng)量8000m3/h，填料分兩層，每層高1.2m，填料有效停留時間6.48s，空塔流速0.37m/s，設(shè)有1臺不銹鋼316循環(huán)洗滌泵，流量為20m3/h，揚(yáng)程為250kPa，功率為4.0kW。
3.5 O2平衡裝置
O2補(bǔ)給系統(tǒng)采用氧氣發(fā)生裝置，配套氧氣監(jiān)測儀表及自控系統(tǒng)，在線監(jiān)測“趨零排放”系統(tǒng)中循環(huán)氣體的O2濃度，當(dāng)O2濃度低于進(jìn)氣濃度時，及時補(bǔ)充并達(dá)到正常工作的O2濃度。氧氣發(fā)生裝置主體材質(zhì)為304不銹鋼，供氧能力3.0kg/h，出氣壓力0.03~0.06MPa，氧氣濃度≥90%。
3.6 增設(shè)鼓風(fēng)曝氣裝置
為保證整套系統(tǒng)的氣體動態(tài)平衡，曝氣沉砂池獨(dú)立設(shè)置1套曝氣裝置，主要包括1臺鼓風(fēng)機(jī)和1組過濾裝置。
經(jīng)過生物處理的氣體送回至曝氣沉砂池，其中3000m3/h的氣量以曝氣的形式送入，該部分氣體先經(jīng)由過濾裝置過濾，然后通過鼓風(fēng)機(jī)曝氣重新送回曝氣沉砂池。過濾材料采用過濾效率高、壓力損失低、外形尺寸較小并可拆洗和重復(fù)利用的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。過濾材料的壓力損失小于0.05kPa，可以降低整個系統(tǒng)的能耗及噪聲。
4、“趨零排放”工藝調(diào)試及運(yùn)行
4.1 “趨零排放”系統(tǒng)調(diào)試
①系統(tǒng)調(diào)試起初啟動離心風(fēng)機(jī)，處理后廢氣返回曝氣沉砂池上方，降低廢氣濃度；
②停止原有鼓風(fēng)機(jī)，啟動零排放系統(tǒng)內(nèi)鼓風(fēng)機(jī)，處理后廢氣以回用曝氣形式循環(huán)回用到曝氣沉砂池；
③風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常，鐵氧化除H2S設(shè)備運(yùn)行正常，則進(jìn)入廢氣零排放階段。
調(diào)試過程中，均采用羅茨風(fēng)機(jī)對曝氣沉砂池曝氣，而羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)口則通過管道接至惡臭氣體處理設(shè)備出口，氣體與污水接觸后，H2S、NH3等污染物進(jìn)入氣相，經(jīng)過惡臭氣體處理設(shè)施處理后，繼續(xù)被羅茨風(fēng)機(jī)吸入，使系統(tǒng)內(nèi)氣體循環(huán)使用。整個系統(tǒng)運(yùn)行過程中，無額外氣體進(jìn)入，可實(shí)現(xiàn)惡臭氣體的“趨零排放”。
4.2 “趨零排放”運(yùn)行效果
對2021年5月19日—6月17日調(diào)試期間及6月17日至今穩(wěn)定運(yùn)行期間的系統(tǒng)進(jìn)氣H2S、NH3濃度進(jìn)行檢測及統(tǒng)計(jì)，進(jìn)氣H2S、NH3分別為250~1000、13~106mg/L，平均值分別為674、37mg/L，濃度較高。經(jīng)分析，雖然生活污水排入管網(wǎng)后發(fā)生厭氧反應(yīng)難以產(chǎn)生較高濃度的H2S及NH3，但管網(wǎng)中沉積物（污泥）卻可在厭氧條件下發(fā)酵并產(chǎn)生較高濃度的H2S及NH3。該污水處理廠曝氣沉砂池進(jìn)水中較高濃度的H2S及NH3惡臭組分可能來源于排水管網(wǎng)中沉積物的厭氧發(fā)酵產(chǎn)物，其溯源分析尚需進(jìn)一步研究。
在調(diào)試過程中，鐵氧化除H2S工藝出氣H2S濃度為13~53mg/L，對應(yīng)去除率為92%~95%；NH3濃度為10~35mg/L，對應(yīng)去除率為40%~50%；在穩(wěn)定運(yùn)行期，對H2S的去除率達(dá)到99.9%以上，裝置出氣中有時甚至無法檢出；對NH3的去除率在運(yùn)行穩(wěn)定期無明顯變化。生物除臭單元菌種培養(yǎng)馴化7d后即投入使用。在運(yùn)行初始階段生物除臭單元H2S的出氣濃度為0.5~1.0mg/L，在調(diào)試后期及穩(wěn)定期逐步提升至99%以上，出氣濃度低于0.5mg/L；調(diào)試初始對NH3的去除率一直穩(wěn)定在90%以上，調(diào)試后期及穩(wěn)定期提升至98%以上，出氣濃度為0.3~1.1mg/L。
4.3 改造投資及運(yùn)行成本
惡臭氣體“趨零排放”系統(tǒng)改造投資見表1。
調(diào)試運(yùn)行期間電費(fèi)計(jì)算見表2。
調(diào)試及運(yùn)行期間藥劑費(fèi)用計(jì)算見表3。
生物除臭及CO2吸收系統(tǒng)噴淋水為二沉池出水，不需自來水。填料更換周期為10年，更換一次需43000元，折算為11.9元/d。
總運(yùn)行費(fèi)用=電費(fèi)+藥劑費(fèi)+填料更換及噴淋水費(fèi)用=253.44+328.2+11.9=593.54元/d。
5、結(jié)論
①對生活污水處理工藝曝氣沉砂池惡臭氣體采用鐵氧化除H2S+生物除臭組合工藝，并采用處理后氣體閉路循環(huán)的方式，可實(shí)現(xiàn)惡臭氣體“趨零排放”，該方案有利于進(jìn)一步提升廠區(qū)及周邊空氣環(huán)境質(zhì)量。
②鐵氧化除H2S系統(tǒng)對H2S與NH3的去除率分別穩(wěn)定在92%~95%、40%~50%，生物除臭系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試和掛膜后，對H2S與NH3去除效率都穩(wěn)定在98%以上，但是鐵氧化除H2S系統(tǒng)對NH3去除能力有限，NH3主要集中在生物系統(tǒng)去除。
③經(jīng)調(diào)試期間運(yùn)行成本分析，藥劑費(fèi)、電費(fèi)及填料的綜合成本為593.54元/d。（來源：紹興水處理發(fā)展有限公司，紹興柯橋水務(wù)集團(tuán)有限公司，東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）
