城市污水處理廠惡臭氣體產生與釋放的影響因素

趙茹涵，楊 慶，武文君，劉潤雨

(北京工業大學環境與能源工程學院，北京 100020)

惡臭氣體是指一切刺激嗅覺感官引起人不愉快及損壞生活環境的氣體物質。根據氣體的組成，污水處理廠產生的惡臭氣體可大致分為：硫化氫(H2S)、氨氣(NH3)等無機化合物以及烷烴、烯烴、芳香烴、鹵代烴、含硫有機物、含氮有機物、含氧有機物等復雜的揮發性有機化合物。

雖然城市污水處理廠排放的大多數氣體不致癌，但是它們在空氣中的存在往往會對人們產生不利影響，如產生頭痛、頭暈、注意力不集中等癥狀。長期吸入會對人的呼吸系統、消化系統、循環系統和神經系統造成一定的危害[1]。因此，隨著城市化進程的推進，城市污水處理廠產生的惡臭問題越來越受到人們的關注。

1 城市污水處理廠惡臭氣體的產生途徑

城市污水處理廠惡臭氣體的產生途徑十分廣泛。它們的主要來源包括：進入污水處理廠的原水在管網中已經形成的惡臭物質，以及在污水處理過程中的厭氧條件下，微生物進行代謝活動形成的新的惡臭物質[2]。此外，一些污水處理中使用的化學藥劑也可能導致惡臭氣體的產生[3]。

1.1 原水中的惡臭化合物

進入城市污水處理廠的原水中通常本身就含有大量的氣味化合物或致臭前體物質。它們在管網中形成，并對城市污水處理廠預處理單元的惡臭產生狀況有著較大的影響。這些化合物主要包括：H2S、人體排泄物產生的NH3等無機物，以及含硫有機物、含氧有機物、芳香烴、鹵代烴等揮發性有機化合物(VOCs)[4]。

圖1 污水處理系統中的主要硫循環Fig.1 Sulfur Cycle in Wastewater Treatment Systems

工業廢水的匯入對管網中的VOCs影響較大，進而對污水處理廠的惡臭現象造成影響。研究表明，諸如精煉廠、化學和電子工廠、噴漆車間等行業是大氣和廢水中VOCs的主要來源[5]。表1總結了一些VOCs的潛在來源。

1.2 微生物作用下生成的惡臭氣體

硫化物對城市污水處理廠的惡臭影響重大，污水處理系統中的主要硫循環過程如圖1所示。污水處理系統中的硫循環主要是硫原子在+6價(硫酸鹽)和-2價(硫化物)之間逐步反應進行的循環[6]。

表1 管網中VOCs的潛在來源Tab.1 Potential Sources of VOCs in Sewer Systems

它主要包括硫酸鹽還原細菌SRB(脫硫弧菌屬、脫硫桿菌屬、脫硫葉菌屬、脫硫微菌屬等)通過異化硫酸鹽還原反應將硫酸鹽還原為硫化物，以及硫單質被還原為硫化物的過程；通常情況下，硫酸鹽和單質硫的還原反應同時發生且相互獨立。此外，硫化物還會通過與氧自發進行化學反應，或者與硫氧化菌SOB(貝式硫菌屬、絲硫菌屬、版硫菌屬等)進行生物反應，從而生成硫或硫酸鹽[7-8]。

不同環境條件下微生物的不同代謝途徑是影響惡臭氣體產生的重要因素之一。例如，在污泥處理階段，雖然污泥中含有大量的蛋白質(>50%)，使得生成H2S和MT的反應底物充足，但是H2S和MT自身存在甲基化作用，可以進一步生成化學性質相對穩定的DMS或者進一步氧化生成DMDS，這就解釋了為什么在污泥處理階段像DMS這樣的VOSCs會成為比H2S更為顯著的惡臭氣體[17]。

1.3 使用化學藥劑產生的惡臭物質

污水處理廠的日常運行離不開化學藥劑的使用，而這些藥劑也可能會導致惡臭的產生。陽離子有機聚合物是強氣味的潛在來源之一。有學者認為，這可能是因為大量的陽離子聚合物會對蛋白質具有包裹作用，使得臭氣具有更多的產生底物[18]；也有學者則認為，陽離子聚合物在降解的過程中會產生有機胺，從而造成魚腥味，這一現象在高pH時，如添加石灰時更明顯[19]。

2 污水處理廠各處理單元惡臭現象的影響因素分析

許多學者研究了污水處理廠中VOCs的分布規律。結果表明，污水處理廠產生VOCs的主要途徑包括：空氣釋放、微生物降解以及吸附[20]。只有那些釋放到空氣中的VOCs才有造成惡臭的可能。而VOCs自身的物化性質，如亨利定律常數、log KOW、分子量、溶解度、沸點等，是決定其命運的關鍵性因素，從而也會對惡臭現象產生影響[21]。

除了VOCs自身的性質外，不同工藝流程的污水處理廠其每個處理單元都有自己獨特的處理方法或參數設置，進入污水處理廠的原水性質也是各有不同，加上各地獨特的氣象條件，這就導致不同污水處理廠以及同一個污水處理廠的不同處理單元所產生惡臭氣體的組分和濃度往往不盡相同。

污水處理廠的處理單元主要包括：格柵、沉砂池、初沉池、生物處理單元、二沉池、污泥濃縮池，以及污泥脫水機房等。不同處理單元的惡臭產生影響因素有很多，下面分別進行分析和總結。

2.1 格柵

(1)格柵自身構造

由于格柵自身構造問題，格柵處易發生紊流。紊流現象的產生會對水中溶解性惡臭氣體產生擾動，從而促進這些氣體的釋放，如圖2所示。

(2)柵前渠道沉砂和格柵柵渣的堆積

格柵處通過機械攔截作用產生的柵渣可能會導致惡臭現象的發生[22]。柵渣的成分極其復雜，其中有機組分的含量普遍較高。特別是在夏季，如果柵渣不能及時清除(包括黏附在格柵上的)，就會使得其中的有機組分發生厭氧發酵，從而造成惡臭。

此外，柵前渠道內流速過小導致沉砂的長時間堆積，也會導致腐敗，造成惡臭現象。

(3)原水水質的影響

進入城市污水處理廠的原水中原本就攜帶一些致臭物質或致臭的前體物質。原水水質對格柵處的臭氣產生狀況有較大的影響。此外，一些水廠進水中如果有來自污泥處理區高濃度酸化污水的回流(如污泥脫水機房的壓濾液)，也可能成為潛在的惡臭源。

圖2 格柵惡臭現象的影響因素Fig.2 Influencing Factors of Odor in the Grille

2.2 沉砂池

(1)工藝參數的設置

平流沉砂池主要依靠調整流速、停留時間來實現無機砂礫的去除。當流速過低時，一些較輕的有機物會隨著無機砂礫一起沉淀下來，從而導致排出物腐化產生惡臭，如圖3所示。

圖3 平流式沉砂池惡臭現象的影響因素Fig.3 Influencing Factors of Odor in Horizontal Flow Grit Chamber

曝氣沉砂池的曝氣作用在去除黏附于沉砂上的有機物的同時也具有強烈的水力擾動作用。曝氣強度過高會加速揮發性惡臭氣體的逸散，導致惡臭現象的產生。

(2)沉砂的堆積

沉砂池去除的砂粒表面附著一定含量的有機組分，尤其是平流式沉砂池，它本身不具備分離砂礫上有機物的能力，使得沉砂中有機物質含量較高[23]。沙礫在砂斗中長時間堆積易造成腐化產生惡臭。

2.3 初沉池

(1)初沉池的自身構造

由于初沉池自身構造的問題，初沉池出水堰處湍流程度較高，湍流的發生會促進溶解性惡臭氣體的釋放。研究發現，初沉池產生的臭氣和可揮發性物質中約有90%來自溢流堰。堰到出水渠水面的落差越大，臭氣和揮發性物質的逸散就越多[24]，如圖4所示。

圖4 初沉池惡臭現象的影響因素Fig.4 Influencing Factors of Odor in Primary Clarifier

(2)污泥以及浮渣的堆積

當初沉池排泥不及時、大量污泥堆積在泥斗中時，易在溶解氧不足的情況下造成污泥的腐化，這一現象在進水負荷過高時尤為明顯[25]。

此外，沉淀池表面的浮渣以及出水堰堆積的有機物也會導致惡臭氣體的產生。

2.4 生物處理工藝

(1)溶解氧水平的影響

溶解氧水平是影響生物處理階段惡臭現象的關鍵性因素。通常情況下，惡臭氣體的產生和厭氧反應關系最為密切。但是，在某些情況下，好氧池中也會有惡臭現象的發生。例如，當進水負荷過高時，好氧池中的曝氣作用反而會促進揮發性惡臭氣體的傳質過程。

(2)空氣擴散裝置的選擇

曝氣池中不同的空氣擴散裝置對溶解性氣體的擾動作用不同，在其他條件相同時，微孔擴散裝置產生的擾動作用最小，而大孔隙的空擴散裝置會加速惡臭氣體的傳質過程。

此外，大多數空氣擴散裝置長時間的使用都會存在堵塞問題，這也有可能造成惡臭狀況的產生。

2.5 二沉池

二沉池惡臭的產生原因和初沉池較為相似。通常情況下，與初始沉淀池相比，二沉池有機氣味的排放量要低得多，不是惡臭的主要產生單元，這主要是由于污泥氧化程度較高[26]。因此，對二沉池不再單獨論述。

2.6 污泥濃縮池

(1)污泥濃縮池的自身構造

污泥濃縮池出水堰槽的擾動作用會促進溶解性惡臭氣體的傳質，造成惡臭的產生。此外，堰槽中也易形成污泥的堆積。特別是，當污泥上浮溢流液中含有大量固體物質時，惡臭現象會更加明顯，如圖5所示。

圖5 污泥濃縮池惡臭現象的影響因素Fig.5 Influencing Factors of Odor in Sludge Thickener

(2)污泥性質決定

二沉池中的剩余污泥相較于初沉池污泥惡臭強度要低得多。如果將2種污泥混合進行濃縮，就會給處于饑餓狀態的微生物菌群(二沉池中)提供過剩的有機物，在缺氧的環境中，易造成惡臭的產生。

(3)污泥停留時間與溶解氧含量的設置

污泥濃縮池中污泥的停留時間和溶解氧含量是影響臭氣釋放的關鍵因素。污泥濃縮池中污泥的停留越長、溶解氧含量越低，厭氧菌在厭氧環境中的活性越強，會加速相關的厭氧反應，從而導致此處的惡臭氣味突出[27]。

2.7 污泥脫水機房

(1)污泥的理化性質

污泥的理化性質是污泥脫水機房中惡臭狀況的決定性因素。如果進入脫水機房的污泥礦化程度高、厭氧菌活性低，污泥釋放惡臭氣體的潛力就較小[28]。污泥中的主要惡臭成分如H2S、有機硫、NH3、有機氮等均可由蛋白質分解產生[29]。據此分析，污泥中的蛋白質含量可能和惡臭氣體的產生存在一定的關聯。此外，污泥的ORP、pH、含水率等性質也會影響惡臭氣體的產生狀況[28,30-31]，如圖6所示。

圖6 污泥脫水機房惡臭現象的影響因素Fig.6 Influencing Factors of Odor in Sludge Dewatering Station

(2)調制藥劑的選擇

污泥脫水階段常常會投加混凝劑來改變污泥的脫水效果。混凝劑及其投加量的選擇也會對惡臭狀況有一定的影響[32]。三價鐵鹽和鋁鹽是污泥脫水階段最常見的無機混凝劑，可在污泥/生物膠體的絮凝結構內通過絡合作用結合不穩定的蛋白質，減少惡臭氣體產生的底物(生物可利用蛋白)，從而減少惡臭氣體(特別是VSCS)[32-33]。

(3)脫水設備的選擇

常用的污泥脫水設備包括：帶式壓濾機、離心脫水機以及板框壓濾機等。不同的脫水設備及其參數設定也會對惡臭氣體的產生造成不同的影響。

據報道，高固相離心脫水機的氣味排放潛力要高于其他脫水設備[32,34]。這是由于在離心脫水的過程中，較高的離心速度和轉矩條件(與之相關的機械因素如轉鼓轉速、速差等)會對生物膠體施加較高的剪切力，從而使污泥絮體被破壞，產生更多的生物可利用蛋白。同時，較大的剪切力也會導致更多的污泥暴露在空氣中，降低了產甲烷菌的活性，從而抑制VOSCS的降解，導致VOSCS的凈產量增加。值得注意的是，雖然離心脫水機有較高的致臭潛能，但它的工作過程往往是全封閉的。帶式脫水機在處理污泥時，污泥基本都是在濾布上敞開的，這會使得帶式脫水機所處的環境更易有惡臭現象的發生[35]。

除了一些傳統的脫水設備，新興脫水設備的使用往往能較大程度地減緩惡臭的產生狀況。Lehtinen等[21]調研了芬蘭2家廢水處理廠，發現B廠由于引進了現代封閉式脫水機，脫水機房臭氣狀況得到了很大的改善。

3 總結

(1)城市污水處理廠惡臭氣體的產生途徑主要包括：進入污水處理廠原水中的惡臭物質釋放；污水處理過程中微生物通過厭氧代謝活動所形成的惡臭物質；污水處理中使用的化學藥劑導致的惡臭氣體。

(2)城市污水處理廠惡臭產生與釋放的主要影響因素包括：污水處理過程中產生的固體物質(如格柵處的柵渣、沉砂池的沉砂、浮渣、腐化污泥等)長時間堆積；構筑物自身結構與功能的影響，如格柵、溢流堰處易發生紊流，對溶解性惡臭氣體造成擾動，導致釋放量增大；污水處理過程中工藝參數的設置不合理，如曝氣池的流速及曝氣強度的影響、初沉池或污泥濃縮池的停留時間過長等。

城市污水處理廠的惡臭問題受到了越來越廣泛的關注，開發更加高效的治理技術具有很大的現實意義。關于臭氣的治理技術可以大致分為末端治理技術和前端調控。目前，大多數污水處理廠都是采用后端治理的方法，即在臭氣產生后將其進行統一的收集后再進行治理。這樣的治理方法雖然處理效率高，但是它往往只能針對某種或某些特定的氣體，且成本較高，具有一定的局限性。而前端調控作為一種通過研究惡臭氣體產生和排放的機理，從根本上減少惡臭現象的方法，往往被水廠運行人員忽略。本文通過對污水處理廠惡臭氣體的產生與釋放原因進行分析，找出影響臭氣產生的因素，從而為臭氣的前端治理提供思路，這也是未來臭氣治理技術的發展方向。例如，為了緩解污泥脫水機房中的惡臭狀況，根據其中惡臭的影響因素，可從以下思路做出調整。(1)調節污泥的性質：在調質過程的同時投加一些化學藥劑抑制惡臭氣體的產生，常用的化學藥劑包括：臭氧、高錳酸鹽和過氧化氫等。(2)合理選擇調制藥劑：綜合考慮調質劑對脫水性能和對惡臭氣體產生兩方面的影響進行選擇。(3)合理選擇處理設備：盡量選用一些密封性好的設備；同時，脫水機停機前，設置足夠的沖洗時間，保證脫水機及周邊的清潔，降低惡臭發生的可能性。