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            污水處理系統中的脫臭技術

            點擊次數:更新時間:2015-06-16 13:06:22【打印】【關閉】

            ??? 1 前言 ??? 城市惡臭主要產生于工農業生產,市政污水,污泥處理以及垃圾處置過程,其危害是影響人們身心健康和環境質量,其已被國家列入廢氣污染治理

                1 前言
                城市惡臭主要產生于工農業生產,市政污水,污泥處理以及垃圾處置過程,其危害是影響人們身心健康和環境質量,其已被國家列入廢氣污染治理的一部分。以往的城市污水、廢物處理廠地處人員稀少的郊外,我們的感覺不是很明顯,近幾年由于城市界域的不斷擴大,它們已經離我們越來越近。同時人們對城市生活工作的環境質量要求也越來越高。為了提高污水處理場和周邊的環境衛生質量,我們必須要對臭氣進行有效處理。
                2 污水處理中的臭氣成分及來源
                污水處理廠的臭氣成分復雜多變,主要由氨、硫化氫和甲醇等組成。大致可分成5類:
                一、含硫的化合物,如H2S、硫醇類、硫醚類;
                二、含氯的化合物.如胺類、酰胺、吲哚類;
                三、鹵素及衍生物,如氯氣、鹵代烴;
                四、烴類,如烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴;
                五、含氧的有機物,如醇、酚、醛、酮、有機酸等【1】。其中無機物有H2S、NH3等,絕大多數惡臭氣體產生原物質為有機物質【2】,這些物質對人體健康危害較大。德國工程師協會對城市污水廠各個部分的氣味擴散進行了調查【3】,(見表1)從結果可以看到污水處理系統的惡臭主要來自于系統中處理與收集過程中微生物的還原性代謝產物。主要排放點為處理裝置、泵房、地下裝置的人孔和通風處等。


            工序部位
            氣味值
            波動范圍
            工序部位
            氣味值
            波動范圍
            進水
            45
            25~
            初沉污泥提升
            85
            74~105
            格柵
            85
            32~136
            二沉污泥提升
            45
            26~82
            曝氣沉砂池
            60
            30~90
            生污泥存放
            200
            30~800
            初沉池
            60
            29~84
            消化污泥存放
            80
            35~240
            二沉池
            30
            12~50
            機械污泥脫水室
            400
            50~770
            高負荷曝氣池
            60
            33~84
            污泥脫濾液
             
            3300~95500

             

            表1 城市污水處理廠的部分工序氣味值和波動范圍

                3 惡臭治理技術及其缺點
                發達國家在臭氣污染,特別是對污水處理廠惡臭污染的研究和治理等方面起步較早,經驗較豐富,其中以美國、德國和日本的成果最為顯著。我國對惡臭污染的研究起步比較晚.參考日本的經驗,于1993年制定了惡臭污染物排放標準。包括臭氣濃度及三甲胺、硫化氫、甲硫酸、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳、苯乙烯8種單一惡臭物質的廠界標準及排放際準,目前并未被人們所普遍重視?,F行的惡臭處理法從脫除的原理上大致可以概括成物理法、化學法和生物處理三種類型【4】。
                3.1物理脫臭法
                物理脫臭法處理通常作為脫臭處理工藝的前處理。對于含有可溶性成分多的臭氣一般可以臭氣凝縮法,從經濟上比較適合我國國情,但是其應用局限性大,一般很少采用。物理法中常用的效果比較好是大氣稀釋法和吸附法。
                大氣稀釋擴散法【5】是將惡臭氣體由煙囪排向大氣,通過大氣的稀釋擴散以及氧化反應使其濃度降低,以保證下風向和臭氣發生源附近工作和生活的人不受惡臭的危害。此法主要適用于臭氣濃度比較低的工業有組織排放源的惡臭處理。大氣稀釋法受當地氣象條件和地形條件影響較大,另外對煙囪高度也有一定的要求,以保證受控點惡臭物質濃度不超過環境標準。
                吸附脫臭法【6】是使得惡臭氣體通過吸附劑填充層而被吸附去除的方法,常用的吸附劑一般為活性炭、硅藻土、以及陶瓷碎片等。有時也根據吸附氣體成分的特殊性使用添加藥劑的吸附填料。在吸附脫臭法中較常用的方法是活性炭吸附法?;钚蕴课椒ǚ譃榉窃偕秃驮偕?。利用活性炭(Activated Carbon,AC)優良的吸附能力,可以很高效地吸附臭氣中的硫醇、酚等構成成分,特別的對于濃度低的臭氣更有效。對于濃度高的工廠的臭氣,一般使用能夠現場再生的裝置。也就是說在除臭裝置中加入再生裝置。圖1是塔式蒸汽再生。在這個裝置中,蒸汽發生裝置、脫除臭氣的蒸汽凝縮裝置及其儲留槽等是必需裝置。為防止活性碳顆粒校粉塵等堵塞,在氣體流入吸附床層前,應先經過預凈化設備【7】。吸附脫臭法工藝成熟,既能達到凈化的目的,又能回收有用物質。一般的活性炭吸附均采用固定床吸附,其維護管理比較簡單并且處理效率也高。但是其交換再生周期受氣體的種類、數量、溫度、水分的變動影響較大,很難確保。例如處理高濃度的臭氣,活性炭層會很快的被透過而失效,另外,填充吸附層內容易堵塞,易腐蝕設備,在經濟上是不適用的。
                3.2化學法
                化學脫臭法主要是利用化學藥劑或化學方法與惡臭物質成分起反應生成無臭物質而達到脫臭目的的方法。因為惡臭物質成分大多呈現酸性或堿性,因此比較行之有效的方法是用氫氧化鈉、碳酸鈉、硫酸、鹽酸等酸堿中和反應脫臭,其中水洗法僅對水溶性的惡臭物質有效,存在二次污染問題,一般只作為預處理手段,所以現行各國處理工藝中大多采用濕法化學吸收法、燃燒處理法【8】。
                濕法化學吸收法【9】是發展最成熟應用最普遍的惡臭脫除方法之一,其中塔式吸收是多年經驗發展的主導趨勢。常用的濕法化學吸收塔有三種:填料塔、噴霧塔和文丘里洗滌塔?;瘜W吸收法其基本原理是:通過噴淋式或填料式吸收塔將惡臭氣體捕捉到液體中,附著于顆粒物質上的臭氣分子通過濕法吸收氧化后被從空氣中去除,惡臭氣體和藥液中的乳化試劑反應從溶液中去除,也可和強氧化劑反應生成溶于水的無臭物質吸收去除。
                使用濕法化學吸收除臭,影響脫除效果的重要因素是惡臭氣體的成分和吸收劑的選取以及接觸過程中速率。常用的吸收液可以是清水、化學試劑溶液(酸、堿)、強氧化劑溶液或是有機溶劑,鑒于污水污泥處理設施產生的臭氣特點,吸收液的選擇主要針對氨氣和硫化氫及有機硫化物,所以藥液一般選用是強堿、次氯酸鈉和硫酸的溶液。氣—液傳質接觸一般采用兩相同流、逆流、交流,水平式氣液接觸方式。同時嚴格控制過程中的氣液比以及氣體通過的線速度,保證接觸時間。這種方法具有反應速度快、反應溫度低、安全高效、運行可靠、占地相對最小等優點。適于排放量大、高濃度的臭氣排放場合,如污泥穩定、干化處理和焚燒過程所產生的惡臭處理等。同時當惡臭氣流中成分比較復雜時,通常需采用多級吸收系統。讓惡臭氣體漸次通過裝有不同性能藥液的接觸塔,最后再經過除霧裝置后,直接排放或與干凈空氣混合稀釋后排放到大氣中去。這樣的兩級或三級吸收系統,可以廣泛地除去多種惡臭氣體,并達到很高的去除效率,同時也可以通過調節加藥量和溶液的循環流量調節來適應氣流量和濃度的變化,因此濕法化學吸收除臭具有較強的操作彈性。這種臭氣脫除裝置在市政設施如污水處理廠的污泥脫水過程中被廣泛的應用。
                濕式吸收氧化法也有它的缺點,如酸、堿吸收法都需要對吸收后產生的廢液進行處理,需要消耗大量的水、化學溶液、電力,排放氣體中夾帶殘留的氯化物等。日本大多數污水處理廠以前普遍選擇的除臭方法之一就是是用酸、堿和次氯酸鈉除臭的化學吸收法,(另一種是用活性碳除臭的吸附法)由于強酸或強堿使用時不夠安全、化學物質再生的費用不斷上升,近年來已較少采用。但是我們應當看到在未來相當一段時期內,其仍將是惡臭控制技術的主流,特別是針對老廠的改造和有土地局限性的新建廠的除惡臭更俱優勢。
                燃燒除臭法是利用高溫熱解惡臭氣體的方法。分為直接高溫燃燒法和催化低溫燃燒法
            一般的直接燃燒處理程序 [圖5] 。臭氣用熱交換機換熱后導入脫臭爐,脫臭爐內的溫度通常設定在650~800oC左右,接觸時間為0.3~0.5秒。爐內溫度應盡量均勻是很重要的。溫度分布不均將造成臭氣脫除效率低下。脫臭爐排放的尾氣預熱交換機以及廢熱回收交換機回收廢熱后大氣排放。這種方式在具有廢熱回收的蒸汽和熱風的工廠可以有效,經濟的運轉。對于高濃度臭氣處理用直接燃燒法是有效的,但是燃料費用高,燃燒后的氣體中存有NOX等氣體成分,有二次污染的可能【10,11】。
                催化燃燒法和直接燃燒法一樣,也是通過使臭氣成分燃燒,氧化分解的除臭方法。因為使用催化劑可以比直接燃燒法更低溫地運行。燃料的使用量也大幅度的減少。圖7為催化燃燒法的脫臭流程簡圖。被處理的臭氣通過前處理裝置除去有害金屬,酸性氣體和粉塵等后,通過熱交換機預熱輸送到脫臭爐內處理。通常爐溫設定在250~350оC,接觸時間為0.3~0.5秒。催化燃燒所用的催化劑一般用鉑、鎳或非貴重金屬銅、錳、鐵、鈷、鋅的氧化物,也有的用稀土化合物,對于苯類、醚類、酯類的惡臭氣體,凈化率可這99%以上【7】。催化燃燒法具有凈化效率高、操作溫度較低、能耗較少等特點,是一種重要的惡臭脫除方法,我國有些煉油廠就已經采用這種方法脫臭【12】。催化燃燒法雖然能徹底將廢氣中的有害物質轉化為無害物質,達到脫臭的目的,但整個工藝過程中對于高分子化合物的分解不是很好,還會產生脫硫廢物及廢催化劑等固體廢物,同時存在設備投資大,運行管理較嚴格,監控難度大和實際操作經驗不足等問題。另外一點就是催化劑的造價比較高,燃燒過程中容易使催化劑中毒,中毒的催化劑經洗滌、熱處理和酸處理后可恢復活性,使用壽命為3—5a。如何有效延長這些高價催化劑的使用壽命是該項技術的關鍵。這就要求盡可能減少氣體中含有的使催化劑中毒的成分,所以對氣體的前處理尤為重要。另外在處理過程中爐溫需要保持在350℃以上,對耐熱材料要求也是該技術的關鍵點?,F在工藝中一般采用發泡金屬和復合材料等擔體,如日本已經開發出的耐熱溫度高、壓力損失小的石英玻璃纖維催化劑【13】。
                3.3生物除臭法
                前已提及,氣味物質的成分大都是低分子脂肪酸、胺類、醛類、酮類、醚類以及脂肪族的、芳香族的、雜環的氮或硫化物,帶有活性基團的這些物質被液相吸收后,特別易被生物氧化,當活性基團被氧化后,惡臭氣味就消失了。臭氣經不同種類的微生物分解后,產物不一樣。如含氮的臭氣,經微生物的氨化作用后,分解為NH3,NH3又通過亞硝化細菌、硝化細菌的作用,進一步氧化為穩定的硝酸態化合物;而含硫的臭氣經微生物分解后產生H2S,H2S可以被硫化細菌氧化為硫酸, 生物除臭工藝就是基于這一原理【14】,所以該方法要求被去除的臭味物質有好的水溶性。生物除臭法因具有簡單、投資省、運行費用低、維護管理方便、效果好等優點而發展得很快。美國、德國、日本對污水處理廠的惡臭多采用生物除臭技術進行治理。生物處理脫臭法主要分為液相脫臭法和固相脫臭法。
                3.3.1液相脫臭法
                液相脫臭法中比較有代表意義的是活性污泥脫臭法。常用的是活性污泥曝氣脫臭法和活性污泥洗滌法。
                活性污泥曝氣脫臭法是日本福山等人在80年代初最先開發成功的,現已應用于屎尿處理場和污水處理場的臭氣處理。該脫臭方法是將惡臭物質以曝氣形式分散到活性污泥的混合液體底部,臭氣溶解于混合液中,通過懸浮的微生物降解惡臭物質。這與廢水的活性污泥法處理過程極為相似,只是用惡臭氣體象空氣一樣注入活性污泥中。試驗證明,一般活性污泥濃度控制在5000—10000mg/L為宜,臭氣的送入速度以20m3/h以下為好,該方法適用于各種不同極限負荷范圍內的惡臭氣體。效果很好,其去除效率均可高達99%以上。影響惡臭氣體去除率的主要因素有曝氣水深、曝氣強度、污泥濃度、酸堿度以及營養物質的投放等。另外如果要想取得好的去除效果,需要對污泥進行一定的馴化?;钚晕勰嗥貧饷摮舴ú恍枰碌某粞b置,福山丈二指出本脫臭方式可以和污水處理場的活性污泥曝氣池并用,所以該法既經濟又節省能源。但是,該法必須控制空氣與污水的體積比,使其不能對活性污泥不利,壓縮機的葉輪和管道必須防腐。該法適用于臭氣濃度低、氧氣濃度高的氣體。東京、橫濱、大阪、札幌等城市都有該法的應用【15】。
                活性污泥洗滌法【17】是在回流塔中讓活性污泥和臭氣逆向氣液接觸除臭的方法。一般洗滌脫臭裝置如圖4所示【18】。其原理與活性污泥曝氣法相同,只是與活性污泥曝氣法相比具有體積更小的優點?;钚晕勰嗤ㄟ^循環槽循環使用,運行過程可以采取厭氧、好氧或者間歇的方式。如間歇過程中,回流塔工作時活性污泥停止曝氣,利用夜間和休息等裝置停止時段進行曝氣,保證溶液中的溶解氧水平。處理過程往往需要添加炭源和含磷元素的營養液。需要定期加入新鮮污泥和排除剩余污泥?;钚晕勰嘞礈旆梢蚤L期以高的脫臭效果運轉,運行費用低,效果較好。
                3.3.2生物固相脫臭法
                生物固相脫臭法基本可以分為生物填充脫臭法和土壤處理法【10】筆者認為土壤處理法比較適合我國的國情,尤其是對于城鎮的小規模發生源臭氣處理具有廣闊的前景,所以特別介紹一下。
                土壤處理法是利用土壤中存在的土壤膠粒吸附難降解和難溶性惡臭成分,利用土壤中棲息的種類繁多的細菌、放線菌、霉菌、原生動物、藻類等微生物吸收降解臭氣物質的,從而消除和降低臭氣的方法。1957年R.D.Pomeray 就利用土壤微生物處理H2S廢氣【20】,并獲得美國專利。70年代后,各國開始在這一領域開展廣泛研究。近年來,在廢水處理中的應用不斷增加。該法具體工藝如圖-所示【21】。裝置中所用的土壤以腐植土為好,其它土質需進行改良。普通做法是用黑土。先把黑土與雞肥、混合肥料很勻,做成厚度為0.5米的土層,水分保持在40%一70%。在土層的底部鋪放破碎石塊、卵石和氣體導管,由導管輸送到支持層底部的臭氣通過土壤微生物被凈化【22】。

                該法除臭效果較好,維護容易、操作費用低,也不依賴土地的實際形狀,土壤高吸附能力可以適應較大的惡臭負荷變動。在東京和橫濱、名古屋、神戶等城市的污水處理廠都可見到這種方法的應用。但處理氣量較大時的占地面積大,另外為防止降水和土壤壓實,還需用犁翻地或更換土壤。在都市中,要確保開辟出一塊空地作為土壤脫臭處理場實際上是很困難的,作為其代替方法的研究,填充塔型脫臭法被提上應用日程。
                生物填充脫臭法【7】處理臭氣是通過附著在固體過濾材科表面的微生物降解惡臭成分來實現脫臭的目的,該法的主要原理是惡臭氣體經過去塵增濕或降溫等預處理工藝后,從填料層底部由下向上穿過填料,惡臭物質由氣相轉移到水和微生物組成的混合相,通過固著于填料上微生物的代謝作用而被分解掉。生物填充脫臭法目前研究得很多,工藝比較成熟,根據載體性質的不同而分為生物濾池(裁體為有機物)和生物滴濾池(載體為無機物)。生物填充脫臭法幾乎所有的設施均連接活性炭作為其后處理裝置【10】。近年來,為了防止水分使活性炭的吸附能力下降,使用活性炭作為前處理設施的日漸增多。生物填充脫臭法其脫臭效率主要受惡臭氣體的成分以及設計中空塔速度、填料載體、散水量和散水的溫度以及布氣的均勻性和自然條件等因素的影響?!?4】空塔速度的快慢直接影響脫臭效果,速度或過慢,脫臭效果都不好,不能充分發揮裝置的脫臭性能??账俣韧ǔ?刂圃?.1—0.3m/s的范圍內。在生物填充塔內,散水方式采用間歇式或者連續式,一般采用上流和合流氣液接觸方式兩種。散水量應該使填料載體表面形成水膜,使發臭物質能被充分吸收,同時也要滿足微生物生存、繁殖的需要,通常處理1m3臭氣需要的散水量為0.5—3.0L。另外散水水溫應保持在10—40℃的范圍內。塔內填料載體的厚度和其布氣的均勻性影響氣液接觸效率的好壞,關系到惡臭物質能否被載體上的水膜充分吸收,進而影響脫臭效果,載體的厚度一般為1.0—3.0mL。填料材料的選擇主要因素是適合細菌和其它微生物的生長以及通氣阻力小。常用的填料一般是木削、沙、土壤、石頭、貝殼等。近年來,一些人工合成材料正逐漸被開發和用作生物濾料。由于人工合成材料的強度、比表面積、均一性等性能均優于天然材料,很大程度上促進了生物過濾法的發展。通常情況下,這些天然填料上本身固有的細菌和其它微生物就足以用來除去臭氣,無需細菌接種和添加化學藥劑等額外工作。如果填充脫臭裝置中使用的濾料是陶瓷、塑料等不能提供營養物質的惰性材料時,需要人為地投加除臭氣物質以外的有機和無機營養鹽。因為在生物填充層中,通常只有降解某種惡臭物質的單一微生物附著在填料上,不會出現混合微生物群同時存在生長的狀況,所以填料內微生物數量大,而且由填料造成的壓頭損失也較小,可以承受較高的污染負荷,具有很大的緩沖能力,即使中斷供給營養物質幾天后,系統仍保持很高的脫臭效率。
                生物填充法處理臭氣具有獨特的優點,具有較強的惡臭去除能力、裝置簡單、能耗低、不受冬季寒冷氣候的影響,運行和維護費用很低。主要缺點是占地面積大、操作參數難以控制,生化反應過程需要相對較長的停留時間,大約需要1~6個月。需用大量的水來加濕進氣和保持填料的最佳濕度環境,需要處置產生的大量滲瀝液和脫落剝離的老化生物殘體【9】。另外對于某些成分復雜和高濃度的惡臭處理有局限性,使得其應用受到一定的限制。盡管如此,在實際中生物填充脫臭法仍得到廣泛地應用。
                如何簡化操作控制手段成為目前生物脫臭研究中的重點。近年來,生物填充脫臭法被越來越廣泛地用于污水,污泥處理和垃圾處置設施的惡臭控制,但是發展比較還是緩慢,其機理的闡述也比較曖昧不清,有許多方面需要更進一步的理論研究和實踐經驗。
                5 新脫臭工藝和技術的發展
            實際的惡臭處理中,單一的方法往往不能完全去除臭氣,特別是對成分比較復雜的惡臭氣體,人們常常采用聯合脫臭法。比如1985年,日本三菱重工業株式會社公布的吸附—氧化法脫除城市污水處理場和糞便處理場臭氣的技術。惡臭氣體通過吸附塔進行吸附處理后,未被吸附的臭氣再經臭氧氧化而達到除臭的目的,能將臭氣強度降至l級以下【25】。
                另外在組合現有脫臭技術的同時,世界各國也尋求新脫臭技術的開發研究,比如高能離子凈化系統和新型脫臭劑的研究。高能離子凈化是瑞典的高新技術,開始在歐洲諸國應用于醫院、辦公樓、公眾大廳等以空氣凈化。它能有效地清除空氣中的細菌、可吸入顆粒物、硫化合物等有害物質。它的工作原理是利用離子發生裝置發射的高能正、負離子與有機揮發性氣體分子接觸,并將其分解成二氧化碳和水,對硫化氫、氨也同樣具有分解作用,還可以有效地破壞細菌生存的環境,降低細菌濃度或消除。高能離子脫臭技術在法國、英國、蘇格蘭、瑞典等國的應用實例很多,正逐步應用于污水處理廠和污水提升泵房的脫臭方面【26】。
                新型脫臭劑是針對近幾年來小規模污染源逐漸增多的嚴峻狀況而開發的一種可以有效脫除臭氣,并且安裝簡單的新技術,特別是微生物除臭劑的研究開發將成為比較前沿的課題,將具有很大的工業化應用空間。日本比較重視這一方面的研究,每年都有許多關于脫臭劑的專利問世。如:1984年日本公開特許公報59—32937稱L—抗壞血酸—亞鐵脫臭劑對氨、甲硫醇、硫化氫有較好的脫臭效果【27】。微生物除臭劑是根據微生物降解原理將篩選到的高效脫臭微生物固定在載體上,制成一定的劑型,惡臭氣體通過時便達到除臭的效果。日本學者大野勝史從土壤中分離過濾得到枯草芽孢桿菌,該菌對油脂臭氣有較好的抑制效果,現已制成除臭劑產品【28】。栗田工業與東京工業大學開發出用泥炭作載體的亞硝化單細胞菌等微生物除臭劑,將此除臭劑填充于反應塔中,用以去除硫化氫和氨氣等惡臭成分,在處理低濃度臭氣時,可長時間保持無臭狀態【29】。日本的河須崎敏明、大越芳男等人【30,31,32】 將污水廠活性污泥在30—40 ℃下干燥后粉碎,制成除臭劑,填充進15cm直徑,60cm高的柱管中用以吸收處理含硫化氫、硫醇的惡臭氣體,取得了很好的效果?!?3】。微生物除臭劑價格低廉,裝置簡單,效果穩定,操作方便,與以往藥液、活性炭法相比較,具有投資省、維護管理費用低的特點,在除臭劑市場上很有潛力。
                6 技術展望
                目前,嚴格執行惡臭污染物排放標準,加強對惡臭的監測與治理是污水處理廠今后的發展要求。究競選擇何種處理方法合適,則要根據惡臭物質的性質、濃度、處理量及來源等因素決定,筆者認為濕式吸收氧化法和生物過濾法兩種技術是發展和應用的方向。濕式吸收氧化法具有處理氣量大,濃度高,操作穩定,效率高和占地面積小等優點,將成為主流和首選技術。在占地面積不受局限的情況下,針對中,低濃度的惡臭氣流,生物過濾法同樣是一個很好的選擇。但是無論選用哪一種技術方案,都必須由專業人員對整個項目的惡臭的來源,特性和現場的具體情況做全面,科學的調查,研究和分析,才能做出科學,合理的決策。
              

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