杜亞峰，李 軍 ，趙 珊，李健偉

(1.北京工業(yè)大學(xué)城鎮(zhèn)污水深度處理與資源化利用技術(shù)國家工程實驗室，北京 100124；2.北京城市排水集團有限責(zé)任公司科技研發(fā)中心，北京 100022)

2013年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，目前全國已有3 600余座污水處理廠，年處理污水量能達到344億m3[1]，污水處理廠運行過程中有大量的惡臭氣體產(chǎn)生，其惡臭污染問題日益突出。很多研究表明，格柵、初沉池及污泥處理工藝是城市污水廠的主要惡臭源[2]。污水進水?dāng)y帶及曝氣池中微生物分解產(chǎn)生的惡臭物質(zhì)，在污水和污泥傳輸?shù)倪^程中散發(fā)出來[3-5]，嚴(yán)重影響周邊居民的身體健康和生活質(zhì)量[6-7]。

城市污水處理廠逸出的惡臭物質(zhì)一般可以分為以下五類[8]：第一類是含硫化合物，如硫化氫、硫醇類、硫醚類等；第二類是含氮化合物，如氨氣、胺類等；第三類是烴類化合物，如烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴等；第四類是含氧有機物，如醇、醛、酮、酚以及有機酸等；第五類是鹵素及其衍生物，如氯代烴等。當(dāng)前，多數(shù)污水處理廠只關(guān)注第一類和第二類，并且以硫化氫和氨氣為主[9]。

由于污水廠臭氣成分復(fù)雜，只關(guān)注第一類和第二類的檢測往往具有片面性，容易忽略一些濃度低但嗅閾值高的氣體，其造成的惡臭污染不可忽略，為了更好地了解污水處理廠臭氣的種類和空間分布規(guī)律，使污水廠除臭更具針對性，本試驗增加了揮發(fā)性有機物的檢測。由于污水處理廠中的處理構(gòu)筑物多為開放設(shè)施，臭氣的排放屬于無組織面源排放[10]，氣體收集受環(huán)境影響大，采樣時間長，增加了氣體樣品收集和儲存的難度，因此采用動態(tài)水面采樣器和靜態(tài)水面采樣器收集氣體樣品，并且采用穩(wěn)定性高的蘇瑪罐儲存樣品。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與儲存裝置

現(xiàn)有工藝中，常見的曝氣沉砂池、活性污泥法的好氧段等，其特點是水面向環(huán)境空氣完全敞開，通過曝氣系統(tǒng)不斷地向環(huán)境中揮發(fā)氣體，屬于動態(tài)水面。由于動態(tài)水面出氣量大，上方加氣袋的密閉容器即可收集，通過抽取氣袋的氣體即能完成采樣的工作。唯一的難點在于靜態(tài)水面氣體的收集?，F(xiàn)有的技術(shù)中，常見的平流式沉淀池、活性污泥法的厭氧缺氧段，其特點是水面向環(huán)境空氣完全敞開，屬于靜態(tài)水面，且水面位于人走道板之下0.5～1 m，不易取到水體表面的大氣污染物。如果在人走道板上取大氣污染物，又會受到環(huán)境氣流的影響，檢測數(shù)值不能代表水面的真實值。

本試驗自制了一種靜態(tài)水面大氣污染物采樣器，其特征在于：采氣裝置主體由依靠浮力漂浮在靜止水面上的圓筒狀筒體構(gòu)成，該圓筒狀筒體的頂部設(shè)置有氣壓計2、溫度計3、補氣口4、固定器5；在該筒體的上部通過采氣連接管6連接至惡臭物質(zhì)吸收瓶9，在筒內(nèi)的上部，設(shè)置有一個或者多個氣室內(nèi)氣體攪拌器1；該筒體中部通過浮力裝置12和平衡環(huán)形翼13，該平衡環(huán)形翼13整體套設(shè)在筒體的外部。其中，氣壓計2和溫度計3相鄰設(shè)置，固定器5為把手，固定器5以固定方式固定在圓筒狀筒體上，使得繩索可以將該采樣設(shè)備固定在人走道板的欄桿7上。該出口通過采氣連接管6與外部設(shè)置的惡臭物質(zhì)吸收瓶9以及采樣動力裝置10進行連接，上述氣壓計2、溫度計3、采樣動力裝置10都與自控箱8連接，采氣連接管6的外部設(shè)置有溫控的套管，浮力裝置下部為液體滯留區(qū)11，在該浮力裝置的頂部與水面共同形成了采氣氣室，大大提高了采集氣體的精確性。其設(shè)計如圖1、圖2所示。

圖1 靜態(tài)水面采樣器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Static Water Surface Sampler

圖2 靜態(tài)水面采樣器的俯視圖 Fig.2 Top View of Static Water Surface Sampler

蘇瑪罐采樣操作簡單，不需提供外部動力，且氣密性及樣品儲存穩(wěn)定性好，因此避免了采樣泵波動、滲透及樣品分解等因素對其結(jié)果造成的影響[11]。所以試驗采用蘇瑪罐儲存氣體樣品。

1.2 檢測點位

試驗以北京地區(qū)某大型污水處理廠為例，根據(jù)廠區(qū)工藝特點在廠區(qū)內(nèi)布置了7個監(jiān)測點，分別為1#初沉池、2#沉砂池、3#生化池曝氣段、4#生化池非曝氣段、5#二沉池這5個污染源采樣點和6#進水格柵間下部空間、7#脫水機房這2個環(huán)境空氣采樣點。臭氣檢測采用國標(biāo)法，根據(jù)《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554—1993)，檢測臭氣濃度、硫化氫、氨氣和揮發(fā)性有機物，檢測方法如表1所示。通過對檢測數(shù)據(jù)的整理分析發(fā)現(xiàn)污水處理廠臭氣種類和分布規(guī)律，為污水處理廠臭氣控制提供科學(xué)的決策依據(jù)。

采樣天氣：采樣期間天氣晴朗，室外氣溫為18.7～18.8 ℃，主導(dǎo)風(fēng)向為北風(fēng)，風(fēng)速為1.6 m/s，相對濕度為48.7%。

表1 氣體檢測方法

1.3 揮發(fā)性有機物分析方法

污染物排放影響因素復(fù)雜(處理工藝、環(huán)境條件和污水成分等)，導(dǎo)致污水處理廠構(gòu)筑物排放的VOC種類及濃度水平變化范圍大，難以分析。本試驗采用極差標(biāo)準(zhǔn)化，對樣品測量值進行線性變換，將其限制在[0,1]區(qū)間內(nèi)。該標(biāo)準(zhǔn)化公式如式(1)。

(1)

其中：x*—樣品測量值的標(biāo)準(zhǔn)化值；

x—樣品測量值；

xmin、xmax—樣品測量值的最小和最大值。

為了減少變量且不影響原樣品所包含的信息，需要進行對樣品化學(xué)成分的主成分分析，將所有實測樣品的化學(xué)成分歸類為若干獨立的主成分(PCn)[12]。

為了定量評價VOC組分、濃度與惡臭濃度之間的關(guān)系，采用多元線性回歸方法，擬合出VOC組分、濃度與惡臭濃度之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 臭氣分布

污水廠各處理單元惡臭濃度檢測結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，污水進水區(qū)(格柵、曝氣沉砂池、初沉池等)的臭氣濃度均高于其他處理單元。污泥脫水間是重要的惡臭源之一[13-14]，一般其臭氣濃度高于污水廠其他處理單元，但本研究在污泥脫水間設(shè)置的采樣點處檢出的惡臭濃度較低。分析其原因：該污水處理廠采用高效脫水工藝，污泥儲存池的污泥停留時間很短，在濃縮污泥具有一定活性前對其進行脫水，料斗中泥餅的停留時間不超過3 d，且定期對其清理，避免了污泥二次腐敗產(chǎn)生的惡臭；加上脫水機房長期處于通風(fēng)狀態(tài)，造成脫水機房臭氣濃度低于上游構(gòu)筑物。污水廠各處理單元氨和硫化氫檢測結(jié)果如圖4所示。

圖3 污水廠各處理單元的臭氣濃度Fig.3 Odor Concentration of Each Treatment Unit of Sewage Treatment Plant

圖4 氨和硫化氫的濃度Fig.4 Concentration of Ammonia and Hydrogen Sulfide

由圖4可知，對于該污水處理廠中各處理單元所產(chǎn)生的惡臭物質(zhì)，污水處理廠的進水格柵間、曝氣沉砂池、初沉池等上游構(gòu)筑物氨氣和硫化氫的含量相對較高，而下游構(gòu)筑物中則相對較少，所以污水廠的臭氣收集與處理工作應(yīng)放在水廠的上游構(gòu)筑物。

2.2 揮發(fā)性有機物

2.2.1 揮發(fā)性有機物結(jié)果分析

該廠檢測出的揮發(fā)性有機物(表2、表3) 包括芳香烴、鹵代烴、含硫有機物等3類共22種。

表2 污水廠各處理單元的VOC濃度水平

如表3所示，在檢出的揮發(fā)性有機污染物中，即使其濃度很低，但其嗅閾值高，都可能具有較強的惡臭氣味特征。

表3 污水處理廠的VOC 組成及濃度水平

芳香烴是污水處理中最普遍、濃度最高的物質(zhì)[15]。污水中的苯系物主要來自于油漆和橡膠的制造、農(nóng)業(yè)和工業(yè)的化學(xué)中間產(chǎn)物[16]。除苯之外的苯系物也可能大量來源于石油類溶劑，而甲苯更是工業(yè)中常用的原料和替代溶劑[17]，由于該污水處理廠有工業(yè)區(qū)污水的匯入，本次檢測出初沉池甲苯的濃度高達0.413 mg/m3。污水中的鹵代烴也有很廣泛的來源[16]，在Wu等[6]檢測的污水廠氣體樣品中，鹵代烴類物質(zhì)的含量也較高。污泥機械壓縮脫水時，水和污泥中的這些成分大量揮發(fā)到空氣中。同樣，污泥濃縮池的苯系物和鹵代烴濃度也較高。本試驗在脫水機房檢測到的鹵代烴的含量高達1.89 mg/m3。另外，在污水處理廠被廣泛檢出的甲硫醚主要由微生物產(chǎn)生，在曝氣池中易被檢出[18-19]，該廠曝氣池中檢出甲硫醚的濃度高達 0.096 mg/m3。

2.2.2 主成分分析與多元線性回歸方程

為了研究VOC組分、濃度與惡臭濃度之間的關(guān)系，首先需要對所有樣品的VOC組分進行PCA 分析。主成分中因子負荷>0.5的化合物均被篩選出來。如表4所示：PC1包括的物質(zhì)主要是苯系物；PC2主要為鹵代烴；PC3為含氮的揮發(fā)性有機物；PC4硫化物。

表4 污水處理廠的VOC濃度的主成分分析

基于表4中的得分系數(shù)計算樣品的主成分PC1～PC5，以減少變量個數(shù)。

PCn的算法如式(2)。

PCn=∑k2ici

(2)

其中:ki—第n個主成分中第i種VOC各化合物的得分系數(shù)；

ci—第n個主成分中第i種VOC的濃度。

參照以往研究，惡臭感官強度與其化學(xué)組分濃度之間為對數(shù)關(guān)系[22]，故對惡臭濃度取自然對數(shù)，并以PCn為自變量，樣品惡臭濃度(OC) 的自然對數(shù)( lnOC) 作為因變量進行多元線性回歸的擬合分析，得到的回歸方程如式(3)。

lnOC=2.62+17.59PC1+12.3PC2+19.16PC4(相關(guān)系數(shù)R2=0.73)

(3)

其中，PC1、PC2和PC3被納入方程。由此可見，在該污水處理廠惡臭氣體中的苯系物、鹵代烴和硫化物對惡臭濃度的影響很大，并且這一方程顯然提供了一條簡單而客觀的途徑來評估污水處理廠的惡臭濃度，這意味著只需通過少數(shù)幾種有機物的化學(xué)成分檢測，便能計算相應(yīng)的惡臭濃度，提高了感官指標(biāo)檢測的可重復(fù)性和可操作性。

2.2.3 多元線性回歸方程的驗證

在該污水廠采集了6個其他點位的污染源VOC樣品用于驗證該方程的預(yù)測能力。將其樣品的化學(xué)濃度代入方程計算其lnOC，再與實測的lnOC比較，結(jié)果如圖5所示。兩者擬合度良好，R2達到0.764，驗證了本研究建立的回歸方程可較好地用于污水處理廠惡臭濃度的預(yù)測。

圖5 惡臭濃度實測值與理論值比較Fig.5 Comparison of Measured and Theoretical Values of Odor Concentration

3 結(jié)論

(1) 由試驗結(jié)果可知，上游構(gòu)筑物不僅氨氣和硫化氫高于其他部分，初沉池和曝氣池還有污泥處理部分的VOC濃度也高于其他部分。

(2)主成分分析可將樣品復(fù)雜的化學(xué)成分分為4個不同類別的綜合變量。對這4個綜合變量進行多元線性回歸分析，在揮發(fā)性有機物中芳香烴、鹵代烴和硫化物對污水處理廠的惡臭濃度影響最大。

(3)本研究建立的回歸方程可較好地用于污水處理廠惡臭濃度的預(yù)測，R2達到0.764，為通過低濃度的揮發(fā)性有機物預(yù)測惡臭濃度提供了理論依據(jù)。

(4)臭氣應(yīng)從源頭進行控制，首先要找到污水處理廠的主要臭氣污染源，然后根據(jù)不同污染源的臭氣性質(zhì)采用不同的處理工藝進行臭氣收集和處理。在關(guān)注污水處理廠惡臭問題的同時，也應(yīng)重視VOC的削減與控制。