鞠慶玲, 劉啟凱, 馮 潤

(西原環(huán)保(上海)股份有限公司, 上海 201204)

近年來,隨著城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的完善,城鎮(zhèn)污水處理廠的數(shù)量與日俱增。截至2021年,全國城市污水處理廠已有2 827座,污水處理率達(dá)97.89%[1]。城鎮(zhèn)污水處理廠在運(yùn)行過程中會(huì)釋放出大量的惡臭物質(zhì),這些物質(zhì)成分復(fù)雜,具有易揮發(fā)性、腐蝕性和刺激性強(qiáng)等特點(diǎn),嚴(yán)重影響污水處理廠工作人員以及周圍人們的身體健康,居民環(huán)境受到嚴(yán)重的威脅[2-5]。其中,惡臭物質(zhì)排放質(zhì)量濃度相對(duì)較高的單元為預(yù)處理工段(例如格柵和初沉池等)、厭缺氧工段及污泥處理工段[6-9],并且主要惡臭物質(zhì)為硫化氫(H2S),因?yàn)槠錃馕堕撝递^低,所以對(duì)周圍環(huán)境的影響十分嚴(yán)重[10]。因此,隨著人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量和身體健康的日益關(guān)注,高效惡臭控制技術(shù)需求尤為迫切。

惡臭污染物治理工藝主要可以分為物理法、化學(xué)法及生物法。與其他惡臭治理方法相比,生物法具有成本低、二次污染小、工藝條件溫和、生態(tài)友好等優(yōu)勢(shì),因此成為城鎮(zhèn)污水處理廠中最為廣泛應(yīng)用的惡臭治理技術(shù),并且生物法對(duì)H2S的處理效率極高,一般能夠達(dá)到90%以上[11-16]。然而,生物法通常存在設(shè)備體積及占地面積較大、微生物馴化時(shí)間較長的問題,并且在長期運(yùn)行過程當(dāng)中,生物填料會(huì)由于填料層壓實(shí)而影響處理效果[17-18]。同時(shí),近年惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)大幅度提高,常規(guī)生物技術(shù)已經(jīng)無法滿足目前的深度除臭需求。

針對(duì)以上惡臭處理過程中存在的問題,本研究在前期開發(fā)的炭質(zhì)填料高效生物滴濾技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過塔體結(jié)構(gòu)模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)和添加自主研發(fā)的微生物活性促進(jìn)劑的方式開發(fā)了一種強(qiáng)化生物滴濾塔,大大減小了設(shè)備體積和占地面積,并以華東地區(qū)某大型城鎮(zhèn)污水處理廠預(yù)處理工段的惡臭氣體為處理對(duì)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究,通過監(jiān)測(cè)對(duì)脫臭效率、運(yùn)行工況規(guī)律、運(yùn)行能耗等參數(shù)進(jìn)行了總結(jié)分析,為強(qiáng)化生物滴濾塔處理城鎮(zhèn)污水廠惡臭污染的實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 項(xiàng)目概況

華東地區(qū)某大型城鎮(zhèn)污水處理廠因提標(biāo)改造,需對(duì)各污水處理構(gòu)筑物產(chǎn)生的惡臭污染物進(jìn)行脫臭處理,以滿足相應(yīng)的地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。污水處理廠的工作流程見圖1,本研究從調(diào)配水井處使用風(fēng)機(jī)將惡臭氣體引入試驗(yàn)裝置,其H2S的質(zhì)量濃度較高,一般維持在152～304 mg/m3,最高可達(dá)759 mg/m3。

圖1 污水處理廠工藝流程及惡臭進(jìn)氣源Fig.1 Process flow chart and odor intake source of sewage treatment plant

1.2 試驗(yàn)裝置及方法

本試驗(yàn)通過在污水處理廠現(xiàn)有除臭裝置進(jìn)風(fēng)管處增設(shè)旁路,引出一定風(fēng)量臭氣至試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行脫臭處理。試驗(yàn)裝置共分為試驗(yàn)塔和對(duì)照塔2套,試驗(yàn)裝置規(guī)格相同,試驗(yàn)塔則是在運(yùn)行過程中添加了由尿素、鐵鹽,以及腐植酸與氮、磷、鉀和中微量元素螯合而組成并按照一定比例配制而成的微生物活性促進(jìn)劑。單座塔體規(guī)格為2 m×2 m×5 m,內(nèi)置2座水箱。其中第1層填料循環(huán)噴淋液流入與其連通的水箱;第2層填料內(nèi)的循環(huán)噴淋液經(jīng)過豎直導(dǎo)流管進(jìn)入另一座水箱。第1層與第2層噴淋水經(jīng)過這2座相互隔離的水箱。臭氣經(jīng)過第1層填料后穿過正中間的布?xì)馄?再經(jīng)過第2層填料后排出。第1層循環(huán)噴淋液經(jīng)噴頭噴灑在第1層填料后經(jīng)重力作用匯入連通的水箱,然后再經(jīng)水泵的提升作用由水箱再次進(jìn)入噴淋管道循環(huán)往復(fù);第2層循環(huán)噴淋液噴灑在第2層填料后,在導(dǎo)流管的作用下匯入另一座密閉水箱中。塔體中間的布?xì)馄骺梢詫⒌?層的循環(huán)噴淋液和臭氣分開。試驗(yàn)初期,以廠區(qū)污水處理工段中的活性污泥對(duì)填料層進(jìn)行微生物接種。運(yùn)行過程中,微生物活性促進(jìn)劑需要在設(shè)備啟動(dòng)階段和運(yùn)行階段持續(xù)定量添加,添加頻率與設(shè)備補(bǔ)排水頻率同步,即在排水后將微生物活性促進(jìn)劑添加至設(shè)備中。除試驗(yàn)塔單獨(dú)添加微生物活性促進(jìn)劑外,其他運(yùn)行參數(shù)相同,2套設(shè)備同步運(yùn)行,進(jìn)口處臭氣風(fēng)量為3 000 m3/h。

塔體設(shè)備實(shí)物圖和檢測(cè)采樣口示意見圖2,對(duì)照塔與試驗(yàn)塔均設(shè)置2層炭質(zhì)生物填料層,上下2層循環(huán)噴淋系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。試驗(yàn)塔和對(duì)照塔分別設(shè)有進(jìn)口取樣口和6個(gè)不同厚度層取樣口,該6個(gè)出口檢測(cè)口均勻布置在塔體的不同高度,試驗(yàn)以H2S為特征污染物,通過檢測(cè)不同位置的H2S質(zhì)量濃度以探究填料層內(nèi)H2S的去除規(guī)律。H2S的質(zhì)量濃度采用手動(dòng)氣體采集泵(型號(hào)GV-100S)通入氣體檢測(cè)管檢測(cè),同時(shí),試驗(yàn)過程中采用pH在線儀表(Eco-Sens系列)對(duì)循環(huán)噴淋水的pH指標(biāo)和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖2 塔體設(shè)備實(shí)物和示意Fig.2 Schematic diagram of the section and the location of sampling port of control tower and test tower

2 結(jié)果與討論

2.1 生物滴濾塔的啟動(dòng)

試驗(yàn)裝置運(yùn)行啟動(dòng)期,微生物馴化期間H2S進(jìn)出口的質(zhì)量濃度及去除率變化情況見圖3。當(dāng)進(jìn)口處H2S的質(zhì)量濃度不變的情況下,H2S去除率處于穩(wěn)定狀態(tài)即認(rèn)為裝置啟動(dòng)完成。由圖3中H2S進(jìn)出口的質(zhì)量濃度及去除率變化曲線可以明顯看出,對(duì)照塔共計(jì)耗時(shí)23 d完成微生物馴化過程,H2S去除情況達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),而試驗(yàn)塔僅耗時(shí)9 d即達(dá)到穩(wěn)定效果,試驗(yàn)塔整體微生物馴化周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于對(duì)照塔。

圖3 微生物馴化期間H2S的質(zhì)量濃度及去除率變化Fig.3 Variation of the concentration and removal rate of H2S during microbial domestication

在環(huán)境溫度較低(10 ℃以內(nèi))的工況條件下,生物滴濾塔微生物馴化周期相對(duì)較長且污染物處理效果相對(duì)較差。Wu等[19]探究了在-1～10 ℃條件下生物濾塔對(duì)H2S的去除效果,研究結(jié)果表明,當(dāng)空床停留時(shí)間(empty bed residence time,EBRT)為13 s時(shí),H2S的去除效率波動(dòng)較大,在啟動(dòng)期的處理效果最低僅為51%,當(dāng)運(yùn)行溫度較高時(shí),H2S的處理效果較好。本研究通過添加自主研發(fā)的微生物活性促進(jìn)劑,可以有效提升處理裝置中活性污泥的微生物的活性,加快微生物生長繁殖進(jìn)程,提升生物滴濾塔的處理效率。試驗(yàn)結(jié)果證明試驗(yàn)塔中微生物馴化周期顯著縮短,可在惡劣工況條件下迅速實(shí)現(xiàn)生物滴濾塔對(duì)H2S氣體的高效處理。

2.2 處理工況對(duì)惡臭處理效果的影響

試驗(yàn)過程中,對(duì)照塔與試驗(yàn)塔除進(jìn)口取樣口外,在塔體不同位置均勻設(shè)置了6個(gè)取樣口,分別對(duì)應(yīng)不同的EBRT。圖4顯示了在進(jìn)口處相同ρ(H2S)的條件下(穩(wěn)定運(yùn)行階段),對(duì)照塔與試驗(yàn)塔對(duì)H2S去除率隨EBRT變化規(guī)律,以及EBRT=6.9 s條件下對(duì)照塔與試驗(yàn)塔去除率隨進(jìn)口處ρ(H2S)的變化規(guī)律。

由圖4可見,隨著EBRT的增加,對(duì)照塔與試驗(yàn)塔的H2S去除率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),且在相同條件下,試驗(yàn)塔的H2S去除率始終高于對(duì)照塔,結(jié)果表明,在相同工況條件下,添加微生物活性促進(jìn)劑后生物滴濾塔對(duì)H2S的處理能力顯著提高。在進(jìn)口處ρ(H2S)為93～332 mg/m3水平條件下,EBRT為 8.6 s,對(duì)照塔H2S的平均去除率為77.10%,試驗(yàn)塔H2S的平均去除率超過99.43%。由此可以看出,在添加微生物活性促進(jìn)劑后,H2S的去除效果有了明顯的提升。Ben Jaber等[20]探究了不同營養(yǎng)液添加條件下硫化氫、二甲基二硫醚和乙硫醇的處理效果,研究結(jié)果表明,隨著營養(yǎng)液含量的增加,乙硫醇的去除率從80%增加到100%,營養(yǎng)液對(duì)微生物活性的提高有著顯著的促進(jìn)作用。

2.3 脫硫負(fù)荷情況對(duì)比

圖5(a)(b)分別顯示了當(dāng)進(jìn)口處ρ(H2S)為 15～334 mg/m3時(shí),不同EBRT條件下,對(duì)照塔與試驗(yàn)塔脫硫負(fù)荷(以H2S計(jì))隨進(jìn)口ρ(H2S)變化情況。同時(shí),當(dāng)EBRT分別為6.9、8.6、10.4 s時(shí),對(duì)進(jìn)口處ρ(H2S)與脫硫負(fù)荷關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合,其結(jié)果見表1。

表1 不同EBRT條件下進(jìn)口處H2S的質(zhì)量濃度與脫硫負(fù)荷關(guān)系曲線線性擬合結(jié)果對(duì)比

圖5 不同EBRT條件下進(jìn)口ρ(H2S)與脫硫負(fù)荷關(guān)系Fig.5 Relationship between the inlet concentration and desulfurization load under different EBRT

由圖5可以看出,對(duì)于單一對(duì)照塔或試驗(yàn)塔,在不同EBRT條件下,進(jìn)口處ρ(H2S)與脫硫負(fù)荷間均呈現(xiàn)一定的正比關(guān)系,隨EBRT的延長,脫硫負(fù)荷整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),而脫硫負(fù)荷與進(jìn)口處ρ(H2S)的線性度增加。結(jié)合表1數(shù)據(jù),當(dāng)ρ(H2S)為15～334 mg/m3,EBRT>6.9 s時(shí),試驗(yàn)塔線性相關(guān)系數(shù)R2均高于0.99,而對(duì)照塔的線性相關(guān)系數(shù)R2相對(duì)較低。試驗(yàn)塔的進(jìn)口處ρ(H2S)與脫硫負(fù)荷間的線性關(guān)系明顯優(yōu)于對(duì)照塔,整體線性度高、離散程度低,同時(shí)結(jié)合圖3可以看出,試驗(yàn)塔的去除效果和穩(wěn)定性都優(yōu)于對(duì)照塔,且在相同ρ(H2S)條件下,試驗(yàn)塔的脫硫負(fù)荷顯著高于對(duì)照塔。結(jié)果表明,微生物活性促進(jìn)劑能夠有效提高生物滴濾塔脫硫負(fù)荷,且整體運(yùn)行更為穩(wěn)定。

2.4 pH及溫度變化情況

試驗(yàn)運(yùn)行過程中對(duì)對(duì)照塔及試驗(yàn)塔循環(huán)噴淋水的pH和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),其變化情況如圖6所示。從微生物馴化周期至系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,生物塔循環(huán)噴淋水pH整體呈現(xiàn)明顯的先下降后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì),最終保持在pH為1.0～1.5,在極端酸性環(huán)境條件下可以實(shí)現(xiàn)H2S的高效去除,這是由于硫氧化菌為一種嗜酸菌,能夠在酸性條件下將H2S轉(zhuǎn)化為其他價(jià)態(tài)的硫元素。

圖6 運(yùn)行過程中pH及溫度變化情況Fig.6 Variation of pH value and temperature during the process

對(duì)比對(duì)照塔與試驗(yàn)塔的循環(huán)噴淋水pH變化情況,運(yùn)行過程中,試驗(yàn)塔的循環(huán)噴淋水pH始終低于對(duì)照塔,且試驗(yàn)塔pH變化趨于穩(wěn)定速度明顯快于對(duì)照塔。與此同時(shí),生物濾塔下層噴淋液(噴淋灌1)比上層噴淋液(噴淋灌2)的pH要更低一些,結(jié)合圖4可以看出,下層生物滴濾塔對(duì)H2S的去除占比更大,轉(zhuǎn)化的H2S也更多一些,因此pH也更低。對(duì)比結(jié)果表明在相同工況條件下,微生物活性促進(jìn)劑可以顯著提升除臭微生物的極端酸性環(huán)境適應(yīng)能力,加快其馴化和生長繁殖進(jìn)程,提高惡臭污染物處理能力。此外,生物滴濾塔運(yùn)行過程中無需額外添加化學(xué)試劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH,減少了大量化學(xué)藥劑的消耗。

3 設(shè)計(jì)參數(shù)指導(dǎo)意見

3.1 EBRT設(shè)計(jì)建議

為了對(duì)比2座生物滴濾裝置的處理穩(wěn)定性,采用統(tǒng)計(jì)學(xué)概率進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理與對(duì)比。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到對(duì)比塔(或試驗(yàn)塔)在進(jìn)口處不同ρ(H2S)條件下完全去除H2S的概率值,見圖7。圖7顯示了穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),ρ(H2S)和EBRT工況條件的改變對(duì)生物滴濾塔去除效率的影響。試驗(yàn)塔和對(duì)照塔在不同EBRT條件下實(shí)現(xiàn)H2S完全去除的概率分布占比情況,抽樣誤差為±5%,置信水平為95%。

從單一對(duì)照塔或試驗(yàn)塔來看,進(jìn)口處ρ(H2S)越高,所需的最短EBRT越長。對(duì)比對(duì)照塔與試驗(yàn)塔的數(shù)據(jù)可知,在相同進(jìn)口質(zhì)量濃度的條件下,試驗(yàn)塔在相對(duì)更短的EBRT內(nèi)實(shí)現(xiàn)H2S完全去除的概率顯著提高。當(dāng)進(jìn)口處ρ(H2S)= 152 mg/m3時(shí),試驗(yàn)塔在EBRT為13 s就可以將H2S完全處理,而對(duì)照塔只有不到70%概率完全處理。

基于大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),并考慮30%的安全系數(shù),表2給出進(jìn)口處不同ρ(H2S)范圍條件下,生物滴濾塔的EBRT工作工況的設(shè)計(jì)建議。強(qiáng)化生物滴濾技術(shù)可以顯著縮短實(shí)現(xiàn)H2S完全去除所需最短EBRT,即除臭設(shè)備整體占地面積及體積的減小。因此,添加微生物活性促進(jìn)劑能夠顯著降低除臭設(shè)備的基礎(chǔ)投資,在工程應(yīng)用上具有重大的實(shí)際意義。

表2 不同進(jìn)口H2S質(zhì)量濃度范圍所需最短EBRT設(shè)計(jì)建議

3.2 運(yùn)維成本及效益分析

以城鎮(zhèn)污水處理廠臭氣風(fēng)量15 000 m3/h,進(jìn)口處ρ(H2S)=180 mg/m3為例,設(shè)計(jì)EBRT為17 s,強(qiáng)化生物滴濾塔H2S去除率可達(dá)99.9%,即H2S年處理量可達(dá)23.89 t(1 a以365 d計(jì))。且強(qiáng)化生物滴濾塔由于其大幅度縮短的EBRT,設(shè)備整體占地面積及體積均可減少30%～50%。相同生物除臭設(shè)備尺寸條件下,強(qiáng)化生物滴濾塔脫硫量顯著增大。

設(shè)備運(yùn)行過程中可采用城鎮(zhèn)污水處理廠回用的處理水作為循環(huán)噴淋水,產(chǎn)生的少量廢水可直接排入污水處理系統(tǒng),提高了水資源利用率,減少水資源的消耗,進(jìn)而節(jié)約了此部分的運(yùn)行費(fèi)用。運(yùn)行過程中的費(fèi)用基本為電費(fèi)及微生物活性促進(jìn)劑藥劑費(fèi),在上述工況條件下,運(yùn)行電費(fèi)約為25萬元/a(以工業(yè)用電1元/(kW·h),運(yùn)行系數(shù)0.85計(jì)),微生物活性促進(jìn)劑藥劑費(fèi)約為1.98萬元/a。若采用化學(xué)法處理上述惡臭氣體,除運(yùn)行電費(fèi)外,還需額外消耗質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30% NaOH溶液約127 kg/d,以市場(chǎng)價(jià)1.5元/kg計(jì),僅化學(xué)藥劑費(fèi)用達(dá)6.95萬元/a。

因此,在相同城鎮(zhèn)污水處理廠惡臭污染工況條件下,采用強(qiáng)化生物滴濾塔進(jìn)行脫臭處理節(jié)能降耗效果明顯,具有極高的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益。

4 結(jié)論

1) 當(dāng)進(jìn)口處臭氣風(fēng)量為3 000 m3/h,ρ(H2S)為152～304 mg/m3,添加微生物活性促進(jìn)劑的強(qiáng)化生物滴濾塔EBRT僅為8.6 s時(shí),H2S去除率即可達(dá)99.9%,脫硫負(fù)荷達(dá)62 g/(m3·h)以上。

2) 強(qiáng)化生物滴濾塔縮短了惡臭處理過程反應(yīng)器的啟動(dòng)周期,微生物馴化周期縮短約60%。同時(shí)保證了在極低的pH條件(pH≤1.5)下長期穩(wěn)定運(yùn)行,節(jié)約化學(xué)藥劑消耗。

3) 強(qiáng)化生物滴濾塔能夠?qū)崿F(xiàn)H2S的深度處理,并且縮短H2S完全去除時(shí)的EBRT,可使設(shè)備整體占地面積及體積減少30%～50%,改善了傳統(tǒng)生物處理法占地面積較大的問題,實(shí)現(xiàn)了除臭裝置小型化的目標(biāo)。