2.1.2　污水处理厂恶臭散逸的特征

2.1.2　污水处理厂恶臭散逸的特征

2.1.2.1　不同处理单元恶臭散逸的特征

从广义上来讲，污水处理厂的恶臭可分为两类：第一类是直接从污水中挥发出来的，如直接或间接地来自排入下水道的工业废水及其他废水中含有的溶剂、石油衍生物及其他可挥发的有机成分；第二类是由于微生物的生物化学反应而生成，尤其是与厌氧菌的活动密切相关［11］。

污水处理厂内恶臭的主要来源为污水处理单元（预处理区、生化处理区）和污泥处理单元。污水处理单元预处理区（包括格栅、提升泵房、沉砂池等）的恶臭组分一部分是来自原水中携带的有害气体组分，如蛋白质、脂肪、碳水化合物等［12］。脂肪和碳水化合物分解的最终产物是二氧化碳和水，但其中间体都是有恶臭气味的醇、醛、酯、脂肪酸类物质，蛋白质分解出含有气味强烈的胺、酮、硫醇、硫醚类等典型的恶臭污染物，一些污水中的硫化物成分遇到酸性条件也会产生硫化氢。长距离污水输送管线中会存在缺氧条件，此时厌氧菌会得到大量繁殖，厌氧菌接触到污水中的有机物进行降解，此过程中会有硫化氢、硫醚、硫醇等副产物生成。另一部分是格栅的扰动作用，促使硫化氢的释放；初沉池进水时产生的落差，也会释放大量的硫离子；初沉池定期排泥时，也会瞬间散发出高浓度的恶臭气体［13］。生化处理区中厌氧段产生的恶臭主要是微生物化学反应生成的，如A2O厌氧区中释放的硫化氢主要通过硫酸盐还原菌的代谢活动产生［14-16］。

污泥处理单元中包括污泥脱水、污泥运输、污泥浓缩、污泥消化、污泥填埋等污泥处理处置过程。Carrera等［17］报道了法国和德国污水处理厂全部污泥处理流程（污泥浓缩池、消化池、储泥池和脱水机房）散发的恶臭总量占比达62%，高于污水预处理区（格栅、沉砂池和初沉池）和生物反应单元（生物反应池、二沉池）。Senatore等［18］报道污水处理厂污泥处理散发的恶臭总量占比为54%。Frechen［19］对污水处理厂各个污染源恶臭排放强度进行了调查，结果见表2-2。

表2-2　城市污水处理厂主要构（建）筑物恶臭散发率

注：恶臭散发率（OU·m-2·h-1）=臭气浓度×排放量，是国外评价污染源排放强度的指标。

深圳市某污水处理厂利用人工嗅辨、GC-MS、UPLC和紫外分光光度计测定格栅、沉砂池、初沉池、生化池、二沉池、污泥浓缩6个排放单元所产生的恶臭气体，结果见表2-3～表2-7［20］。

表2-3　各处理单元的臭气浓度　（单位：OU/m3）

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表2-4　各处理单元中无机物的臭气浓度　（单位：OU/m3）

表2-5　无机物浓度与臭气浓度Pearson相关系数

表2-6　各MVOC浓度　（单位：μg/m3）

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表2-7　各类MVOC与臭气浓度的Pearson相关系数

该污水处理厂各单元的臭气浓度从大到小依次为污泥浓缩、格栅、沉砂池、初沉池、生化池、二沉池。其中，污泥浓缩单元的臭气浓度最高，为5495 OU/m3；其次为格栅处理单元，最高臭气浓度为1778 OU/m3。这是由于在污泥处理阶段，污泥浓缩过程主要是将污泥脱水降低其含水率以便后续污泥处理，恶臭气体主要来自浓缩过程造成的缺氧环境，使缺氧微生物产生大量代谢产物从而产生恶臭。此外，脱水仪器运转导致泥水呈湍流状态，加速了恶臭气体的释放。格栅作为污水处理的第一单元，进水水体自身携带的挥发性污染物在除渣机的运行中挥发，与栅渣中积累的厌氧微生物作用下共同产生臭气，因此该单元也是污水处理厂恶臭散发较重的单元。此外，污泥浓缩及格栅单元的氨气和硫化氢浓度相对较高，各单元的氨气的平均浓度均高于硫化氢。硫化氢与臭气浓度的相关性较大，氨气及无机物总浓度与臭气浓度相关性较小。污泥浓缩及格栅单元中多种挥发性恶臭有机污染物（VOCs）的浓度相对较高。各类VOCs中有机硫化物、苯系物及萜烯类与臭气浓度相关性较大，而醛酮类、氯化物及醚酯类与臭气浓度相关性较小。

有研究将某污水处理厂散发的恶臭污染物分为含硫化合物、芳香烃、烷烃和其他有机物，分述如下：

（1）含硫化合物。该污水处理厂散发的含硫化合物包括硫化氢、甲硫醇、乙硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳等含硫化合物。其中以硫化氢的浓度最高，其次是甲硫醇和乙硫醇。硫化物是典型的恶臭污染物，我国《恶臭污染物排放标准》中规定的8种受控物质，含硫化合物有5种，是导致污水处理厂恶臭污染的主要因素。污泥区、格栅和缺氧池是主要的释放源［21-23］。

（2）芳香烃。该污水处理厂空气中存在大量甲苯、二甲二硫醚、三甲苯和米乙烯等芳香烃，尤以二沉池和好氧池空气中含量为多（表2-8）。在所检出的芳香烃中以邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯的浓度最高。甲苯和二甲苯均是日本《恶臭防治法》中规定的受控恶臭污染物。

表2-8　某污水处理厂各处理单元芳香烃浓度及其含量

续表

（3）烷烃。该污水处理厂空气中也检测出大量的挥发性有机物，其中以烷烃的物种数最多（表2-9）。各处理单元中，以二沉池、污泥脱水和好氧池空气中烷烃的含量较高。烷烃中以戊烷和正己烷的浓度最高。

表2-9　污水处理厂各处理单元烷烃与烯烃相对含量

（4）其他有机物。该污水处理厂检测到的其他有机物主要为卤代烃和含氧烃。由表2-10可知，卤代烃应是污泥脱水环节排放的特征污染物，占物质总浓度的22%；其他处理单元，卤代烃含量很低，可以忽略不计。污泥脱水环节的卤代烃以二氯甲烷的含量最高，其次是氯仿和氯苯。检测到的含氧烃主要有异丙醇、乙酸乙酯、丙酮、2-丁酮和叔丁基甲醚，其中以叔丁基甲醚的含量最高，其次为丙酮。

表2-10　污水处理厂各处理单元卤代烃和含氧有机物的含量

2.1.2.2　污水处理单元典型恶臭的生成机理

1）硫化氢（H2S）

城市污水处理系统中常见的恶臭气体组分是硫化氢。

污水处理从业人员的硫化氢中毒事故时有发生。据不完全统计，近十年来，全国每年发生硫化氢中毒或伤亡事故十几起，损失重大。因此，有必要提高人们的重视程度和防范意识，吸取教训并且分析其原因和研究对策，提出相应的解决措施，以减少和避免硫化氢中毒事件的发生［24-25］。污水处理厂几乎每时每刻都生成硫化氢，主要有以下两个来源：

首先，厌氧条件下污水处理各构筑物内生长的硫酸盐还原菌（SRB）利用水中有机物提供的电子还原S，是污水处理厂H2S恶臭气体产生的主要原因。

S至H2S的还原过程中一系列反应均属于酶促反应。在一系列的酶促反应中，硫得到8个电子，生成多个中间产物。根据现有文献资料，硫酸盐还原的主要过程包括运输S、激活S、腺嘌呤磷酰硫酸盐（APS）还原以及亚硫酸盐（S）还原。催化S还原的酶位于细胞质内或细胞膜上，S必须进入SRB细胞内才能被还原，S由胞外进入胞内的过程被称为运输S。S不易被还原，S/S的氧化还原电位为-0.516 V，低于大部分代谢产物的氧化还原电位，导致S无法直接从代谢产物获取电子。因此，在S还原为S前，需在硫酸腺苷转移酶的作用下，以消耗ATP为代价激活硫酸盐，将其转化为高氧化还原电位的APS，该过程被称为激活S。产生的APS在APS还原酶的作用下获取电子转化为S和磷酸腺苷（AMP），该过程被称为APS还原。S至S2-的还原反应总共转移6个电子，通过三个双电子传递，形成三硫酸盐（S3）和硫代硫酸盐（S2）等中间产物（3S→S3→S2→S2-），最终生成S2-。S还原的总反应式为：

SRB还原S至S2-的过程如图2-1所示。

图2-1　SRB还原S产生S2-过程

其次，来自污水中含硫有机物的分解。主要是生物体蛋白质组分中的含硫氨基酸，如胱氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸（甲硫氨酸）、谷胱甘肽等。氨基酸自然分解，会释放出硫化氢。废水成分不同，还可能产生硫醇、硫醚、醛类、苯系物等恶臭气体。当污水管水流速度减慢使淤泥沉积，能溶解于水的硫化氢就会大量积聚下来，遇到合适的条件就会在短时间内从水中大量逸出，迅速在有限空间内达到较高浓度［26］。

2）氨气（NH3）

污水系统中NH3主要来自两部分，一部分是含氮有机物在污水流量过高或者曝气不足的条件下（如生化处理）或者污水长距离输送阶段形成厌氧环境，被降解产生大量的NH3等恶臭气体；另一部分是污水经格栅和提升泵站时发生涌动和跌水，溶解氧降低，NH3被不断释放。

2.1.2.3　污泥处理单元典型恶臭的生成机理

从图2-2中可看出，污泥处理过程中，即使提供了良好的充氧条件，颗粒内部也仍存在部分厌氧状态。当污泥降解处于厌氧状态时，厌氧反应将产生大量恶臭污染物。而好氧过程产生的恶臭污染物主要包括NH3，厌氧过程产生的恶臭污染物包括NH3、H2S及多种挥发性有机化合物等，如图2-3所示。

污泥处理单元主要恶臭包括挥发性无机物（VICs）和挥发性有机化合物。

VICs主要是NH3和H2S。NH3主要来自含氮有机物（如蛋白质、氨基酸等）的降解。H2S是氧气供应不足时，厌氧细菌对有机物分解不彻底的产物。

NH3主要由以下两个过程产生。

①含氮有机物的氧化过程：

图2-2　污泥产生恶臭的反应示意图

图2-3　污泥处理过程物质转化与恶臭污染物产生示意图

②细胞物质的氧化过程：

H2S主要由以下两种条件产生。

①厌氧条件下，S在脱硫细菌作用下转化为H2S：

②含硫氨基酸的分解：

2.1.2.4　污水处理厂典型恶臭散逸的影响因素

1）H2S散逸的影响因素

污水的水质状况、水力流态和排水设备的构造等对硫化氢的产生都有一定的影响。

（1）厌氧环境。污水中的固体沉积物、有机物浓度含量较高时，大量物质在管底沉积，使厌氧淤泥层形成，污水中有机物浓度（如BOD5、COD）较高时，会导致污水中溶解氧的快速消耗，促使厌氧状态形成，为硫酸盐还原菌提供生存环境的同时，也为硫酸根的还原提供了所需的电子供体和氢供体。污水在管内滞留时间越长，有机颗粒和砂粒在管底的沉淀越多，也加速了S向S2-的转化速率。

（2）污水流速。流速过慢，污水中的颗粒处于悬浮状态，砂粒堆积，形成厌氧淤泥层，为污水中硫酸盐还原成硫化氢创造了条件；流速过快，会造成水流的剧烈紊动，可能在某些区段加速硫化氢气体的逸出。因此，应选择合理的管道坡度和污水流速。

（3）氧化还原电位（ORP）及溶解氧。污水中的氧化还原电位影响硫酸盐还原菌（SRB）的代谢活动。SRB一般在ORP低于-100 mV时能够存活，在ORP低于-150 mV时正常代谢。低浓度的溶解氧不影响SRB的生长，溶解氧浓度低于4.5 mg/L时，SRB可以存活，但溶解氧浓度在9 mg/L上时无法存活。

（4）水温。硫酸盐还原菌最适宜的生长温度为22～23℃，其代谢活动必然影响S向S2-的转化速率。水温还影响污水中硫离子的存在形式，水温每增高7℃，硫离子型含量加倍；当水温大于15℃时，绝大多数硫离子以硫化氢分子的形式存在；晴天（或阴天）的硫化氢和氨的浓度远高于雨天的浓度。SRB可在-5～75℃的温度下生存，生长温度为25～35℃，最佳生长温度为30℃。

（5）硫酸盐浓度。污水中硫酸盐浓度的高低与硫化物的产生量成正比。较高硫化物浓度有利于硫离子向硫化氢的转化。

（6）pH值。污水的pH值影响硫离子在污水中的存在形式。当pH值＞7时，硫化物几乎不以H2S形式存在；pH值接近7时，H2S和HS-含量大致相同；pH值＜6时，以H2S形式为主；pH值＜5时，几乎全部以H2S形式存在。厌氧状态的城市污水通常呈弱酸性（pH值为5～6），故以H2S形式存在的硫化物浓度较高。SRB可在pH值为4～9.5范围内生长，最佳生长pH值范围为7.0～8.0。

2）NH3散逸的影响因素

（1）进水氨氮浓度。NH3挥发速率与水中氨氮浓度呈正相关，污水生化处理过程中挥发的NH3很大程度来自水中氨氮的转化。因此，进水氨氮浓度越大，产生NH3越多。

（2）水温。夏、秋季节时的水温明显高于冬、春季节，水温高促进微生物生化反应进程与速率，增加NH3等恶臭气体挥发。水温为15～35℃时，氨气排放浓度明显增加。

（3）降水量。污水处理厂部分污水管道是雨污合流管道，雨水的涌入直接降低了污水中有关污染物的浓度进而间接影响了NH3的生成速率。另外，雨水的涌入也降低了污水的水温，降低了厌氧微生物的生化反应，减少NH3等恶臭污染物的产生。因此，雨天NH3产生量远远少于晴天（或阴天）。

（4）含水率。适宜的含水率有助于堆肥过程中微生物的生物降解，但是含水率过高则会阻碍氧气在有机质之间的传递，进而产生厌氧或者缺氧环境，促进NH3等恶臭污染物的产生。