污泥堆肥項目中除臭技術的選擇與設計
摘 要:介紹了我國污泥堆肥（生物干化）項目臭氣治理現狀，指出除臭問題是制約污泥堆肥技術推廣應用的關鍵。對比各種除臭技術，分析了污泥堆肥臭氣成分和除臭機理，得出結論：化學生物組合除臭工藝與植物液除臭工藝相結合是適合污泥堆肥項目的選擇。最后介紹了除臭系統設計選型的主要參數，指出在污泥處理工藝設計中考慮除臭系統可節省投資和運行成本。
關鍵詞:污泥堆肥,生物干化,生物除臭,化學除臭,植物液
1 我國污泥堆肥（生物干化）項目臭氣治理現狀
隨著國內污水處理率的提高，污泥處置廠建設也提上了各地完善基礎設施建設的日程。污泥堆肥（生物干化）技術作為適合我國國情的污泥處置技術被許多業內人士看好，但污泥堆肥（生物干化）項目中臭氣污染問題和除臭技術的發展也引起越來越多的關注。
國家1 9 9 3 年制定了《惡臭污染物排放標準》（GB14554-1993），但由于技術局限性，僅僅在部分行業應用，尤其是與百姓息息相關的市政行業并沒有真正落實推廣。2002年12月4日發布的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002），對于NH3、H2S、臭氣濃度、甲烷等物質廠界排放最高允許濃度給出明確指標要求。對于廢氣排放規定“2003年6月30日之前建設（包括改、擴建）的污水處理廠，實施標準的時間為 2006年1月1日；2003年7月1日起新建（包括改、擴建）的城鎮污水處理廠，自本標準實施之日起開始執行。” 污泥堆肥（生物干化）項目現雖未制定專門標準，但也應納入上述標準規范范疇。
目前國內正常運行的污泥堆肥（生物干化）項目中僅有唐山西郊污水處理二廠污泥堆肥項目設置了專用生物除臭濾池，其它項目的原設計基本未考慮除臭問題。北京大興龐各莊污泥消納廠和洛陽瀍東污水處理廠污泥生物干化項目在建成后擬增加除臭系統，但由于廠房容積過大，現有除臭技術無法達到經濟、高效的處理效果，因此均未實施。北京原先規劃建設的北部1100t/d污泥堆肥消納廠和東部1100t/d污泥堆肥消納廠由于臭氣污染問題被無限期擱置。由此可見，污泥堆肥（生物干化）項目的實施越來越多地受制于臭氣污染問題的解決程度，從而也促進了專門針對污泥堆肥（生物干化）項目的除臭技術的發展。
2 除臭技術概述
國內外的除臭方法大體上可分為化學除臭法、物化除臭法和生化除臭法等幾類，此外，植物液噴淋作為大面積開放空間的臭氣控制方法近幾年也得到了一定應用。
2.1 化學除臭法
所謂化學除臭法, 即是添加某些化學藥劑, 使之與具有臭味的物質發生反應, 從而達到除臭的目的。具體可以分為：
（1）氧化法
臭氣中的臭源物質有很多具有還原性，故可以采用強氧化劑將其氧化為無臭化合物，達到除臭目的。
（2）催化氧化法
采用催化氧化法可以使醇、醛、酮、酸、烴等有機物分解, 因此，可以采用該法去除由于某些有機成分存在而引起的臭味。目前用于除臭的催化氧化法主要有光催化氧化和催化燃燒等。
（3）高壓靜電法
由于臭味物質分子在高壓靜電場內，在Tyndall效應直接作用下產生的氧化性極強的活性粒子或自由基氧化， 改變了本身的化學結構，變成無特征發臭基因的物質。
2.2 物化除臭法
目前普遍應用的物化除臭法是吸附法，常用的吸附劑有活性炭、活性碳纖維、沸石、某些金屬氧化物和大孔高分子材料等。活性炭是傳統的吸附劑之一，由于其比表面積大, 吸附量較大, 廣泛應用于各行各業。但因為它存在吸附量有限、抗濕性能差、再生困難、造價高、壽命不長等缺點，在除臭方面人們正致力于研究某些新的吸附劑以取而代之。
2.3 生物除臭法
生物除臭法是通過微生物的生理代謝作用將具有臭味的物質加以轉化，從而達到除臭的目的。
（1）生物過濾法
生物過濾法是使收集到的廢氣在適宜的條件下通過長滿微生物的填料，臭源物質先被填料吸收，然后被其上的微生物氧化分解，除去臭味。生物濾池的正常工作要求微生物保持較高活性，因此，要在濾池內創造適宜的溫度、pH值、氧氣含量、濕度和營養等微生物生長所必須的環境條件。同時，臭源物質的去除效果與反應速度、停留時間、臭源物質濃度等因素有關，在設計和應用時應注意考慮。生物過濾技術應用于處理城市污水處理廠散逸的惡臭，具有投資省、操作管理簡單、運行費用較低、安全可靠等優點。
（2）生物吸收法
將惡臭氣體與含有活性污泥的生物懸浮液逆流通過吸收器，臭源物質被懸浮液中的活性污泥吸收，凈化后的氣體由吸收器頂端排出。該類裝置對去除含氨、酚、乙醛等惡臭氣體效果較好，但處理含S的惡臭物質效果不明顯。
2.4 植物提取液異味控制技術
植物提取液異味控制技術是由350多種天然植物的提取液配制成工作液來消除空氣中的異味，尤其是消除由有機物散發的惡臭。它的技術特點在于不僅適合于各類型封閉式、小型的環境，更適合于開放式的或大面積的場所。
在天然植物提取液異味控制技術中，所使用的工作液由一系列植物提取液復配而成，這些植物提取液是從樹、草和花等植物中提取的含有氣味的有機物。
這些有味的有機物含有大量的復雜的化合物，它們都是絕大多數植物油的主要成分，可以分成四大類：
（1）萜烯類：這類天然存在的化合物是植物油中最重要的成分。它們都有相同的經驗式C10H16。例如，蒎烷、薄荷烷。
（2）直鏈化合物：組成這一部分的化合物有醛、醇和酮。它們存在于一系列由水果中提取的可揮發的植物油中。如葵醇、月桂醇。
（3）苯的衍生物：這些化合物與從苯，特別是從丙苯衍生出來的化合物。
（4）其它化合物：如，香草醛、肉桂酸和甲酸香葉酯等。
植物提取液通過控制設備經專用噴嘴霧化成霧狀，在微小的液滴表面形成極大的表面能。該表面能可以吸附空氣中的臭氣分子，并使臭氣分子中的立體結構發生改變，變得不穩定；此時，溶液中的有效分子可以向臭氣分子提供電子，與臭氣分子發生反應；同時，吸附在液滴表面的臭氣分子也能與空氣中的氧氣發生反應。經過植物提取液作用，臭氣分子將生成無味無毒的分子，反應的產物不會形成二次污染。
植物液除臭系統不需要耗用大量的電能，使用安全簡單，操作方便，僅需要定期補充工作液，整個系統維護和運營費用低廉。
3 污泥氣主要成分與除臭機理分析
在污水處理或污泥處置工藝過程中產生的氣味物質主要由碳、氮和硫元素組成。只有少數（并非少量）的氣味物質是無機物，如：氨（NH3）、膦（PH3）和硫化氫（H2S）；大多數的氣味物質是有機物，如：低分子脂肪酸、胺類、醛類、酮類、醚類、鹵代烴以及脂肪族的、芳香族的、雜環的氮或硫化物。
對于污泥堆肥（生物干化）項目來講，污泥氣主要成分分為三類：NH3、H2S、VOC（可揮發性有機物）。在類似的運行條件下，VOC的產生量一般與污泥中的固有量成正比例；而NH3、H2S的量與工藝運行參數選擇和運行實際工況緊密相關。影響NH3產生量的重要指標是堆肥物料的C/N，適合的C/N值應介于25～30之間，但由于大多數市政污泥的C/N值遠低于這個值，因此N轉化成NH3 揮發出來。影響H2S產生量的主要原因是物料堆體內氧含量，由于曝氣過程間斷進行，固體物料中空氣擴散過程極其復雜，因此不可避免會有厭氧環境存在，也會有部分H2S產生。
針對以上三類物質的特性，可以采用化學+生物+植物液噴淋組合除臭技術加以控制。
3.1 污泥氣化學除臭機理
臭氣中所含的污染物是多樣而復雜的，既有疏水性物質，也有親水性物質。通過噴淋化學溶解吸附過程，可去除大部分親水性物質。可以用較少的成本降低后續工藝的負荷。
上述三類物質的親水/疏水特性如表1所示。
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3.2 污泥氣生物除臭機理
無法溶于水的臭源物質需要依靠生物方法去除。污泥氣中的臭源物質大都帶有活性基團，容易發生化學反應，特別是被氧化。當活性基團被氧化后，氣味就消失，生物除臭就是基于這一原理（見下圖）。反應方程式如下：
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H2S+2O2→H2SO4 4NH3+7O2→4NO2+6H2O C6H6+7.5O2→6CO2+3H2O C7H8+9O2→7CO2+4H2O C8H10+10.5O2→8CO2+5H2O ……
生物除臭法主要有生物濾池、生物洗滌塔和生物滴濾池。在應用中，方法的選擇應根據廢氣中污染物的類型與性質而定。常規的除臭生物反應器，主要采用細菌作為微生物的主體，細菌適合于在水中或潮濕的環境中生存。因此，對于水溶性好的污染物，利用細菌進行生物降解，會得到很好的去除效果。但是，對于在水中溶解度低的物質，細菌表面的水層將影響傳質速率，導致處理效率降低。
利用真菌降解疏水性或水溶性差的污染物，其降解效率高于細菌的降解效率。真菌可在較干燥的環境中生長，無需連續噴灑水來維持濕潤環境，這就使得臭味物質可直接與微生物接觸并被降解；真菌適應的pH值為3～6，處理酸性臭氣或出現酸性積累時，不需要加堿調整pH值。特別是對于某些有機物的真菌的降解能力高于細菌。
3.3 污泥氣植物液除臭機理
植物液除臭作為無法完全封閉空間與外界接觸面除臭安全保障措施對于污泥堆肥（生物干化）項目是必要的。工作液通過控制設備經專用噴嘴霧化成霧狀，溶液的表面不僅能有效地吸附空氣中的異味分子，同時也能使吸附的異味分子的立體構型發生改變。工作液與臭氣分子的反應為：工作液通過控制設備經專用噴嘴霧化成霧狀，在空間擴散液滴的半徑≤0.04mm，液滴形成巨大的表面能，平均每摩爾為幾十千卡；這個數量級的能量已是很多元素中鍵能的1/3～1/2，此時，溶液中的有效分子可以向臭氣分子提供電子，與臭氣分子發生反應；該表面能可以吸附空氣中的臭氣分子，并使臭氣分子中的立體結構發生變化，變得不穩定；同時，吸附在液滴表面的臭氣分子也能與空氣中的氧氣發生反應。經過植物提取液作用，臭氣分子將生成無味無毒的分子，如水、無機鹽等等，從而消除臭氣，并且反應的產物不會形成二次污染。
（1）酸堿反應：如植物提取液中含有生物堿，它可以與硫化氫等酸性臭氣分子反應。與一般酸堿反應不同的是，一般的堿是有毒的，不可食用的，不能生物降解的。而天然植物提取液能進行生物降解，無毒。
（2）催化氧化反應：如硫化氫在一般情況下，不能與空氣中的氧進行反應。但在天然植物提取液的催化用下，可以與空氣中的氧氣發生反應。以硫化氫的反應為例：
R-NH2+H2S→R-NH3 ++SH- R-NH2+SH-＋O2＋H2O→R-NH3+SO4 2-+OH- R-NH3 ++OH-→R-NH2+H2O
（3）路易斯酸堿反應：在有機化學中，能吸收電子云的分子或原子團稱為路易斯酸，在有機硫的化合物中，硫原子的外層有空軌道，可以接受外來的電子云，因此可稱這類有機物為路易斯酸。相反，能提供電子云的分子或原子團稱為路易斯堿。一般帶負電荷的原子團、含氮的有機物屬于路易斯堿。例如，苯硫醚與天然植物提取液的反應就屬于這一類。苯硫醚是一個路易斯酸，而在其中的含氮化合物屬路易斯堿。兩者可以反應。
（4）從熱力學的角度討論。經過霧化的天然植物提取液液滴，其直徑在0.04mm以下。在這種情況下，液滴的表面能已達到一些有機化合物鍵能的1/3和1/4。在這種情況下，可以破壞臭氣分子中的鍵，使它們不穩定，易分解。
（5）氧化還原反應：例如，甲醛具有氧化性，而在天然植物提取液中有的有效分子具有還原性，它們可以直接進行反應。
4 適用的除臭系統及設計
4.1 收集系統
目前尚沒有專門針對污泥堆肥（生物干化）項目的設計規范，一般可以參照相關污水設計規范中的規定并結合實際情況取值：無人作業空間1～3次/小時；非發酵倉有人作業空間6～8次/小時；發酵倉有人作業空間 12次/小時。
此外，應根據曝氣量校核換氣量，確保車間內任何部分都保持負壓。風機設置應考慮可以調節風量，以適應變化的氣候和運行情況。非隧道倉建筑物形式應設計空氣收集管道，并應重點考慮防腐蝕。
4.2 處理系統
處理系統的設置可以考慮化學生物組合除臭系統與植物液噴淋系統相互獨立。
化學生物組合除臭系統中的化學系統根據預計處理親水物質量核算（與污泥處理工藝相關）；生物系統主要應考慮的參數（以生物濾池為例）見表2。
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植物液噴淋系統主要應考慮以下部位：車間與外界連接的門窗，有人操作空間與無人操作空間之間的連接部位（包括門窗、設備連接通道、管溝等）。根據所選型的植物液霧化噴頭的能力確定最終設置數量，由總能力和最不利點位置核算選型植物液噴淋系統泵的型號。
5 結語
（1）為了避免對環境產生二次污染和保障操作人員的健康安全，污泥堆肥（生物干化）系統應重視考慮除臭問題，并應選擇不同配置的除臭系統。
（2）造價和運行成本是限制污泥堆肥（生物干化）項目除臭技術應用的主要制約因素，針對污泥氣主要成分考慮組合除臭工藝，可以在較低成本的前提下取得良好的效果。
（3）在污泥堆肥（生物干化）工藝設計中考慮除臭問題，如調解合適C/N值，減少臭氣溢出量，減少建筑物空間容積，可以收到事半功倍的效果。
參考文獻：
[1] 王濤，霍躍文.污泥堆肥工藝流程中物料輸送方式的選擇[J].中國環保產業， 2005（8）.
[2] 王濤，田德龍，修玉鳳，等.SACT污泥快速堆肥工藝[J].中國環保產業， 2008（7）.
(本文作者來自北京機科發展科技股份有限公司)
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