城市污水处理厂恶臭气体产生与释放的影响因素

赵茹涵，杨 庆，武文君，刘润雨

(北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100020)

恶臭气体是指一切刺激嗅觉感官引起人不愉快及损坏生活环境的气体物质。根据气体的组成，污水处理厂产生的恶臭气体可大致分为：硫化氢(H2S)、氨气(NH3)等无机化合物以及烷烃、烯烃、芳香烃、卤代烃、含硫有机物、含氮有机物、含氧有机物等复杂的挥发性有机化合物。

虽然城市污水处理厂排放的大多数气体不致癌，但是它们在空气中的存在往往会对人们产生不利影响，如产生头痛、头晕、注意力不集中等症状。长期吸入会对人的呼吸系统、消化系统、循环系统和神经系统造成一定的危害[1]。因此，随着城市化进程的推进，城市污水处理厂产生的恶臭问题越来越受到人们的关注。

1 城市污水处理厂恶臭气体的产生途径

城市污水处理厂恶臭气体的产生途径十分广泛。它们的主要来源包括：进入污水处理厂的原水在管网中已经形成的恶臭物质，以及在污水处理过程中的厌氧条件下，微生物进行代谢活动形成的新的恶臭物质[2]。此外，一些污水处理中使用的化学药剂也可能导致恶臭气体的产生[3]。

1.1 原水中的恶臭化合物

进入城市污水处理厂的原水中通常本身就含有大量的气味化合物或致臭前体物质。它们在管网中形成，并对城市污水处理厂预处理单元的恶臭产生状况有着较大的影响。这些化合物主要包括：H2S、人体排泄物产生的NH3等无机物，以及含硫有机物、含氧有机物、芳香烃、卤代烃等挥发性有机化合物(VOCs)[4]。

图1 污水处理系统中的主要硫循环Fig.1 Sulfur Cycle in Wastewater Treatment Systems

工业废水的汇入对管网中的VOCs影响较大，进而对污水处理厂的恶臭现象造成影响。研究表明，诸如精炼厂、化学和电子工厂、喷漆车间等行业是大气和废水中VOCs的主要来源[5]。表1总结了一些VOCs的潜在来源。

1.2 微生物作用下生成的恶臭气体

硫化物对城市污水处理厂的恶臭影响重大，污水处理系统中的主要硫循环过程如图1所示。污水处理系统中的硫循环主要是硫原子在+6价(硫酸盐)和-2价(硫化物)之间逐步反应进行的循环[6]。

表1 管网中VOCs的潜在来源Tab.1 Potential Sources of VOCs in Sewer Systems

它主要包括硫酸盐还原细菌SRB(脱硫弧菌属、脱硫杆菌属、脱硫叶菌属、脱硫微菌属等)通过异化硫酸盐还原反应将硫酸盐还原为硫化物，以及硫单质被还原为硫化物的过程；通常情况下，硫酸盐和单质硫的还原反应同时发生且相互独立。此外，硫化物还会通过与氧自发进行化学反应，或者与硫氧化菌SOB(贝式硫菌属、丝硫菌属、版硫菌属等)进行生物反应，从而生成硫或硫酸盐[7-8]。

不同环境条件下微生物的不同代谢途径是影响恶臭气体产生的重要因素之一。例如，在污泥处理阶段，虽然污泥中含有大量的蛋白质(>50%)，使得生成H2S和MT的反应底物充足，但是H2S和MT自身存在甲基化作用，可以进一步生成化学性质相对稳定的DMS或者进一步氧化生成DMDS，这就解释了为什么在污泥处理阶段像DMS这样的VOSCs会成为比H2S更为显著的恶臭气体[17]。

1.3 使用化学药剂产生的恶臭物质

污水处理厂的日常运行离不开化学药剂的使用，而这些药剂也可能会导致恶臭的产生。阳离子有机聚合物是强气味的潜在来源之一。有学者认为，这可能是因为大量的阳离子聚合物会对蛋白质具有包裹作用，使得臭气具有更多的产生底物[18]；也有学者则认为，阳离子聚合物在降解的过程中会产生有机胺，从而造成鱼腥味，这一现象在高pH时，如添加石灰时更明显[19]。

2 污水处理厂各处理单元恶臭现象的影响因素分析

许多学者研究了污水处理厂中VOCs的分布规律。结果表明，污水处理厂产生VOCs的主要途径包括：空气释放、微生物降解以及吸附[20]。只有那些释放到空气中的VOCs才有造成恶臭的可能。而VOCs自身的物化性质，如亨利定律常数、log KOW、分子量、溶解度、沸点等，是决定其命运的关键性因素，从而也会对恶臭现象产生影响[21]。

除了VOCs自身的性质外，不同工艺流程的污水处理厂其每个处理单元都有自己独特的处理方法或参数设置，进入污水处理厂的原水性质也是各有不同，加上各地独特的气象条件，这就导致不同污水处理厂以及同一个污水处理厂的不同处理单元所产生恶臭气体的组分和浓度往往不尽相同。

污水处理厂的处理单元主要包括：格栅、沉砂池、初沉池、生物处理单元、二沉池、污泥浓缩池，以及污泥脱水机房等。不同处理单元的恶臭产生影响因素有很多，下面分别进行分析和总结。

2.1 格栅

(1)格栅自身构造

由于格栅自身构造问题，格栅处易发生紊流。紊流现象的产生会对水中溶解性恶臭气体产生扰动，从而促进这些气体的释放，如图2所示。

(2)栅前渠道沉砂和格栅栅渣的堆积

格栅处通过机械拦截作用产生的栅渣可能会导致恶臭现象的发生[22]。栅渣的成分极其复杂，其中有机组分的含量普遍较高。特别是在夏季，如果栅渣不能及时清除(包括黏附在格栅上的)，就会使得其中的有机组分发生厌氧发酵，从而造成恶臭。

此外，栅前渠道内流速过小导致沉砂的长时间堆积，也会导致腐败，造成恶臭现象。

(3)原水水质的影响

进入城市污水处理厂的原水中原本就携带一些致臭物质或致臭的前体物质。原水水质对格栅处的臭气产生状况有较大的影响。此外，一些水厂进水中如果有来自污泥处理区高浓度酸化污水的回流(如污泥脱水机房的压滤液)，也可能成为潜在的恶臭源。

图2 格栅恶臭现象的影响因素Fig.2 Influencing Factors of Odor in the Grille

2.2 沉砂池

(1)工艺参数的设置

平流沉砂池主要依靠调整流速、停留时间来实现无机砂砾的去除。当流速过低时，一些较轻的有机物会随着无机砂砾一起沉淀下来，从而导致排出物腐化产生恶臭，如图3所示。

图3 平流式沉砂池恶臭现象的影响因素Fig.3 Influencing Factors of Odor in Horizontal Flow Grit Chamber

曝气沉砂池的曝气作用在去除黏附于沉砂上的有机物的同时也具有强烈的水力扰动作用。曝气强度过高会加速挥发性恶臭气体的逸散，导致恶臭现象的产生。

(2)沉砂的堆积

沉砂池去除的砂粒表面附着一定含量的有机组分，尤其是平流式沉砂池，它本身不具备分离砂砾上有机物的能力，使得沉砂中有机物质含量较高[23]。沙砾在砂斗中长时间堆积易造成腐化产生恶臭。

2.3 初沉池

(1)初沉池的自身构造

由于初沉池自身构造的问题，初沉池出水堰处湍流程度较高，湍流的发生会促进溶解性恶臭气体的释放。研究发现，初沉池产生的臭气和可挥发性物质中约有90%来自溢流堰。堰到出水渠水面的落差越大，臭气和挥发性物质的逸散就越多[24]，如图4所示。

图4 初沉池恶臭现象的影响因素Fig.4 Influencing Factors of Odor in Primary Clarifier

(2)污泥以及浮渣的堆积

当初沉池排泥不及时、大量污泥堆积在泥斗中时，易在溶解氧不足的情况下造成污泥的腐化，这一现象在进水负荷过高时尤为明显[25]。

此外，沉淀池表面的浮渣以及出水堰堆积的有机物也会导致恶臭气体的产生。

2.4 生物处理工艺

(1)溶解氧水平的影响

溶解氧水平是影响生物处理阶段恶臭现象的关键性因素。通常情况下，恶臭气体的产生和厌氧反应关系最为密切。但是，在某些情况下，好氧池中也会有恶臭现象的发生。例如，当进水负荷过高时，好氧池中的曝气作用反而会促进挥发性恶臭气体的传质过程。

(2)空气扩散装置的选择

曝气池中不同的空气扩散装置对溶解性气体的扰动作用不同，在其他条件相同时，微孔扩散装置产生的扰动作用最小，而大孔隙的空扩散装置会加速恶臭气体的传质过程。

此外，大多数空气扩散装置长时间的使用都会存在堵塞问题，这也有可能造成恶臭状况的产生。

2.5 二沉池

二沉池恶臭的产生原因和初沉池较为相似。通常情况下，与初始沉淀池相比，二沉池有机气味的排放量要低得多，不是恶臭的主要产生单元，这主要是由于污泥氧化程度较高[26]。因此，对二沉池不再单独论述。

2.6 污泥浓缩池

(1)污泥浓缩池的自身构造

污泥浓缩池出水堰槽的扰动作用会促进溶解性恶臭气体的传质，造成恶臭的产生。此外，堰槽中也易形成污泥的堆积。特别是，当污泥上浮溢流液中含有大量固体物质时，恶臭现象会更加明显，如图5所示。

图5 污泥浓缩池恶臭现象的影响因素Fig.5 Influencing Factors of Odor in Sludge Thickener

(2)污泥性质决定

二沉池中的剩余污泥相较于初沉池污泥恶臭强度要低得多。如果将2种污泥混合进行浓缩，就会给处于饥饿状态的微生物菌群(二沉池中)提供过剩的有机物，在缺氧的环境中，易造成恶臭的产生。

(3)污泥停留时间与溶解氧含量的设置

污泥浓缩池中污泥的停留时间和溶解氧含量是影响臭气释放的关键因素。污泥浓缩池中污泥的停留越长、溶解氧含量越低，厌氧菌在厌氧环境中的活性越强，会加速相关的厌氧反应，从而导致此处的恶臭气味突出[27]。

2.7 污泥脱水机房

(1)污泥的理化性质

污泥的理化性质是污泥脱水机房中恶臭状况的决定性因素。如果进入脱水机房的污泥矿化程度高、厌氧菌活性低，污泥释放恶臭气体的潜力就较小[28]。污泥中的主要恶臭成分如H2S、有机硫、NH3、有机氮等均可由蛋白质分解产生[29]。据此分析，污泥中的蛋白质含量可能和恶臭气体的产生存在一定的关联。此外，污泥的ORP、pH、含水率等性质也会影响恶臭气体的产生状况[28,30-31]，如图6所示。

图6 污泥脱水机房恶臭现象的影响因素Fig.6 Influencing Factors of Odor in Sludge Dewatering Station

(2)调制药剂的选择

污泥脱水阶段常常会投加混凝剂来改变污泥的脱水效果。混凝剂及其投加量的选择也会对恶臭状况有一定的影响[32]。三价铁盐和铝盐是污泥脱水阶段最常见的无机混凝剂，可在污泥/生物胶体的絮凝结构内通过络合作用结合不稳定的蛋白质，减少恶臭气体产生的底物(生物可利用蛋白)，从而减少恶臭气体(特别是VSCS)[32-33]。

(3)脱水设备的选择

常用的污泥脱水设备包括：带式压滤机、离心脱水机以及板框压滤机等。不同的脱水设备及其参数设定也会对恶臭气体的产生造成不同的影响。

据报道，高固相离心脱水机的气味排放潜力要高于其他脱水设备[32,34]。这是由于在离心脱水的过程中，较高的离心速度和转矩条件(与之相关的机械因素如转鼓转速、速差等)会对生物胶体施加较高的剪切力，从而使污泥絮体被破坏，产生更多的生物可利用蛋白。同时，较大的剪切力也会导致更多的污泥暴露在空气中，降低了产甲烷菌的活性，从而抑制VOSCS的降解，导致VOSCS的净产量增加。值得注意的是，虽然离心脱水机有较高的致臭潜能，但它的工作过程往往是全封闭的。带式脱水机在处理污泥时，污泥基本都是在滤布上敞开的，这会使得带式脱水机所处的环境更易有恶臭现象的发生[35]。

除了一些传统的脱水设备，新兴脱水设备的使用往往能较大程度地减缓恶臭的产生状况。Lehtinen等[21]调研了芬兰2家废水处理厂，发现B厂由于引进了现代封闭式脱水机，脱水机房臭气状况得到了很大的改善。

3 总结

(1)城市污水处理厂恶臭气体的产生途径主要包括：进入污水处理厂原水中的恶臭物质释放；污水处理过程中微生物通过厌氧代谢活动所形成的恶臭物质；污水处理中使用的化学药剂导致的恶臭气体。

(2)城市污水处理厂恶臭产生与释放的主要影响因素包括：污水处理过程中产生的固体物质(如格栅处的栅渣、沉砂池的沉砂、浮渣、腐化污泥等)长时间堆积；构筑物自身结构与功能的影响，如格栅、溢流堰处易发生紊流，对溶解性恶臭气体造成扰动，导致释放量增大；污水处理过程中工艺参数的设置不合理，如曝气池的流速及曝气强度的影响、初沉池或污泥浓缩池的停留时间过长等。

城市污水处理厂的恶臭问题受到了越来越广泛的关注，开发更加高效的治理技术具有很大的现实意义。关于臭气的治理技术可以大致分为末端治理技术和前端调控。目前，大多数污水处理厂都是采用后端治理的方法，即在臭气产生后将其进行统一的收集后再进行治理。这样的治理方法虽然处理效率高，但是它往往只能针对某种或某些特定的气体，且成本较高，具有一定的局限性。而前端调控作为一种通过研究恶臭气体产生和排放的机理，从根本上减少恶臭现象的方法，往往被水厂运行人员忽略。本文通过对污水处理厂恶臭气体的产生与释放原因进行分析，找出影响臭气产生的因素，从而为臭气的前端治理提供思路，这也是未来臭气治理技术的发展方向。例如，为了缓解污泥脱水机房中的恶臭状况，根据其中恶臭的影响因素，可从以下思路做出调整。(1)调节污泥的性质：在调质过程的同时投加一些化学药剂抑制恶臭气体的产生，常用的化学药剂包括：臭氧、高锰酸盐和过氧化氢等。(2)合理选择调制药剂：综合考虑调质剂对脱水性能和对恶臭气体产生两方面的影响进行选择。(3)合理选择处理设备：尽量选用一些密封性好的设备；同时，脱水机停机前，设置足够的冲洗时间，保证脱水机及周边的清洁，降低恶臭发生的可能性。