城市污水廠除臭組合新工藝的優化及應用

唐 霞，肖先念，李碧清，馮肇霖，謝逢俊

(1. 廣州市凈水有限公司，廣東廣州 510163；2. 廣州廣一大氣治理工程有限公司，廣東廣州 510530)

污水輸送、處理過程以及污泥處理處置過程中，都會產生惡臭氣體[1]。臭氣對人的神經系統、呼吸系統、循環系統、內分泌系統產生強烈的刺激作用，使工作人員效率低下。H2S等物質對污水處理設備有嚴重的腐蝕作用，造成經濟損失[2-3]。目前，全國設市城市、縣累計建成城鎮污水處理廠4 000余座，污水處理能力約為1.78億m3/d，隨著城市化進程的大力推進，曾經地處郊區的污水處理廠已逐漸被密集的社區、商業中心等包圍，新建和即將建設的污水處理廠甚至已經不得不處于居民區周圍。這些臨近居民區、交通要道的污水廠(泵站)，如果臭氣問題解決不好，將造成負面的社會影響。污水處理廠臭氣污染控制正在得到前所未有的重視。

為了有效控制廠界臭味，國家早在《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 1891—2002)中對廠界廢氣排放標準的最高允許濃度進行了明確規定。無論新舊污水廠，正形成以污水污泥各個處理環節加蓋或密閉為基礎并配以除臭裝置的防控體系，從而保證廠界臭氣達到國家排放標準，有效維護廠內外人群的身心健康。盡管如此，對于某些污水廠及其附屬泵站，由于部分環節產生局部高濃度臭氣，采用常規處理工藝仍然無法消除異味，因此，高濃度臭氣處理新工藝的探討值得進一步研究。

當前，污水處理過程中主流的除臭技術有等離子除臭技術、生物除臭技術等[4-5]。等離子體法具有效率高、處理時間短等優點；生物除臭法則具有運行費用低、操作簡單和無二次污染等優點[6-7]。但仍存在不足：等離子技術氣體流量較大時轉化率不高、能耗高、可能造成二次污染等；生物處理惡臭廢氣也存在裝置體積較大，易受污染負荷及組分的變化、非穩態工況影響等問題。為了彌補單項技術的不足之處，提高除臭系統的處理效果及穩定性，結合城市污水惡臭廢氣排放特征，將等離子體技術、生物過濾處理技術等單元技術系統集成，形成惡臭污染物深度凈化的集成技術與設備，具有非常好的實用價值[8-10]。

針對某污水廠泵站的強酸性臭氣，開發等離子-氣動乳化-生物除臭組合工藝，利用等離子體中的活性粒子對臭氣污染物進行初步去除，大分子物質轉化為簡單小分子，然后進入氣動乳化塔，經乳化塔內的乳化劑進行氣液交換及酸性中和，再進入生物處理裝置進行分解凈化。本研究對該工藝各單元進行優化配置，獲得最佳組合工藝，并對泵站除臭工程進行生產性改造，獲得了較好的處理效果。

1 除臭單元優化

1.1 等離子單元結構優化

通過對離子體反應器不同的電場結構(蜂窩式電場結構、平板式電場結構、管式單介質阻擋放電電場結構)進行優選，并對高壓電源的特性和運行條件、高效合理的極配形式進行研究，使等離子體電場電功率密度最大，達到最佳凈化效率。

(1)電場結構

蜂窩電場、平板電場和管式單介質電場如圖1所示，蜂窩電場呈蜂窩結構狀；板式電極結構采用不銹鋼板作為正負電極；管式單介質電場采用石英玻璃管作為等離子體電場的阻擋介質，內電極為與石英玻璃管同軸的不銹鋼齒型負電極。

圖1 蜂窩電場、平板電場、管式單介質電場Fig.1 Honeycomb Electric,Plate Electric and Tube Single Medium Fields

(2)電源及其控制

采用高頻脈沖電源控制裝置，高頻脈沖流光等離子體反應器的高壓整流變壓器采用單一輸出可變參數高壓調制的三相電源供電，具有恒流輸出、自動復位、電場短路保護、電源過載保護等多種電氣參數保護功能。

(3)等離子體設備

等離子設備測試如圖2所示。

圖2 等離子設備測試圖Fig.2 Chart of Plasma Equipment Test Pattern

(4)測試結果

不同電場結構的等離子反應器對VOCs凈化效果如表1所示。

表1 不同電場結構的等離子反應器對VOCs凈化效果Tab.1 Purification Efficiency of VOCs Removal by Plasma Reactor of Different Electric Fields

蜂窩式電場模塊對VOCs的凈化效率的性價比最高，能夠在較低的電功率密度情況下達到較為理想的凈化效率。蜂窩式電場模塊的最高電功率密度為44 615 W/m3，對VOCs的凈化效率為52.3%。故選擇蜂窩電場結構為等離子單元的配置模式，同時，采用良好的絕緣結構，將絕緣子與臭氣相分離、不直接接觸，保證絕緣性能良好，保證等離子凈化設備長期高效率穩定運行。

1.2 氣動乳化單元優化

氣動乳化的工作原理是：臭氣以一定角度從容器下端進入容器，形成旋轉上升的紊流氣流，與下流的不穩定溶液相碰，氣液充分混合，形成一穩定的乳化液層。帶著被捕集的雜質流經均氣室落至吸收塔的底部。

在等離子和生物塔之間增加了氣動乳化塔環節，提高氣液的傳質效率，同時，為后續生物菌提供一個穩態工況高效的培育環境，不易受污染負荷及組分的變化、外界環境溫度的影響等問題。圖3為氣動乳化示意圖。

圖3 氣動乳化示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Pneumatic Emulsification

通過對氣動乳化塔內部結構試驗，結果如表2所示，3 000 m3/h的處理風量最佳的旋子數量為2個，可明顯觀察到乳化層的氣液混合狀態。選擇最佳的處理風量與氣動乳化旋子的比例參數，作為高凈化效率且低耗水量的氣動乳化形式。

表2 氣動乳化工藝單元不同旋子數量對廢氣中NH3的凈化效率影響Tab.2 Purification Efficiency of NH3 Removal by Different Number Arch Plasma Equipment

1.3 生物除臭單元優化改進

針對常規的生物除臭塔，進行了優化改進，如圖4所示。生物濾塔中從下往上設有生物濾塔循環水箱、大空隙填料層、小空隙填料層和生物濾塔噴淋系統的出水淋浴噴頭，生物濾塔噴淋系統的進水口設在所屬的生物濾塔循環水箱中，生物濾塔出口在上、進口設在生物濾塔循環水箱與空隙填料層之間的空間內。生物濾塔中大空隙填料層和小空隙填料層構成生物過濾層，其中，大空隙填料層可選用球形塑性填料，小空隙填料層可選用樹皮類填料，大小空隙填料層厚度比例為1∶5～1∶1。氣體進入生物濾塔后，首先穿越大空隙填料層，壓損較小，與微生物反應，以好氧反應為主，之后進入小空隙填料層，壓損較大，與微生物反應，以兼氧和厭氧反應為主，得到凈化的氣體由頂部煙囪排出。

注：12-生物濾塔循環水箱;13-大水箱泵空隙填料層;14-小空 隙填料層;15-生物濾塔噴淋系統;16-水箱泵;17-地面基礎圖4 生物除臭濾塔Fig.4 Biological Deodorization Filtration Tower

2 組合工藝實際工程應用

某污水廠泵站地處工業小作坊和人口密集地帶，周邊時有工業廢水排入，造成該泵站臭氣濃度較高(幾十～數百mg/m3)且成分復雜，臭氣pH值低至3～4，對原生物濾塔腐蝕嚴重，處理效果甚微。處理后氣體排放仍然使周邊草地植物生長受到嚴重傷害。本工程以“等離子法+氣動乳化+生物法”組合工藝對原處理設施進行改造，通過前述小試試驗確定最優單元配置，生物濾塔前置加裝“等離子體+氣動乳化”一體化裝置，以氫氧化鈉水溶液作為氣動乳化淋洗液，對強酸性氣體進行中和。

2.1 除臭單元效果測試

(1)等離子單元除臭效果

如表3所示，單獨運行等離子單元處理臭氣時，除臭效果不太穩定，各項指標去除率波動較大。NH3去除率為33%～99%，H2S去除率為41%～99%，VOCs去除率為50%～77%。

表3 等離子體單元對臭氣凈化效果Tab.3 Purification Efficiency of Odor Removal by Plasma Reactor

(2)氣動乳化單元除臭效果

如表4所示，單獨運行氣動乳化單元處理臭氣時，NH3去除率為12%～34%，H2S去除率為10%～43%，VOCs去除率為16%～38%。氣動乳化單元主要靠氣液混合溶解去除部分污染物質，用堿性淋洗液對強酸性氣體pH有一定的調節作用。

表4 氣動乳化單元臭氣凈化效果Tab.4 Purification Efficiency of Odor Removal by Pneumatic Emulsion Unit

(3)生物濾池單元除臭

如表5所示，單獨運行生物濾池處理臭氣時，NH3去除率為9%～85%，H2S去除率為7%～35%，VOCs去除率為7%～26%。當進氣H2S濃度較高時，氣體酸性極強，生物濾池內菌種幾乎不起作用，對各項指標去除效率均在10%以下。

表5 生物濾池單元臭氣凈化效果Tab.5 Purification Efficiency of Odor Removal by Biological Deodorization Filtration

2.2 組合工藝除臭效果測試

組合工藝除臭效果如表6所示。

表6 等離子體-氣動乳化-生物法設備凈化效果Tab.6 Purification Efficiency of Odor Removal by Combined Deodorization Process

等離子體-氣動乳化-生物濾池組合工藝整體運行時，H2S和NH3的脫除率均穩定達到95%以上，VOCS的平均脫除率也達85%以上。NH3、H2S和VOCS的排放濃度均低于《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—1993)規定的標準值，實現達標排放。

由圖5可知，工程改造前，單獨的生物濾池對強酸性氣體處理效果不佳，周邊草木受酸性氣體毒害，大片枯黃，設備腐蝕嚴重。采用組合工藝對該除臭工程進行改造后，強酸性氣體得到有效處理，周邊草地樹木生長旺盛，設備腐蝕現象得以改善。

圖5 等離子體-氣動乳化-生物法處理強酸性臭氣工程改造前后Fig.5 Deodorization Treatment by Combined Deodorization Process before and after Reconstruction

3 經濟能耗分析

如表7所示，對示范工程進行經濟分析，以處理能力2 000 m3/h計，全年運行費用約為17 050元，折舊費用為17 000元。設備運行費用折合1.22元/(103m3廢氣)，設備折舊費用為1.214元/(103m3廢氣)，總處理成本為2.434元/(103m3廢氣)。

表7 示范工程投資運行費用能耗Tab.7 Investation Operation Cost of Demonstration Project

3.1 與單獨等離子技術經濟比對

按照等離子體技術設計，要處理2 000 m3/h的廢氣，其變壓器的功率為6.7 kW。采用等離子體-氣動乳化-生物塔惡臭氣體凈化系統的總功率為3.75 kW，與等離子體相比，減少44%(≥30%)，即2.95 kW，解決了單獨等離子體耗能大的問題。全年運行費用如表8所示。

表8 全年運行費用比對Tab.8 Comparison of Annual Operation Cost

3.2 與單獨生物技術比對

在達到相同的去除效率和處理相同風量的情況下，與單獨生物除臭技術相比，等離子體-氣動乳化-生物法系統中生物滴濾塔體積減小50%以上，能夠有效降低生物反應器的投資費用。要處理2 000 m3/h的惡臭廢氣，如果只采用生物滴濾塔處理，有效停留時間為20.6 s；而采用等離子-氣動乳化-生物塔惡臭氣體凈化系統，有效停留時間為6 s，停留時間減少了14.6 s。與單獨生物除臭技術相比，填料體積減少70.7%，投資和占地都明顯減小。

4 結語

隨著等離子體、氣動乳化和生物治理技術在臭氣污染治理中的不斷發展、成熟及應用，組合工藝具有傳統方法不可比擬的優越性，應用前景廣闊。通過對除臭工藝進行組合優化研究，得出以下結論。

(1)對除臭單元進行優化，蜂窩式電場結構對VOCs的凈化效率最高，為等離子單元結構最優配置方式；對氣動乳化單元內部結構進行優化，處理風量最佳的旋子數量為2個，獲得最佳氣液傳質效果；對生物過濾塔進行優化改造，形成下層壓降較小以好氧活動為主、上層壓降較大以兼氧和厭氧反應為主的高效生物除臭空間，獲得組合工藝最優配置。

(2)單一生物法對污水廠泵站強酸性氣體處理效果不佳。單獨開啟等離子和氣動乳化單元，對強酸性氣體有一定去除效果，但去除率不高且效果不穩定。

(3)利用組合工藝對強酸性氣體進行處理，H2S和NH3的脫除率均穩定達到95%以上，VOCS的平均脫除率也達85%以上，實現達標排放。組合工藝對強酸性氣體有很好的耐受性和去除效果，工程實施后，設備腐蝕及周邊草木受損的情況得到很好的改善。

(4)組合工藝具有低成本低能耗的優點，與單獨等離子技術相比，能耗及運行成本降低30%以上；與單獨生物除臭技術比較，生物除臭裝置體積減小50%以上，投資及占地明顯減少。