污泥堆肥项目中除臭技术的选择与设计
摘 要:介绍了我国污泥堆肥（生物干化）项目臭气治理现状，指出除臭问题是制约污泥堆肥技术推广应用的关键。对比各种除臭技术，分析了污泥堆肥臭气成分和除臭机理，得出结论：化学生物组合除臭工艺与植物液除臭工艺相结合是适合污泥堆肥项目的选择。最后介绍了除臭系统设计选型的主要参数，指出在污泥处理工艺设计中考虑除臭系统可节省投资和运行成本。
关键词:污泥堆肥,生物干化,生物除臭,化学除臭,植物液
1 我国污泥堆肥（生物干化）项目臭气治理现状
随着国内污水处理率的提高，污泥处置厂建设也提上了各地完善基础设施建设的日程。污泥堆肥（生物干化）技术作为适合我国国情的污泥处置技术被许多业内人士看好，但污泥堆肥（生物干化）项目中臭气污染问题和除臭技术的发展也引起越来越多的关注。
国家1 9 9 3 年制定了《恶臭污染物排放标准》（GB14554-1993），但由于技术局限性，仅仅在部分行业应用，尤其是与百姓息息相关的市政行业并没有真正落实推广。2002年12月4日发布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002），对于NH3、H2S、臭气浓度、甲烷等物质厂界排放最高允许浓度给出明确指标要求。对于废气排放规定“2003年6月30日之前建设（包括改、扩建）的污水处理厂，实施标准的时间为 2006年1月1日；2003年7月1日起新建（包括改、扩建）的城镇污水处理厂，自本标准实施之日起开始执行。” 污泥堆肥（生物干化）项目现虽未制定专门标准，但也应纳入上述标准规范范畴。
目前国内正常运行的污泥堆肥（生物干化）项目中仅有唐山西郊污水处理二厂污泥堆肥项目设置了专用生物除臭滤池，其它项目的原设计基本未考虑除臭问题。北京大兴庞各庄污泥消纳厂和洛阳瀍东污水处理厂污泥生物干化项目在建成后拟增加除臭系统，但由于厂房容积过大，现有除臭技术无法达到经济、高效的处理效果，因此均未实施。北京原先规划建设的北部1100t/d污泥堆肥消纳厂和东部1100t/d污泥堆肥消纳厂由于臭气污染问题被无限期搁置。由此可见，污泥堆肥（生物干化）项目的实施越来越多地受制于臭气污染问题的解决程度，从而也促进了专门针对污泥堆肥（生物干化）项目的除臭技术的发展。
2 除臭技术概述
国内外的除臭方法大体上可分为化学除臭法、物化除臭法和生化除臭法等几类，此外，植物液喷淋作为大面积开放空间的臭气控制方法近几年也得到了一定应用。
2.1 化学除臭法
所谓化学除臭法, 即是添加某些化学药剂, 使之与具有臭味的物质发生反应, 从而达到除臭的目的。具体可以分为：
（1）氧化法
臭气中的臭源物质有很多具有还原性，故可以采用强氧化剂将其氧化为无臭化合物，达到除臭目的。
（2）催化氧化法
采用催化氧化法可以使醇、醛、酮、酸、烃等有机物分解, 因此，可以采用该法去除由于某些有机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烧等。
（3）高压静电法
由于臭味物质分子在高压静电场内，在Tyndall效应直接作用下产生的氧化性极强的活性粒子或自由基氧化， 改变了本身的化学结构，变成无特征发臭基因的物质。
2.2 物化除臭法
目前普遍应用的物化除臭法是吸附法，常用的吸附剂有活性炭、活性碳纤维、沸石、某些金属氧化物和大孔高分子材料等。活性炭是传统的吸附剂之一，由于其比表面积大, 吸附量较大, 广泛应用于各行各业。但因为它存在吸附量有限、抗湿性能差、再生困难、造价高、寿命不长等缺点，在除臭方面人们正致力于研究某些新的吸附剂以取而代之。
2.3 生物除臭法
生物除臭法是通过微生物的生理代谢作用将具有臭味的物质加以转化，从而达到除臭的目的。
（1）生物过滤法
生物过滤法是使收集到的废气在适宜的条件下通过长满微生物的填料，臭源物质先被填料吸收，然后被其上的微生物氧化分解，除去臭味。生物滤池的正常工作要求微生物保持较高活性，因此，要在滤池内创造适宜的温度、pH值、氧气含量、湿度和营养等微生物生长所必须的环境条件。同时，臭源物质的去除效果与反应速度、停留时间、臭源物质浓度等因素有关，在设计和应用时应注意考虑。生物过滤技术应用于处理城市污水处理厂散逸的恶臭，具有投资省、操作管理简单、运行费用较低、安全可靠等优点。
（2）生物吸收法
将恶臭气体与含有活性污泥的生物悬浮液逆流通过吸收器，臭源物质被悬浮液中的活性污泥吸收，净化后的气体由吸收器顶端排出。该类装置对去除含氨、酚、乙醛等恶臭气体效果较好，但处理含S的恶臭物质效果不明显。
2.4 植物提取液异味控制技术
植物提取液异味控制技术是由350多种天然植物的提取液配制成工作液来消除空气中的异味，尤其是消除由有机物散发的恶臭。它的技术特点在于不仅适合于各类型封闭式、小型的环境，更适合于开放式的或大面积的场所。
在天然植物提取液异味控制技术中，所使用的工作液由一系列植物提取液复配而成，这些植物提取液是从树、草和花等植物中提取的含有气味的有机物。
这些有味的有机物含有大量的复杂的化合物，它们都是绝大多数植物油的主要成分，可以分成四大类：
（1）萜烯类：这类天然存在的化合物是植物油中最重要的成分。它们都有相同的经验式C10H16。例如，蒎烷、薄荷烷。
（2）直链化合物：组成这一部分的化合物有醛、醇和酮。它们存在于一系列由水果中提取的可挥发的植物油中。如葵醇、月桂醇。
（3）苯的衍生物：这些化合物与从苯，特别是从丙苯衍生出来的化合物。
（4）其它化合物：如，香草醛、肉桂酸和甲酸香叶酯等。
植物提取液通过控制设备经专用喷嘴雾化成雾状，在微小的液滴表面形成极大的表面能。该表面能可以吸附空气中的臭气分子，并使臭气分子中的立体结构发生改变，变得不稳定；此时，溶液中的有效分子可以向臭气分子提供电子，与臭气分子发生反应；同时，吸附在液滴表面的臭气分子也能与空气中的氧气发生反应。经过植物提取液作用，臭气分子将生成无味无毒的分子，反应的产物不会形成二次污染。
植物液除臭系统不需要耗用大量的电能，使用安全简单，操作方便，仅需要定期补充工作液，整个系统维护和运营费用低廉。
3 污泥气主要成分与除臭机理分析
在污水处理或污泥处置工艺过程中产生的气味物质主要由碳、氮和硫元素组成。只有少数（并非少量）的气味物质是无机物，如：氨（NH3）、膦（PH3）和硫化氢（H2S）；大多数的气味物质是有机物，如：低分子脂肪酸、胺类、醛类、酮类、醚类、卤代烃以及脂肪族的、芳香族的、杂环的氮或硫化物。
对于污泥堆肥（生物干化）项目来讲，污泥气主要成分分为三类：NH3、H2S、VOC（可挥发性有机物）。在类似的运行条件下，VOC的产生量一般与污泥中的固有量成正比例；而NH3、H2S的量与工艺运行参数选择和运行实际工况紧密相关。影响NH3产生量的重要指标是堆肥物料的C/N，适合的C/N值应介于25～30之间，但由于大多数市政污泥的C/N值远低于这个值，因此N转化成NH3 挥发出来。影响H2S产生量的主要原因是物料堆体内氧含量，由于曝气过程间断进行，固体物料中空气扩散过程极其复杂，因此不可避免会有厌氧环境存在，也会有部分H2S产生。
针对以上三类物质的特性，可以采用化学+生物+植物液喷淋组合除臭技术加以控制。
3.1 污泥气化学除臭机理
臭气中所含的污染物是多样而复杂的，既有疏水性物质，也有亲水性物质。通过喷淋化学溶解吸附过程，可去除大部分亲水性物质。可以用较少的成本降低后续工艺的负荷。
上述三类物质的亲水/疏水特性如表1所示。
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3.2 污泥气生物除臭机理
无法溶于水的臭源物质需要依靠生物方法去除。污泥气中的臭源物质大都带有活性基团，容易发生化学反应，特别是被氧化。当活性基团被氧化后，气味就消失，生物除臭就是基于这一原理（见下图）。反应方程式如下：
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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滤池、生物洗涤塔和生物滴滤池。在应用中，方法的选择应根据废气中污染物的类型与性质而定。常规的除臭生物反应器，主要采用细菌作为微生物的主体，细菌适合于在水中或潮湿的环境中生存。因此，对于水溶性好的污染物，利用细菌进行生物降解，会得到很好的去除效果。但是，对于在水中溶解度低的物质，细菌表面的水层将影响传质速率，导致处理效率降低。
利用真菌降解疏水性或水溶性差的污染物，其降解效率高于细菌的降解效率。真菌可在较干燥的环境中生长，无需连续喷洒水来维持湿润环境，这就使得臭味物质可直接与微生物接触并被降解；真菌适应的pH值为3～6，处理酸性臭气或出现酸性积累时，不需要加碱调整pH值。特别是对于某些有机物的真菌的降解能力高于细菌。
3.3 污泥气植物液除臭机理
植物液除臭作为无法完全封闭空间与外界接触面除臭安全保障措施对于污泥堆肥（生物干化）项目是必要的。工作液通过控制设备经专用喷嘴雾化成雾状，溶液的表面不仅能有效地吸附空气中的异味分子，同时也能使吸附的异味分子的立体构型发生改变。工作液与臭气分子的反应为：工作液通过控制设备经专用喷嘴雾化成雾状，在空间扩散液滴的半径≤0.04mm，液滴形成巨大的表面能，平均每摩尔为几十千卡；这个数量级的能量已是很多元素中键能的1/3～1/2，此时，溶液中的有效分子可以向臭气分子提供电子，与臭气分子发生反应；该表面能可以吸附空气中的臭气分子，并使臭气分子中的立体结构发生变化，变得不稳定；同时，吸附在液滴表面的臭气分子也能与空气中的氧气发生反应。经过植物提取液作用，臭气分子将生成无味无毒的分子，如水、无机盐等等，从而消除臭气，并且反应的产物不会形成二次污染。
（1）酸碱反应：如植物提取液中含有生物碱，它可以与硫化氢等酸性臭气分子反应。与一般酸碱反应不同的是，一般的碱是有毒的，不可食用的，不能生物降解的。而天然植物提取液能进行生物降解，无毒。
（2）催化氧化反应：如硫化氢在一般情况下，不能与空气中的氧进行反应。但在天然植物提取液的催化用下，可以与空气中的氧气发生反应。以硫化氢的反应为例：
R-NH2+H2S→R-NH3 ++SH- R-NH2+SH-＋O2＋H2O→R-NH3+SO4 2-+OH- R-NH3 ++OH-→R-NH2+H2O
（3）路易斯酸碱反应：在有机化学中，能吸收电子云的分子或原子团称为路易斯酸，在有机硫的化合物中，硫原子的外层有空轨道，可以接受外来的电子云，因此可称这类有机物为路易斯酸。相反，能提供电子云的分子或原子团称为路易斯碱。一般带负电荷的原子团、含氮的有机物属于路易斯碱。例如，苯硫醚与天然植物提取液的反应就属于这一类。苯硫醚是一个路易斯酸，而在其中的含氮化合物属路易斯碱。两者可以反应。
（4）从热力学的角度讨论。经过雾化的天然植物提取液液滴，其直径在0.04mm以下。在这种情况下，液滴的表面能已达到一些有机化合物键能的1/3和1/4。在这种情况下，可以破坏臭气分子中的键，使它们不稳定，易分解。
（5）氧化还原反应：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还原性，它们可以直接进行反应。
4 适用的除臭系统及设计
4.1 收集系统
目前尚没有专门针对污泥堆肥（生物干化）项目的设计规范，一般可以参照相关污水设计规范中的规定并结合实际情况取值：无人作业空间1～3次/小时；非发酵仓有人作业空间6～8次/小时；发酵仓有人作业空间 12次/小时。
此外，应根据曝气量校核换气量，确保车间内任何部分都保持负压。风机设置应考虑可以调节风量，以适应变化的气候和运行情况。非隧道仓建筑物形式应设计空气收集管道，并应重点考虑防腐蚀。
4.2 处理系统
处理系统的设置可以考虑化学生物组合除臭系统与植物液喷淋系统相互独立。
化学生物组合除臭系统中的化学系统根据预计处理亲水物质量核算（与污泥处理工艺相关）；生物系统主要应考虑的参数（以生物滤池为例）见表2。
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植物液喷淋系统主要应考虑以下部位：车间与外界连接的门窗，有人操作空间与无人操作空间之间的连接部位（包括门窗、设备连接通道、管沟等）。根据所选型的植物液雾化喷头的能力确定最终设置数量，由总能力和最不利点位置核算选型植物液喷淋系统泵的型号。
5 结语
（1）为了避免对环境产生二次污染和保障操作人员的健康安全，污泥堆肥（生物干化）系统应重视考虑除臭问题，并应选择不同配置的除臭系统。
（2）造价和运行成本是限制污泥堆肥（生物干化）项目除臭技术应用的主要制约因素，针对污泥气主要成分考虑组合除臭工艺，可以在较低成本的前提下取得良好的效果。
（3）在污泥堆肥（生物干化）工艺设计中考虑除臭问题，如调解合适C/N值，减少臭气溢出量，减少建筑物空间容积，可以收到事半功倍的效果。
参考文献：
[1] 王涛，霍跃文.污泥堆肥工艺流程中物料输送方式的选择[J].中国环保产业， 2005（8）.
[2] 王涛，田德龙，修玉凤，等.SACT污泥快速堆肥工艺[J].中国环保产业， 2008（7）.
(本文作者来自北京机科发展科技股份有限公司)
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