城市生活排水系统废气产排量测算模拟研究——以餐饮污水为例

方晓波， 王镇鑫， 黄建洪， 方战强*， 任明忠， 虢清伟

(1.华南师范大学化学与环境学院，广州 510006； 2.环境保护部华南环境科学研究所，广州 510655)

城市排水系统是城市污水与雨水的收集、输送、处理和排放等工程设施以一定方式组成的总体，包括污水收集系统和处理系统，维系着城市的正常运转[1].目前，城市中的餐饮酒店、餐饮一条街或者餐饮中心区，造成了城市生活污水中餐饮污水比例上升.城市污水排放、输送和处理过程中会产生NH3、CH4、H2S、CO2等有害气体[2]，成为城市大气环境污染治理的主要问题之一.由于餐饮污水的特性，在城市排水系统中水质指标变化规律与其他生活污水会有所不同，产生的有毒气体特性以及产气规律也有所不同.亓鹏玉等[3]研究了城市污水厂CH4的释放通量，发现高的CODCr质量浓度有助于CH4的产生和释放；吴九如[4]研究了下水道H2S的产生及监测，表明污水中的硫化物、硫酸盐及一定的环境条件是产生H2S的原因.国外学者对城市污水在下水道系统中的有机物转化规律开展了大量研究，阐明了下水道系统类似一个反应器，影响污水的水质和后续的处理[5-6].城市排水系统中存在大量高活性的微生物，污水中微生物不断发生增殖、适应及选择等物理、化学和生物过程，并在原污水中不断诱导出活性很强的微生物群落，使污水中的有机物持续地发生降解[7].城市排水系统中废气污染物产生的有毒有害气体浓度高、成分复杂，对人群健康和环境会产生不良影响.本文以餐饮污水为对象，模拟城市排水系统研究生活污水的产气规律及其产气系数，为实际排水系统的研究提供理论基础，具有重要意义.

1 实验部分

1.1 实验装置与试剂

图1为生活污水厌氧模拟试验装置，用直径400 mm、高1 200 mm的有机玻璃柱加工而成.反应器中部设置一个固定的恒温加热棒，由于搅拌桨的搅拌作用，加热棒输入的热量得以迅速扩散，使模拟污水温度满足试验要求.反应器上设有取样孔用于监测气体；靠近反应器底部设有取样口取水样.氮气通过反应器顶部输入，用于吹除液体上方气体，通过试验过程的气体浓度和液面上方气体的体积可以计算出每间隔一段反应时间，污水中微生物厌氧所释放出的特征气体量，进而确定产排污系数.

模拟试验餐饮污水采自华南师范大学大学城校区生活北区饭堂的污水排放口，污水水质状况见表1.污泥采自广州市沥滘污水处理厂二沉池.

表1 污水水质状况Table 1 Sewage quality

1.2 实验方案

(1)城市餐饮污水在自然状态下的降解.将污泥按反应装置体积的5%与污水加入反应器中，保持 40 r/min，测定初始污水的水质浓度.24 h稳定培养后，每隔1 h采样1次，观察污水在自然状态下的厌氧降解变化.

(2)城市餐饮污水在不同温度下的厌氧降解.将污泥按反应装置体积的5%与污水加入反应器中，保持 40 r/min，测定初始和结束时水质浓度，每隔1 h监测1次气体变化.观察在相同停留时间内不同温度(25±0.2 ℃、30±0.2 ℃、35±0.2 ℃)，污水中废气的产生.

1.3 水质分析

CODCr：快速密闭消解法；NH3-N：纳氏试剂光度法；硫酸盐：铬酸钡光度法；硫化物：对氨基二甲基苯胺光度法[8，9].

1.4 气体分析

采用美国生产的城市下水道复合式多气体检测仪 iBRID MX6 进行测定.该仪器内含有 O2、NH3、H2S、CH4、CO2等5种气体传感器,能直接测定气体浓度.

1.5 相关系数和产气系数确定

以CH4体积分数数据作为纵坐标，污水水质指标的质量浓度数据作为横坐标，作图后进行线性回归分析，确定任意两者间的相关系数.

产气系数是指每降解单位质量的水质物质(CODCr、氨氮、硫酸根等)时所产生的气体量，本实验的气体容量设计为37.68 L，液体的设计体积为125.6 L，再结合拟合方程的斜率便可算出产气系数(最后将其换算为单位g/kg).相关系数越大且产气系数越稳定，说明其对应的气体的产生与对应的这种水质指标的相关性就越大.

2 结果与讨论

2.1 餐饮污水水质随反应时间变化规律

餐饮污水的化学需氧量CODCr质量浓度在600～700 mg/L之间.在不同温度下，CODCr稳定降解(图2).在25、30、35 ℃条件下，经过48 h的厌氧反应，CODCr分别降低了66%、71%、78%. 通过拟合，3种温度下的CODCr降解方程均符合一级动力学方程(表2).在25、30、35 ℃下，CODCr的降解系数分别为10.28、10.41、10.60 mg/(L·h)，表明随着温度的升高，CODCr降解系数增加.

图2 不同温度下餐饮污水CODCr浓度变化

表2 3种温度下的CODCr降解方程Table 2 Degradation equation of CODCr at different temperatures

餐饮污水的NH3-N质量浓度不高(图3)，为3.0～5.0 mg/L，在以上3个温度下均降低.在25、30、35 ℃条件下，经过48 h的厌氧反应，氨氮分别降低了71%、69%和62%.

图3 不同温度下餐饮污水NH3-N质量浓度变化

图4 不同温度下餐饮污水质量浓度变化

餐饮污水中硫化物浓度前40 h内持续上升，但实验末段时间，其浓度呈下降趋势，整体呈类倒V字型(图5).从硫化物浓度变化图来分析，餐饮区生活污水的硫化物浓度不高，整体上稳定上升.25 ℃下，42 h的厌氧反应使硫化物从0.1 mg/L上升到1.7 mg/L；30 ℃和35 ℃时，则分别上升到0.65 mg/L和3.3 mg/L.说明硫化物的产生与温度的关系大.不同温度下，污水中的菌体活性不同，所以硫化物上升曲线不尽相同.在厌氧条件下，硫酸盐还原菌能利用有机物作为碳源,并利用细菌生物膜内产生的氢,将硫酸盐还原成H2S，使得污水中的硫化物浓度增加[10].随着时间推移，污水中部分微生物因缺乏营养进入衰亡期，使细胞体大量的硫元素扩散至污水中，所以硫化物浓度的增长速度在后期增长显著.在某些时间段出现下降或者上升平缓的情况，因为污水中可能存在少量硫氧化菌，能利用溶解的硫的化合物，从中获得能量，且能把H2S氧化为硫，并再将硫氧化成硫酸盐.实验过程中无法做到完全厌氧，在溶解氧存在的条件下，硫化物可被硫细菌氧化为硫酸盐.在污水中，H2S、硫化物和硫酸根三者息息相关，硫化物浓度不断上升导致溶解于污水的H2S也不断增加，当达到平衡时，会从污水中不断溢出，使得气体中的H2S也不断增加.当水体中缺少溶解氧和硝酸根离子时，硫酸盐被细菌还原成H2S，使硫酸盐浓度下降.

图5 不同温度下餐饮污水硫化物浓度变化

2.2 产气情况

各温度下CH4的产气(图6)以前期平缓，中期加速上升，后期产气量停滞甚至下降为共性.待生化反应进行一段时间，水中含氧量降低，以至厌氧程度加深，达到产甲烷菌的所需条件，CH4便源源不断产生.到40 h后，水中有机物基本耗尽，CH4的产生量才趋于平缓，甚至略微下降.

图6 不同温度下CH4的产气

从CH4产生曲线图来分析，以餐饮区为主的生活污水产生的CH4体积分数偏高，大概为0.8%～3.6%.在不同温度下，CH4产生均稳定上升(图6).在35 ℃条件下经过48 h的厌氧反应，产生CH4产生的体积明显高于25 ℃和30 ℃下产生的体积.CO2的产气规律在前期平缓，中期加速上升，后期产气量停滞甚至下降(图7).实验开始就产生CO2，且随时间的推移不断上升，约40 h左右，产气量达到最大值. 在35 ℃条件下经过48 h的厌氧反应，产生CO2的体积明显高于25 ℃和30 ℃下产生的体积.说明CO2的产气量与温度有关，温度越高产气越多.

图7 不同温度下CO2的产气

除了35 ℃时H2S的产量较少外，25 ℃和30 ℃时H2S的产气规律一致(图8).实验开始阶段，H2S产气速率缓慢，随着生化反应的不断进行，大概到20 h后，H2S产气量大幅上升.约40 h后达到最大值，随后缓慢下降.在不同温度下，经过48 h的厌氧反应，35 ℃下的H2S产气量明显低于25 ℃和30 ℃，原因是温度较高时抑制了微生物的正常生理活动，使H2S产气量骤降.所以温度是影响H2S产生的重要因素.

图8 不同温度下H2S的产气

2.3 产气量与污水水质变化的关联性分析

在25、30、35 ℃条件下，CH4、CO2与CODCr的相关性均较高(表3,表4)，平均相关系数分别为0.969、0.947，而且产气系数的稳定性也较高，说明CODCr是影响CH4、CO2产生的最重要污水水质指标.

表3 甲烷与污水水质指标变化的关联性Table 3 Relationship between methane and sewage quality

表4 二氧化碳与污水水质指标变化的关联性Table 4 Relationship between carbon dioxide and sewage quality

表5 H2S与污水水质指标变化的关联性Table 5 Relativity between hydrogen sulfide and sewage quality changes

3 结论

(2)在各个温度条件下，CH4、CO2、H2S的产生量均整体呈上升趋势.

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