城市污水厂除臭组合新工艺的优化及应用

唐 霞，肖先念，李碧清，冯肇霖，谢逢俊

(1. 广州市净水有限公司，广东广州 510163；2. 广州广一大气治理工程有限公司，广东广州 510530)

污水输送、处理过程以及污泥处理处置过程中，都会产生恶臭气体[1]。臭气对人的神经系统、呼吸系统、循环系统、内分泌系统产生强烈的刺激作用，使工作人员效率低下。H2S等物质对污水处理设备有严重的腐蚀作用，造成经济损失[2-3]。目前，全国设市城市、县累计建成城镇污水处理厂4 000余座，污水处理能力约为1.78亿m3/d，随着城市化进程的大力推进，曾经地处郊区的污水处理厂已逐渐被密集的社区、商业中心等包围，新建和即将建设的污水处理厂甚至已经不得不处于居民区周围。这些临近居民区、交通要道的污水厂(泵站)，如果臭气问题解决不好，将造成负面的社会影响。污水处理厂臭气污染控制正在得到前所未有的重视。

为了有效控制厂界臭味，国家早在《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 1891—2002)中对厂界废气排放标准的最高允许浓度进行了明确规定。无论新旧污水厂，正形成以污水污泥各个处理环节加盖或密闭为基础并配以除臭装置的防控体系，从而保证厂界臭气达到国家排放标准，有效维护厂内外人群的身心健康。尽管如此，对于某些污水厂及其附属泵站，由于部分环节产生局部高浓度臭气，采用常规处理工艺仍然无法消除异味，因此，高浓度臭气处理新工艺的探讨值得进一步研究。

当前，污水处理过程中主流的除臭技术有等离子除臭技术、生物除臭技术等[4-5]。等离子体法具有效率高、处理时间短等优点；生物除臭法则具有运行费用低、操作简单和无二次污染等优点[6-7]。但仍存在不足：等离子技术气体流量较大时转化率不高、能耗高、可能造成二次污染等；生物处理恶臭废气也存在装置体积较大，易受污染负荷及组分的变化、非稳态工况影响等问题。为了弥补单项技术的不足之处，提高除臭系统的处理效果及稳定性，结合城市污水恶臭废气排放特征，将等离子体技术、生物过滤处理技术等单元技术系统集成，形成恶臭污染物深度净化的集成技术与设备，具有非常好的实用价值[8-10]。

针对某污水厂泵站的强酸性臭气，开发等离子-气动乳化-生物除臭组合工艺，利用等离子体中的活性粒子对臭气污染物进行初步去除，大分子物质转化为简单小分子，然后进入气动乳化塔，经乳化塔内的乳化剂进行气液交换及酸性中和，再进入生物处理装置进行分解净化。本研究对该工艺各单元进行优化配置，获得最佳组合工艺，并对泵站除臭工程进行生产性改造，获得了较好的处理效果。

1 除臭单元优化

1.1 等离子单元结构优化

通过对离子体反应器不同的电场结构(蜂窝式电场结构、平板式电场结构、管式单介质阻挡放电电场结构)进行优选，并对高压电源的特性和运行条件、高效合理的极配形式进行研究，使等离子体电场电功率密度最大，达到最佳净化效率。

(1)电场结构

蜂窝电场、平板电场和管式单介质电场如图1所示，蜂窝电场呈蜂窝结构状；板式电极结构采用不锈钢板作为正负电极；管式单介质电场采用石英玻璃管作为等离子体电场的阻挡介质，内电极为与石英玻璃管同轴的不锈钢齿型负电极。

图1 蜂窝电场、平板电场、管式单介质电场Fig.1 Honeycomb Electric,Plate Electric and Tube Single Medium Fields

(2)电源及其控制

采用高频脉冲电源控制装置，高频脉冲流光等离子体反应器的高压整流变压器采用单一输出可变参数高压调制的三相电源供电，具有恒流输出、自动复位、电场短路保护、电源过载保护等多种电气参数保护功能。

(3)等离子体设备

等离子设备测试如图2所示。

图2 等离子设备测试图Fig.2 Chart of Plasma Equipment Test Pattern

(4)测试结果

不同电场结构的等离子反应器对VOCs净化效果如表1所示。

表1 不同电场结构的等离子反应器对VOCs净化效果Tab.1 Purification Efficiency of VOCs Removal by Plasma Reactor of Different Electric Fields

蜂窝式电场模块对VOCs的净化效率的性价比最高，能够在较低的电功率密度情况下达到较为理想的净化效率。蜂窝式电场模块的最高电功率密度为44 615 W/m3，对VOCs的净化效率为52.3%。故选择蜂窝电场结构为等离子单元的配置模式，同时，采用良好的绝缘结构，将绝缘子与臭气相分离、不直接接触，保证绝缘性能良好，保证等离子净化设备长期高效率稳定运行。

1.2 气动乳化单元优化

气动乳化的工作原理是：臭气以一定角度从容器下端进入容器，形成旋转上升的紊流气流，与下流的不稳定溶液相碰，气液充分混合，形成一稳定的乳化液层。带着被捕集的杂质流经均气室落至吸收塔的底部。

在等离子和生物塔之间增加了气动乳化塔环节，提高气液的传质效率，同时，为后续生物菌提供一个稳态工况高效的培育环境，不易受污染负荷及组分的变化、外界环境温度的影响等问题。图3为气动乳化示意图。

图3 气动乳化示意图Fig.3 Schematic Diagram of Pneumatic Emulsification

通过对气动乳化塔内部结构试验，结果如表2所示，3 000 m3/h的处理风量最佳的旋子数量为2个，可明显观察到乳化层的气液混合状态。选择最佳的处理风量与气动乳化旋子的比例参数，作为高净化效率且低耗水量的气动乳化形式。

表2 气动乳化工艺单元不同旋子数量对废气中NH3的净化效率影响Tab.2 Purification Efficiency of NH3 Removal by Different Number Arch Plasma Equipment

1.3 生物除臭单元优化改进

针对常规的生物除臭塔，进行了优化改进，如图4所示。生物滤塔中从下往上设有生物滤塔循环水箱、大空隙填料层、小空隙填料层和生物滤塔喷淋系统的出水淋浴喷头，生物滤塔喷淋系统的进水口设在所属的生物滤塔循环水箱中，生物滤塔出口在上、进口设在生物滤塔循环水箱与空隙填料层之间的空间内。生物滤塔中大空隙填料层和小空隙填料层构成生物过滤层，其中，大空隙填料层可选用球形塑性填料，小空隙填料层可选用树皮类填料，大小空隙填料层厚度比例为1∶5～1∶1。气体进入生物滤塔后，首先穿越大空隙填料层，压损较小，与微生物反应，以好氧反应为主，之后进入小空隙填料层，压损较大，与微生物反应，以兼氧和厌氧反应为主，得到净化的气体由顶部烟囱排出。

注：12-生物滤塔循环水箱;13-大水箱泵空隙填料层;14-小空 隙填料层;15-生物滤塔喷淋系统;16-水箱泵;17-地面基础图4 生物除臭滤塔Fig.4 Biological Deodorization Filtration Tower

2 组合工艺实际工程应用

某污水厂泵站地处工业小作坊和人口密集地带，周边时有工业废水排入，造成该泵站臭气浓度较高(几十～数百mg/m3)且成分复杂，臭气pH值低至3～4，对原生物滤塔腐蚀严重，处理效果甚微。处理后气体排放仍然使周边草地植物生长受到严重伤害。本工程以“等离子法+气动乳化+生物法”组合工艺对原处理设施进行改造，通过前述小试试验确定最优单元配置，生物滤塔前置加装“等离子体+气动乳化”一体化装置，以氢氧化钠水溶液作为气动乳化淋洗液，对强酸性气体进行中和。

2.1 除臭单元效果测试

(1)等离子单元除臭效果

如表3所示，单独运行等离子单元处理臭气时，除臭效果不太稳定，各项指标去除率波动较大。NH3去除率为33%～99%，H2S去除率为41%～99%，VOCs去除率为50%～77%。

表3 等离子体单元对臭气净化效果Tab.3 Purification Efficiency of Odor Removal by Plasma Reactor

(2)气动乳化单元除臭效果

如表4所示，单独运行气动乳化单元处理臭气时，NH3去除率为12%～34%，H2S去除率为10%～43%，VOCs去除率为16%～38%。气动乳化单元主要靠气液混合溶解去除部分污染物质，用碱性淋洗液对强酸性气体pH有一定的调节作用。

表4 气动乳化单元臭气净化效果Tab.4 Purification Efficiency of Odor Removal by Pneumatic Emulsion Unit

(3)生物滤池单元除臭

如表5所示，单独运行生物滤池处理臭气时，NH3去除率为9%～85%，H2S去除率为7%～35%，VOCs去除率为7%～26%。当进气H2S浓度较高时，气体酸性极强，生物滤池内菌种几乎不起作用，对各项指标去除效率均在10%以下。

表5 生物滤池单元臭气净化效果Tab.5 Purification Efficiency of Odor Removal by Biological Deodorization Filtration

2.2 组合工艺除臭效果测试

组合工艺除臭效果如表6所示。

表6 等离子体-气动乳化-生物法设备净化效果Tab.6 Purification Efficiency of Odor Removal by Combined Deodorization Process

等离子体-气动乳化-生物滤池组合工艺整体运行时，H2S和NH3的脱除率均稳定达到95%以上，VOCS的平均脱除率也达85%以上。NH3、H2S和VOCS的排放浓度均低于《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—1993)规定的标准值，实现达标排放。

由图5可知，工程改造前，单独的生物滤池对强酸性气体处理效果不佳，周边草木受酸性气体毒害，大片枯黄，设备腐蚀严重。采用组合工艺对该除臭工程进行改造后，强酸性气体得到有效处理，周边草地树木生长旺盛，设备腐蚀现象得以改善。

图5 等离子体-气动乳化-生物法处理强酸性臭气工程改造前后Fig.5 Deodorization Treatment by Combined Deodorization Process before and after Reconstruction

3 经济能耗分析

如表7所示，对示范工程进行经济分析，以处理能力2 000 m3/h计，全年运行费用约为17 050元，折旧费用为17 000元。设备运行费用折合1.22元/(103m3废气)，设备折旧费用为1.214元/(103m3废气)，总处理成本为2.434元/(103m3废气)。

表7 示范工程投资运行费用能耗Tab.7 Investation Operation Cost of Demonstration Project

3.1 与单独等离子技术经济比对

按照等离子体技术设计，要处理2 000 m3/h的废气，其变压器的功率为6.7 kW。采用等离子体-气动乳化-生物塔恶臭气体净化系统的总功率为3.75 kW，与等离子体相比，减少44%(≥30%)，即2.95 kW，解决了单独等离子体耗能大的问题。全年运行费用如表8所示。

表8 全年运行费用比对Tab.8 Comparison of Annual Operation Cost

3.2 与单独生物技术比对

在达到相同的去除效率和处理相同风量的情况下，与单独生物除臭技术相比，等离子体-气动乳化-生物法系统中生物滴滤塔体积减小50%以上，能够有效降低生物反应器的投资费用。要处理2 000 m3/h的恶臭废气，如果只采用生物滴滤塔处理，有效停留时间为20.6 s；而采用等离子-气动乳化-生物塔恶臭气体净化系统，有效停留时间为6 s，停留时间减少了14.6 s。与单独生物除臭技术相比，填料体积减少70.7%，投资和占地都明显减小。

4 结语

随着等离子体、气动乳化和生物治理技术在臭气污染治理中的不断发展、成熟及应用，组合工艺具有传统方法不可比拟的优越性，应用前景广阔。通过对除臭工艺进行组合优化研究，得出以下结论。

(1)对除臭单元进行优化，蜂窝式电场结构对VOCs的净化效率最高，为等离子单元结构最优配置方式；对气动乳化单元内部结构进行优化，处理风量最佳的旋子数量为2个，获得最佳气液传质效果；对生物过滤塔进行优化改造，形成下层压降较小以好氧活动为主、上层压降较大以兼氧和厌氧反应为主的高效生物除臭空间，获得组合工艺最优配置。

(2)单一生物法对污水厂泵站强酸性气体处理效果不佳。单独开启等离子和气动乳化单元，对强酸性气体有一定去除效果，但去除率不高且效果不稳定。

(3)利用组合工艺对强酸性气体进行处理，H2S和NH3的脱除率均稳定达到95%以上，VOCS的平均脱除率也达85%以上，实现达标排放。组合工艺对强酸性气体有很好的耐受性和去除效果，工程实施后，设备腐蚀及周边草木受损的情况得到很好的改善。

(4)组合工艺具有低成本低能耗的优点，与单独等离子技术相比，能耗及运行成本降低30%以上；与单独生物除臭技术比较，生物除臭装置体积减小50%以上，投资及占地明显减少。