城镇污水处理空气污染物排放特征与监管技术

第1章绪论 随着我国城镇化进程的快速发展和城镇人口的增长，导致城镇污水排放量增加，市政污水处理行业也进入了快速发展阶段。截至2019年，我国运行的污水处理厂总计9213座，平均每日处理污水量达18117万m3。城镇污水处理厂污水、污泥处理过程中会产生并逸散恶臭气体、挥发性有机物和生物气溶胶等典型空气污染物（简称“空气污染物”），这些排出的空气污染物不仅对污水处理厂内员工及周边居民的身体健康产生不良影响，而且还会影响周边城镇环境空气质量。与此同时，我国污水的排放标准在逐步提高，人们对生活环境的要求也显著提高，使得城镇污水处理厂排放的空气污染物受到越来越多的关注。此外，污水处理厂产生并逸散的空气污染物也成为区域细颗粒污染及灰霾复合污染的重要来源，表明城镇污水处理厂排放的空气污染物已经由单一的环境问题，演变为环境和社会的综合性问题。由此可见，研究城镇污水处理厂空气污染物的监测方法、控制技术及管理手段，减少这些典型空气污染物对城镇污水处理厂周边大气环境的影响，已经成为城镇生态环境管理部门亟待解决的重要问题之一。 1.1污水处理过程中空气污染物 1.1.1污水处理过程中恶臭气体的来源与种类 1.恶臭气体来源 城镇污水处理厂的恶臭气体主要来源于污水和污泥处理单元中各类化合物的生物降解过程，主要集中在预处理段、生化处理段和污泥处理段。 污水处理预处理单元的恶臭气体是污水在排水管网中长距离传输过程中产生的。污水在排水管网中的停留时间较长，溶解氧逐渐被消耗，产生了厌氧环境，此时厌氧微生物会大量繁殖，使得污水中的硫酸盐被还原产生硫化氢（H2S），污水中的有机物被生物降解而产生氨（NH3）、胺类、硫醇和硫醚类等恶臭气体。这些排水管网中产生的恶臭气体在污水经过进水泵站、格栅和沉砂池构筑物时，水流产生巨大的扰动和跌水现象，导致溶解于污水中和不溶解于污水中的恶臭气体大量逸出。此外，污水处理厂格栅拦截的较大漂浮物中含有较多的有机物，栅渣的堆积也会造成有机物厌氧发酵产生恶臭气体。 污水在生化处理单元也会产生并排放恶臭气体，但其浓度低于预处理单元和污泥处理单元。在污水流速过高或曝气不足时，生化处理区会出现厌氧区域，致使厌氧微生物通过还原作用产生NH3、挥发性硫化物（volatile sulfur compounds，VSCs）等恶臭气体和挥发性有机物（volatile organic compounds，VOCs）。这些恶臭气体在强烈的曝气状态下大量逸出，使污水生化处理单元也成为一个恶臭气体的排放源。此外，城镇污水处理为了实现高效脱氮除磷，经常在好氧区前段设置厌氧区。厌氧区产生恶臭气体是不可避免的，并在好氧区大量逸散。 污泥处理单元也是恶臭气体产生的主要场所之一。一方面，污泥的成分较为复杂，污水中存在的含氮或含硫有机物会随着污泥下沉，致使污泥在自然堆放条件下内部形成厌氧环境，造成NH3和VSCs等恶臭气体的产生并释放。另一方面，城镇污水处理厂常见的污泥浓缩和脱水工艺在实现污泥中微生物破壁和脱水的过程中，也会将其中的大量恶臭气体释放出来。在污泥处理处置过程中，污泥处理负荷、污泥稳定程度、堆放方式、气候条件（包括日照、气温、适度和风速等）都会显著影响恶臭气体的排放。有研究表明，城镇污水处理厂的污泥处理单元与污水进水区产生的恶臭气体量相当。 表1.1列出了城镇污水处理厂主要构筑物恶臭散发率。 2.恶臭气体种类 城镇污水处理厂产生和散发的恶臭气体大都由碳、氮、硫三种元素构成，包括有机化合物和无机化合物。现有文献报道的城镇污水处理厂释放的恶臭气体，一般可以分为以下五类： (1)含硫化合物（VSCs），如H2S、硫醇类和硫醚类； (2)含氮化合物，如NH3、胺类和吲哚类等； (3)烃类化合物，如烷烃、烯烃、炔烃和芳香烃等； (4)含氧有机物，如醇、醛、酮、酚以及有机酸等； (5)卤素及其衍生物，如氯气和氯代烃等。 其中，(3)、(4)和(5)类成分复杂，种类繁多，更多以VOCs的形式体现。 表1.2列举了典型的恶臭气体成分嗅阈值和气味描述，包括NH3、H2S、甲硫醇（MT）、甲硫醚（DMS）、二甲基二硫醚（DMDS）和二硫化碳（CS2）等恶臭气体成分。在城镇污水处理厂散发的恶臭气体中，从嗅阈值（表1.2）来看，MT嗅阈值*低，NH3和CS2的嗅阈值较高。 1.1.2污水处理过程中VOCs的来源与种类 目前我国常用标准中，对VOCs的定义主要表述为参与大气光化学反应的有机化合物，或者根据有关规定确定的有机化合物。VOCs种类繁多，按其化学结构的不同，可以进一步分为八类：烷类、芳烃类、烯类、卤烃类、酯类、醛类、酮类和其他，是当前人类面临的*为复杂的一类污染物，它们具有较强的毒性，长期接触可严重危害人体健康。在表征VOCs总体排放情况时，根据行业特征和环境管理要求，可采用总挥发性有机物（以TVOC表示）、非甲烷总烃（以NMHC表示）作为污染物控制项目。 VOCs来源广泛，主要有自然源和人为源两大类，其中人为源包括工业企业排放、机动车尾气排放、油品挥发泄漏、溶剂使用排放等，而污水处理厂是其中不容忽视的人为排放源之一。城镇污水处理过程中排放的VOCs主要是从原污水直接挥发出来或者由微生物对污水中有机物分解而来。污水处理过程中释放的VOCs成分非常复杂，目前已发现城镇污水处理排放的VOCs包括烷烃、烯烃、芳香烃、卤代烃、乙腈、含氧有机物和含硫有机物等80余种(刘舒乐等，2011;杨庆等，2019)。同时，有研究成果表明，初沉池、曝气单元、污泥处理单元排放的VOCs浓度相对较高(杜亚峰等，2018;周咪等，2011)。已有研究对城镇污水处理厂不同处理工艺、不同处理单元排放的VOCs种类进行了汇总，分别见表1.3和表1.4。 1.1.3污水处理过程中生物气溶胶的来源与种类 生物气溶胶是悬浮于空气中包含细菌、真菌、病毒等微生物或生物大分子物质的胶体性微粒，广泛存在于自然界中，其来源分为自然逸散和人为逸散。自然逸散包括水体、植被的自然蒸发；人为逸散包括畜禽养殖、污水及固废处理。20世纪80年代以来，人为逸散源生物气溶胶特征及潜在健康风险引起越来越多的关注，尤其是污水生物处理过程。目前的城镇污水处理普遍采用二级生物处理工艺，即利用微生物吸附、降解、转化污水中的有机物和某些无机物。因此，污水及其处理系统中含有大量的微生物，包括各种细菌、真菌、病毒和原生动物等。国内外许多学者通过监测、调研等手段，研究污水处理厂生物气溶胶的逸散。有研究发现，污水处理的各个阶段均可产生生物气溶胶，其中进水格栅、曝气池、污泥脱水机房等单元是主要的逸散源，在充氧曝气、推动水流、污泥脱水等过程中，因机械设备搅拌和曝气扰动，污水或污泥中的一些粒径较小的微生物（粒径范围在1～100μm）很容易逸散到空气中，这些微小粒子在空气中发生气溶胶化，形成生物气溶胶。监测结果显示，曝气沉砂池、生物反应池以及污泥脱水机房散发的生物气溶胶在空气中的浓度达到10～1000CFU/m3(Pascual et al，2003;Sanchez Monedero et al，2005)。 在污水处理厂，生物气溶胶的种类主要包括细菌、真菌、病毒、内毒素等，其中细菌占绝大多数。Bacillus sp、Escherichia sp、Pseudomonas sp和Staphylococcus sp是生物气溶胶中常见的细菌，Penicillium sp、Rhizopus sp和Aspergillus sp是常见的真菌。污水处理厂空气中检出金黄色葡萄球菌和肺炎双球菌等致病菌以及大肠杆菌和草绿色链球菌等条件致病菌（表1.5）。 从以上分析可以得出，在城镇污水处理厂不同功能区产生的生物气溶胶的种类和浓度均不同。因此，应全面对城镇污水处理厂中产生的生物气溶胶特性及影响因素进行分析，针对不同的生物气溶胶采取相应的措施进行控制。