杜亚峰1，李 军1 ，赵 珊2，李健伟2
北京工业大学城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室，北京 100124；2.北京城市排水集团有限责任公司科技研发中心，北京 100022)
原标题为《污水处理厂恶臭气体分布规律及挥发性气体定量评价》，发表在《净水技术》2018年第7期
2013年的统计数据显示，目前全国已有3 600余座污水处理厂，年处理污水量能达到344亿m3，污水处理厂运行过程中有大量的恶臭气体产生，其恶臭污染问题日益突出。很多研究表明，格栅、初沉池及污泥处理工艺是城市污水厂的主要恶臭源。污水进水携带及曝气池中微生物分解产生的恶臭物质，在污水和污泥传输的过程中散发出来，严重影响周边居民的身体健康和生活质量。
城市污水处理厂逸出的恶臭物质一般可以分为以下五类：第一类是含硫化合物，如硫化氢、硫醇类、硫醚类等；第二类是含氮化合物，如氨气胺类等；第三类是烃类化合物，如烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等；第四类是含氧有机物，如醇、醛、酮、酚以及有机酸等；第五类是卤素及其衍生物，如氯代烃等。当前，多数污水处理厂只关注第一类和第二类，并且以硫化氢和氨气为主。
由于污水厂臭气成分复杂，只关注第一类和第二类的检测往往具有片面性，容易忽略一些浓度低但嗅阈值高的气体，其造成的恶臭污染不可忽略，为了更好的了解污水处理厂臭气的种类和空间分布规律，使污水厂除臭更具针对性，本试验增加了挥发性有机物的检测。由于污水处理厂中的处理构筑物多为开放设施，臭气的排放属于无组织面源排放，气体收集受环境影响大，采样时间长，增加了气体样品收集和储存的难度，因此采用动态水面采样器和静态水面采样器收集气体样品，并且采用稳定性高的苏玛罐储存样品。
1
材料与方法
1.1
样品的采集与储存装置
现有工艺中，常见的曝气沉砂池、活性污泥法的好氧段等，其特点是水面向环境空气完全开敞，通过曝气系统不断地向环境中挥发气体，属于动态水面。由于动态水面出气量大，通过上方加气袋的密闭容器即可收集，通过抽取气袋的气体即能完成采样的工作。唯一的难点在于静态水面气体的收集。现有的技术中，常见的平流式沉淀池、活性污泥法的厌缺氧段，其特点是水面向环境空气完全开敞，属于静态水面。且水面位于人走道板之下半米至一米。不易取到水体表面的大气污染物。如果在人走道板上取大气污染物，又会受到环境气流的影响，检测数值不能代表水面的真实值。
本试验自制了一种静态水面大气污染物采样器，其特征在于：采气装置主体由依靠浮力漂浮在静止的水面上的圆筒状筒体构成，该圆筒状筒体的顶部设置有气压计2、温度计3、补气口4、固定器5；在该筒体的上部通过采气连接管6连接至恶臭物质吸收瓶9，在筒内的上部，设置有一个或者多个气室内气体搅拌器1；该筒体中部通过浮力装置12和平衡环形翼13，该平衡环形翼13整体的套设在筒体的外部。其中，气压计2和温度计3相邻设置，固定器5为把手，固定器5以固定方式固定在圆筒状筒体上，使得绳索可以将该采样设备固定在人走道板的栏杆7上。该出口通过采气连接管6与外部设置的恶臭物质吸收瓶9以及采样动力装置10进行连接，上述气压计2、温度计3、采样动力装置10都与自控箱8连接，采气连接管6的外部设置有温控的套管，浮力装置下部为液体滞留区11，在该浮力装置的顶部与水面共同形成了采气气室。大大提高了采集气体的精确性。其设计图见图1、图2。
图1 静态水面采样器的结构示意图
图2 静态水面采样器的俯视图
由于苏玛罐采样操作简单，不需提供外部动力，且气密性及样品储存稳定性好，因此避免了采样泵波动、渗透及样品分解等因素对其结果造成的影响。因此试验采用苏玛罐储存气体样品。
1.2
检测点位
试验以北京地区某大型污水处理厂为例，根据厂区工艺特点在厂区内布置了7个监测点，分别为1#初沉池、2#沉砂池、3#生化池曝气段、4#生化池非曝气段、5#二沉池等5个污染源采样点和6#进水格栅间下部空间、7#脱水机房等2个环境空气采样点。臭气检测采用国标法，根据《恶臭污染物排放标准》（GB 14554—1993），检测臭气浓度、硫化氢、氨气和挥发性有机物，检测方法如表1所示。通过对检测数据的整理分析发现污水处理厂臭气种类和分布规律，为污水处理厂臭气控制提供科学的决策依据。
采样天气：采样期间天气晴朗，室外气温范围为18.7~18.8 ℃，主导风向为北风，风速为1.6 m/s，相对湿度48.7%。
表1气体检测方法
1.3
挥发性有机物分析方法
由于污染物排放影响因素复杂（处理工艺、环境条件和污水成分等），导致污水处理厂构筑物排放的VOC种类及浓度水平变化范围大，难以分析。本试验采用极差标准化，对样品测量值进行线性变换，将其限制在［0,1］区间内。该标准化公式为:
为了减少变量并且不影响原样品所包含的信息，就需要一个个数少且包含更多样品信息的综合变量，需要进行对样品化学成分的主成分分析（PCA），将所有实测样品的化学成分归类为若干独立的主成分（PCn） 。
为定量评价VOC组分、浓度与恶臭浓度之间的关系，采用多元线性回归方法，拟合出VOC组分、浓度与恶臭浓度之间的关系。
2
结果与讨论
2.1
臭气分布
污水厂各处理单元恶臭浓度检测结果如图3所示。由图3可知，污水进水区(格栅、曝气沉砂池、初沉池等)的臭气浓度均高于其他处理单元。污泥脱水间是重要的恶臭源之一，一般其臭气浓度高于污水厂其它处理单元，但本研究在污泥脱水间设置的采样点处检出的恶臭浓度较低，分析其原因为，该污水处理厂采用高效脱水工艺，污泥储存池的污泥停留时间很短，使浓缩污泥具有一定活性前对其进行脱水，料斗中泥饼的停留时间不超过3 d，且定期对其清理，避免了污泥二次腐败产生的恶臭；加上脱水机房长期处于通风状态，造成脱水机房臭气浓度低于上游构筑物。
污水厂各处理单元氨和硫化氢检测结果如图4所示。由图4可知，对于该污水处理厂中各处理单元所产生的恶臭物质，其中：污水处理厂的进水格栅间、曝气沉砂池、初沉池等上游构筑物氨气和硫化氢的含量相对较高，而对于下游构筑物中相对较少，所以污水厂的臭气收集与处理工作应放在水厂的上游构筑物。
2.2
挥发性有机物
2.2.1 挥发性有机物结果分析
该厂检测出的挥发性有机物(表2、表3) 包括芳香烃、卤代烃、含硫有机物等3类共22种。其中芳香烃是污水处理中最普遍、浓度最高的物质。污水中的苯系物主要来自于油漆和橡胶的制造、农业和工业的化学中间产物。 除苯之外的苯系物也可能大量来源于石油类溶剂，而甲苯更是工业中常用的原料和替代溶剂，由于该污水处理厂有工业区污水的汇入，本次检测出初沉池甲苯的浓度高达0.413 mg/m3。污水中的卤代烃也有很广泛的来源，在Wu等检测的污水厂气体样品中，卤代烃类物质的含量也较高。污泥的机械压缩脱水时，水中和污泥中的这些成分，大量挥发到空气中。同样，污泥浓缩池的苯系物和卤代烃浓度也较高。本试验在脱水机房检测到的卤代烃的含量高达1.89 mg/m3。另外，在污水处理厂被广泛检出的甲硫醚主要由微生物产生，在曝气池中易被检出，该厂曝气池中检出甲硫醚的浓度高达0.096 mg/m3。
表2 污水厂各处理单元的VOC浓度水平
如表3所示，在检出的挥发性有机污染物中，即使其浓度很低，但其嗅阈值高，都可能具有较强的恶臭气味特征。
表3 污水处理厂的VOC 组成及浓度水平
2.2.2 主成分分析与多元线性回归方程
为了研究VOC组分、浓度与恶臭浓度之间的关系，首先需要对所有样品的VOC组分进行PCA 分析。主成分中因子负荷＞0.5的化合物均被筛选出来(表4)。
如表4所示，PC1包括的物质主要是苯系物，PC2主要为卤代烃，PC3为含氮的挥发性有机物，PC4硫化物。
表4 污水处理厂的VOC浓度的主成分分析
基于表4中的得分系数计算样品的主成分PC1~PC5，以减少变量个数。
PCn的算法如式（2）所示。
参照以往研究，恶臭感官强度与其化学组分浓度之间为对数关系，故对恶臭浓度取自然对数，并以PCn为自变量，样品恶臭浓度(OC) 的自然对数( lnOC) 作为因变量进行多元线性回归的拟合分析，得到的回归方程如式（3）所示。
其中，PC1 、PC2和PC3被纳入方程。由此可见，在该污水处理厂恶臭气体中的苯系物、卤代烃和硫化物对恶臭浓度的影响很大，并且这一方程显然提供了一条简单而客观的途径来评估污水处理厂的恶臭浓度，这意味着只需通过少数几种有机物的化学成分检测，便能计算相应的恶臭浓度，提高了感官指标检测的可重复性和可操作性。
2.2.3 多元线性回归方程的验证
在该污水厂采集了6个其它点位的污染源VOC样品用于验证该方程的预测能力。将其样品的化学浓度代入方程计算其lnOC，再与实测的lnOC比较，结果如图5所示。两者拟合度良好，R2达到0.764，验证了本研究建立的回归方程可较好地用于污水处理厂恶臭浓度的预测。
3
结论
(1) 在本试验的结果中可以看出，上游构筑物的不仅仅氨气和硫化氢高于其它部分，并且初沉池和曝气池还有污泥处理部分的VOC浓度也高于其它部分。
划重点
(2) 主成分分析可将样品复杂的化学成分分为4个不同类别的综合变量。并对这4个综合变量进行多元线性回归分析，在挥发性有机物中芳香烃、卤代烃和硫化物对污水处理厂的恶臭浓度影响最大。
(3) 本研究建立的回归方程可较好地用于污水处理厂恶臭浓度的预测，R2达到0.764，为通过低浓度的挥发性有机物预测恶臭浓度提供了理论依据。
(4) 臭气控制应从源头进行控制，首先要找到污水处理厂的主要臭气污染源，然后根据不同污染源的臭气性质采用不同的处理工艺进行臭气收集和处理。在关注污水处理厂恶臭问题的同时，也应重视VOC的削减与控制。
推荐参考
杜亚峰,李军,赵珊,等.污水处理厂恶臭气体分布规律及挥发性气体定量评价[J].净水技术,2018,37(7): 69- 74.
Du Yafeng, Li Jun, Zhao Shan, et al. Distribution pattern of malodorous odor and quantitative evaluation of volatile gas in sewage treatment plant[J]. Water Purification Technology, 2018,37(7):69 -74 .
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