張偉軍等：污水處理廠污泥處理處置過(guò)程中的惡臭污染特征與惡臭物質(zhì)減排控制措施
本文在歸納總結(jié)污泥常見惡臭物質(zhì)及其產(chǎn)生來(lái)源的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了不同處理處置方式下污泥的惡臭污染特征與產(chǎn)生機(jī)制，并從源頭減排、過(guò)程控制、末端治理、排放管理4個(gè)方面評(píng)述了污泥惡臭減排控制措施的原理和發(fā)展前景，討論了污泥惡臭污染防治的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)，以期為污泥惡臭污染防控提供參考。
文章信息
張偉軍, 戴巧蕓, 楊曉芳, 高微, 趙珊, 俞萍鋒, 王東升. 污水處理廠污泥處理處置過(guò)程中的惡臭污染特征與惡臭物質(zhì)減排控制措施[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào). doi: 10.12030/j.cjee.202203007
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文章簡(jiǎn)介
我國(guó)污水處理廠污泥產(chǎn)量持續(xù)增加，在處理處置過(guò)程中釋放惡臭，對(duì)周圍環(huán)境和人群健康造成不利影響，極易引發(fā)民眾投訴。污泥惡臭污染防治是全世界普遍面臨的難題，也是提高污泥處理效率、實(shí)現(xiàn)污泥資源化利用必須解決的技術(shù)難題之一。影響污泥惡臭釋放的因素多，惡臭物質(zhì)組分復(fù)雜，而目前針對(duì)污泥惡臭產(chǎn)生機(jī)制和釋放規(guī)律的研究尚不深入，對(duì)污泥惡臭的治理效果也不理想。因此，在歸納總結(jié)污泥常見惡臭物質(zhì)及其產(chǎn)生來(lái)源的基礎(chǔ)上，本文詳細(xì)闡述了不同處理處置方式下污泥的惡臭污染特征與產(chǎn)生機(jī)制，并從源頭減排、過(guò)程控制、末端治理、排放管理4個(gè)方面評(píng)述了污泥惡臭減排控制措施的原理和發(fā)展前景，討論了污泥惡臭污染防治的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)，以期為污泥惡臭污染防控提供參考。
1、污泥惡臭來(lái)源
污泥具有鮮明的多介質(zhì)、多組分特征，是一個(gè)存在復(fù)雜交互作用的微生態(tài)系統(tǒng)。污泥中豐富的微生物群落具有活躍的代謝功能，在特定條件下會(huì)釋放具有臭味的次級(jí)代謝產(chǎn)物。這些臭味物質(zhì)組分復(fù)雜、濃度不同，導(dǎo)致污泥的惡臭特征復(fù)雜多變。在缺氧或厭氧條件下，微生物降解有機(jī)物生成還原性硫化物、含氮有機(jī)物、揮發(fā)性脂肪酸（volatile fatty acids, VFAs）等具有腐敗或刺激氣味物質(zhì)。揮發(fā)性含氮有機(jī)物（如胺類、吲哚和糞臭素）主要通過(guò)氨基酸脫羧作用和L-色氨酸降解代謝等過(guò)程產(chǎn)生。污泥中的有機(jī)物（如淀粉、纖維素、半纖維素和果膠等）在水解細(xì)菌作用下形成小分子氨基酸、單糖和長(zhǎng)鏈脂肪酸等有機(jī)成分，產(chǎn)酸菌利用這些水解產(chǎn)物進(jìn)行厭氧發(fā)酵生成VFAs、醇類、醛類和酮類等物質(zhì)。而好氧細(xì)菌則通過(guò)對(duì)含氮有機(jī)物及細(xì)胞物質(zhì)進(jìn)行氧化生成NH3和具有土霉味的物質(zhì)。然而，微生物驅(qū)動(dòng)的惡臭物質(zhì)生成與轉(zhuǎn)化過(guò)程由哪些功能微生物或功能基因參與完成還不明確，需要進(jìn)一步研究，以深刻理解污泥微生物群落中的產(chǎn)臭微生物及其代謝機(jī)制和條件。
此外，經(jīng)污水處理過(guò)程轉(zhuǎn)移至污泥中的惡臭物質(zhì)和致臭前體物在調(diào)理、脫水、熱處理及存放和運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中可再次揮發(fā)釋放。因此，底物揮發(fā)釋放和微生物代謝是污泥惡臭物質(zhì)產(chǎn)生的主要途徑，惡臭釋放取決于污泥性質(zhì)并受環(huán)境條件的影響（圖1）。這兩種途徑對(duì)污泥惡臭釋放的貢獻(xiàn)可能因具體情況而異，目前還鮮有研究進(jìn)行分析和評(píng)估。
圖1 污泥產(chǎn)臭的影響因素
2、不同處理處置方式下污泥的
惡臭污染特征與產(chǎn)生機(jī)制
——污泥濃縮與脫水過(guò)程
在污泥濃縮與脫水車間，惡臭物質(zhì)釋放通常隨水溫的升高而增加，具有夏、秋季高而冬、春季低的季節(jié)性特點(diǎn)。降雨可稀釋污染物、降低水溫和提高溶解氧濃度，從而降低污泥惡臭污染物釋放濃度。除NH3和H2S的濃度較高外，污泥濃縮和脫水過(guò)程常釋放相對(duì)較低濃度的DMS、DMDS、CS2、硫醇、苯乙烯和二甲苯等惡臭有機(jī)物，其中VSCs對(duì)惡臭貢獻(xiàn)突出。污泥脫水過(guò)程的惡臭氣體釋放量通常遠(yuǎn)高于濃縮過(guò)程，釋放濃度更高、種類更豐富的揮發(fā)性含硫化合物（volatile sulfur compounds，VSCs）、揮發(fā)性含氮化合物（volatile nitrogen compounds，VNCs）、鹵代化合物、酮類和烴類等物質(zhì)。但也有研究發(fā)現(xiàn)，部分污泥濃縮池比脫水車間的惡臭問(wèn)題更突出。污泥濃縮與脫水過(guò)程中的產(chǎn)臭情況與工藝運(yùn)行的具體參數(shù)密切相關(guān)，污泥水分、含氧量等參數(shù)的差異通過(guò)影響污泥中微生物的活性而在極大程度上決定著污泥產(chǎn)臭特征。
——污泥厭氧消化過(guò)程
厭氧消化工藝釋放的主要惡臭物質(zhì)以NH3、H2S、MT和VFAs為主，而經(jīng)熱水解預(yù)處理的高級(jí)厭氧消化工藝會(huì)釋放更高濃度的VSCs。VSCs濃度隨污泥厭氧消化停留時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，隨消化溫度升高而增加，尤其是H2S。厭氧消化過(guò)程形成的VFAs易被微生物降解，釋放量受消化工藝產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷過(guò)程的平衡關(guān)系調(diào)控。消化后的污泥惡臭強(qiáng)度通常較低、氣味特征也發(fā)生明顯變化，但污泥中殘留的蛋白質(zhì)可能作為前體物在后續(xù)脫水和運(yùn)輸過(guò)程中導(dǎo)致VSCs持續(xù)釋放。在消化脫水污泥在短期儲(chǔ)存期間，VSCs可作為底物隨產(chǎn)甲烷菌等微生物活性恢復(fù)而最終被轉(zhuǎn)化為甲烷和H2S；在長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存過(guò)程中，則可釋放對(duì)甲酚、吲哚、甲苯、苯乙烯、乙苯、3-甲基吲哚和丁酸等惡臭物質(zhì)。不同性質(zhì)污泥經(jīng)厭氧消化后在儲(chǔ)存期間的惡臭釋放為初沉污泥＞混合污泥（初沉污泥和剩余污泥）＞剩余污泥。
——污泥好氧消化過(guò)程
運(yùn)行良好的好氧消化工藝會(huì)形成無(wú)臭、腐殖質(zhì)狀的污泥。當(dāng)前對(duì)自熱式高溫需氧消化工藝（autothermal thermophilic aerobic digestion，ATAD）釋放惡臭氣體的研究相對(duì)較多。ATAD反應(yīng)器中pH值升高會(huì)抑制硝化作用并促進(jìn)NH3形成；在有機(jī)負(fù)荷過(guò)載的情況下，產(chǎn)生VFAs并在反應(yīng)器中積聚導(dǎo)致惡臭。ATAD系統(tǒng)若不能始終保持有氧條件，則會(huì)形成高濃度的NH3、VFAs和VSCs（如硫醇、H2S、DMS和DMDS），并隨后從工藝廢氣、脫水和儲(chǔ)存過(guò)程中釋放出來(lái)。
——污泥堆肥過(guò)程
污泥好氧堆肥過(guò)程中釋放的惡臭物質(zhì)主要包括H2S、NH3和揮發(fā)性有機(jī)硫化物（volatile organic sulfur compounds，VOSCs），約貢獻(xiàn)總氣味的80%。H2S和NH3的釋放受堆體pH的影響。相較于NH3，VSCs的濃度較低，但對(duì)氣味貢獻(xiàn)大，是主要的致臭物質(zhì)。此外，三甲胺、芳香化合物、萜類、醛類、酮類和VFAs等惡臭物質(zhì)也常檢出。大多數(shù)惡臭物質(zhì)產(chǎn)生于中溫期和高溫初期，釋放量隨堆肥溫度的升高而增加；通風(fēng)不足或污泥含水量較高會(huì)形成厭氧條件，進(jìn)而產(chǎn)生VOCs和VFAs。
——污泥干化過(guò)程
污泥干化處理中，大部分微生物的活性在高溫下受抑制，惡臭物質(zhì)可能主要通過(guò)各種前體物的物理化學(xué)作
用產(chǎn)生和釋放。污泥干化釋放的惡臭物質(zhì)有VSCs（H2S、COS、MT、DMS、DMDS和CS2）、NH3、有機(jī)胺、苯系物和VFAs。大部分惡臭物質(zhì)隨干化溫度的升高，釋放量增加。NH3和VFAs的釋放主要發(fā)生在干化早期；而H2S釋放則在含水率降低后增加，且與臨界溫度和污泥的pH值有關(guān)。
——污泥焚燒處置過(guò)程
污泥中的還原性惡臭物質(zhì)在高溫焚燒過(guò)程中被氧化，產(chǎn)臭問(wèn)題相對(duì)較輕。故目前對(duì)此過(guò)程惡臭污染的研究相對(duì)較少，部分研究指出該工藝會(huì)釋放NH3、H2S、TMA和乙醛等惡臭物質(zhì)。
——污泥填埋過(guò)程
污泥常和其他有機(jī)廢物混合進(jìn)行填埋，在厭氧條件下分解產(chǎn)生的氣體主要為甲烷和CO2，還包括醇類、烴類、鹵代化合物和CS2等成分復(fù)雜的揮發(fā)性物質(zhì)。盡管這些物質(zhì)含量通常低于總排放量的1%(體積分?jǐn)?shù))，但仍會(huì)形成惡臭。通常，污泥填埋區(qū)NH3的釋放量最大，但典型惡臭物質(zhì)為VSCs、有機(jī)酸及部分VOCs(胺類和醛類)等。
——其他處置過(guò)程
污泥土地利用過(guò)程釋放的主要惡臭物質(zhì)仍是VSCs，其惡臭釋放特征受污泥性質(zhì)和施用場(chǎng)地的影響。相對(duì)于污泥焚燒等其他過(guò)程，污泥建材利用過(guò)程產(chǎn)臭較輕，還可解決污泥用作建筑材料過(guò)程中VSCs釋放和其他氣味問(wèn)題。
3、污泥惡臭污染的減排控制措施
及相關(guān)工藝研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀
——源頭減量，即在惡臭產(chǎn)生的源頭采取有效措施控制惡臭物質(zhì)的形成。然而，如何在保證污泥處理效能的基礎(chǔ)上有效減少處理過(guò)程及后續(xù)工藝中的惡臭釋放是一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題，仍存在技術(shù)難點(diǎn)，需要開展進(jìn)一步研究。
——過(guò)程控制，通過(guò)惡臭收集、工藝優(yōu)化與設(shè)備優(yōu)選盡可能抑制惡臭氣體的生成和泄露，是當(dāng)前惡臭污染防治最行之有效的措施。
——末端處理，單一除臭技術(shù)已很難滿足越來(lái)越嚴(yán)格的臭氣排放標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)惡臭特征，合理采用多種惡臭控制技術(shù)組合，發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行綜合處理是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
——排放管理，通過(guò)排放標(biāo)準(zhǔn)的制定實(shí)施實(shí)現(xiàn)對(duì)污染減排效果的最終管理和控制。現(xiàn)階段，污泥惡臭氣體的控制大多借鑒其他領(lǐng)域研究成果，尚處于發(fā)展的初級(jí)階段，仍需不斷加以完善、補(bǔ)充。源頭減量與過(guò)程控制可有效遏制污泥處理處置過(guò)程中惡臭氣體的生成與排放，從根本上更高效地解決污泥惡臭污染問(wèn)題，而排放管理則是從系統(tǒng)管理的角度保證污泥惡臭污染防控全流程的實(shí)施質(zhì)量。
展望
1)我國(guó)污泥處理處置技術(shù)路線已形成“厭氧消化-土地利用”、“好氧堆肥-土地利用”、“干化焚燒-灰渣填埋或建材利用”和“深度脫水-應(yīng)急填埋”四個(gè)主流方案。這些處理處置技術(shù)路線的實(shí)施都不能忽視惡臭污染問(wèn)題。由于污泥惡臭物質(zhì)的濃度低、成分復(fù)雜，準(zhǔn)確的定性定量分析和影響評(píng)價(jià)比較困難，限制了對(duì)不同處理處置過(guò)程中污泥惡臭污染物釋放規(guī)律的認(rèn)識(shí)。因此，建立更先進(jìn)的分析方法，將多種分析手段有機(jī)結(jié)合，從感官評(píng)價(jià)和儀器分析的不同角度表征惡臭的污染特征，準(zhǔn)確識(shí)別關(guān)鍵的惡臭物質(zhì)，是確定污泥惡臭治理方案的核心科學(xué)問(wèn)題，對(duì)于研發(fā)污泥減臭控臭技術(shù)措施具有重要科學(xué)意義。
2)污泥產(chǎn)臭特征與污泥性質(zhì)密切相關(guān)，受環(huán)境條件的影響，微生物代謝發(fā)揮著尤其重要的作用。然而由于研究手段的限制和重視程度的不足，人們對(duì)污泥產(chǎn)臭機(jī)制的認(rèn)識(shí)還非常有限。在準(zhǔn)確識(shí)別關(guān)鍵惡臭物質(zhì)的基礎(chǔ)上，利用基因測(cè)序技術(shù)、PCR核酸技術(shù)等微生物分子生態(tài)學(xué)技術(shù)，深入理解不同處理和處置過(guò)程中污泥微生物介導(dǎo)的惡臭物質(zhì)轉(zhuǎn)化途徑及相關(guān)機(jī)理，對(duì)認(rèn)識(shí)污泥的產(chǎn)臭機(jī)制具有重要的理論意義，可為污泥惡臭的源頭減排提供更可靠的科學(xué)依據(jù)。
3)完整的污泥惡臭控制技術(shù)路線應(yīng)從源頭減量、過(guò)程控制、末端治理和排放管理四個(gè)方面綜合考慮，其中應(yīng)以源頭減量和過(guò)程控制為主，最大限度減少惡臭釋放和后續(xù)處理的壓力。末端治理技術(shù)方面，化學(xué)洗滌法和生物過(guò)濾法仍是我國(guó)污泥惡臭治理的主要手段。但在實(shí)際的工程應(yīng)用上，需要根據(jù)污泥惡臭釋放特征、周邊環(huán)境及除臭要求，針對(duì)性地選擇一種或多種方法結(jié)合應(yīng)用，有效提高惡臭綜合去除效果。通過(guò)提高調(diào)理劑效能、調(diào)整污泥處理工藝運(yùn)行參數(shù)和優(yōu)化運(yùn)行工況等手段從源頭上減少污泥惡臭產(chǎn)生，開發(fā)應(yīng)用新型除臭技術(shù)及聯(lián)用技術(shù)，協(xié)調(diào)發(fā)揮各個(gè)環(huán)節(jié)的減臭控臭調(diào)控作用，實(shí)現(xiàn)污泥惡臭污染有效控制。在排放管理方面，由于我國(guó)惡臭污染防治事業(yè)起步較晚，有關(guān)污泥惡臭污染控制的技術(shù)方法和標(biāo)準(zhǔn)等還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需進(jìn)一步進(jìn)行研究并加強(qiáng)惡臭污染立法。
作者簡(jiǎn)介 ?
張偉軍，1986年生，工學(xué)博士，國(guó)家優(yōu)青獲得者，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員。主要從事有機(jī)固廢處理與資源化、工業(yè)廢水處理與資源化、湖泊沉積物污染控制等方面的研究工作。先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家水體污染控制重大專項(xiàng)子課題、湖北省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目。以第一/通訊作者身份，總計(jì)發(fā)表中英文核心期刊論文100余篇，其中在Water Research、Environment International、Environmental Science: Nano等期刊發(fā)表SCI論文80余篇（包括18篇Water Research和5篇Environment International），SCI總計(jì)他引2400余次。申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利14項(xiàng)，授權(quán)7項(xiàng)；曾獲華夏建設(shè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)2次（2021、2022）、湖北省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（2022）、中國(guó)節(jié)能協(xié)會(huì)節(jié)能減排科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（2022）、中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果二等獎(jiǎng)（2020）等獎(jiǎng)勵(lì)；任《安全與環(huán)境工程》期刊副主編、《環(huán)境科學(xué)》（EI）青年編委、IWA中國(guó)青年委員會(huì)委員和中國(guó)城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會(huì)青年工作者委員會(huì)委員、巴塞爾公約亞太區(qū)域中心化學(xué)品與廢物環(huán)境管理智庫(kù)專家等職；指導(dǎo)研究生獲得國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金、校級(jí)優(yōu)秀碩士論文、奧加諾獎(jiǎng)學(xué)金等19人次。
來(lái)源 | 環(huán)境工程學(xué)報(bào)
作者 | 楊曉芳
