污泥堆肥臭氣的產(chǎn)生特征及防控措施

1、*污泥堆肥臭氣的產(chǎn)生特征及防控措施李明峰馬闖趙繼紅劉桓嘉張蔓( 鄭州輕工業(yè)學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，鄭州 450001)摘要: 城市污泥堆肥過(guò)程中易產(chǎn)生和排放惡臭氣體，造成二次污染。系統(tǒng)總結(jié)了污泥堆肥過(guò)程中主要惡臭物質(zhì): 氨氣 ( NH3 ) 、硫化氫( H2 S) 和揮發(fā)性有機(jī)物( VOCs) 的產(chǎn)生機(jī)理及其影響因素，并對(duì)常用除臭技術(shù)工藝進(jìn)行了技術(shù)和經(jīng)濟(jì) 比較分析。通過(guò)對(duì)污泥堆肥廠惡臭氣體的產(chǎn)生和釋放特征的分析，針對(duì)除臭工藝自身技術(shù)特點(diǎn)，建議采用組合式除臭 技術(shù)解決污泥堆肥廠的惡臭污染問(wèn)題。關(guān)鍵詞: 污泥; 堆肥; 臭氣; 防控DOI: 10. 13205 / j hjgc 201401023

2、ODO IN THE POGESS OF SEWAGE SLUDGE COMPOSTING: PODUCTION， CHAACTEISTICS，PEVENTION AND CONTOL STATEGIESLi Mingfeng Ma Chuang Zhao Jihong Liu Huanjia Zhang Man( School of Material and Chemical Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450001，China)Abstract: Producing and releasing o

3、f the malodorous gases is common in the process of sludge composting，which can cause secondary pollution The production mechanism and affecting factors on the main odor substances such as ammonia ( NH3 ) ， hydrogen sulfide ( H2 S) and volatile organic compounds ( VOCs ) in the process of sludge comp

4、osting were summarized Comparison of the traditional deodorizing methods were made on economy and technique Based on the production and characteristics of the odor in sludge composting plants，it is suggested to solve the problems of odor pollution by combined deodorizing techniquesKeywords: sewage s

5、ludge; composting; odor; prevention and control0引言隨著人們環(huán)保認(rèn)識(shí)的日益提高，我國(guó)的污水處理 事業(yè)得到了快速發(fā)展，但污水處理量的快速增加也產(chǎn) 生了大量的剩余污泥 ( 高 達(dá)污水處理量的萬(wàn)分之 一) 。如何妥善處置這些剩余污泥，已成為制約污水 處理行業(yè)健康發(fā)展的瓶頸之一。污泥有機(jī)質(zhì)含量高， 富含氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，具有巨大的資源化潛力，但由 于其含水率高( 80% ) 且脫水困難，同時(shí)含有細(xì)菌、病 原菌等菌體，容易腐化發(fā)臭污染環(huán)境1-2。因此，如果 不能妥善處理污泥，必然會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，降 低污水處理的效果，造成“治水不治泥等于未治水” 的局

6、面。目前國(guó)內(nèi)外的污泥處理方式主要有 3 種: 填 埋、焚燒和堆肥化處理后土地利用，其中填埋已經(jīng)逐* 國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)子課題( 2012ZX07204-001 ) ; 河南省重大公益招標(biāo)項(xiàng)目( 101100910300) 。收稿日期: 2013 02 26漸禁止，焚燒由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)原因發(fā)展受到一定的限 制，因而堆肥處理成為污泥減量化、無(wú)害化和資源化 的主要手段3。本文對(duì)污泥堆肥過(guò)程中臭氣的產(chǎn)排特征及防控 措施進(jìn)行了綜述，以期為防控污泥堆肥過(guò)程中的臭氣 污染，優(yōu)化設(shè)計(jì)堆肥廠的除臭系統(tǒng)提供參考。1 污泥堆肥過(guò)程中惡臭氣體的來(lái)源及危害1. 1 惡臭氣體的產(chǎn)生污泥堆肥過(guò)程中惡臭氣體在厭

7、氧和好氧條件下 均可產(chǎn)生，致臭物質(zhì)主要產(chǎn)生于厭氧發(fā)酵過(guò) 程4。 污泥堆肥的惡臭釋放量主要取決于惡臭物質(zhì)的生成 量及其向周圍空氣中擴(kuò)散傳遞的速率。在好氧堆肥 過(guò)程中，氧氣供應(yīng)不足時(shí)，厭氧細(xì)菌將有機(jī)物分解為 不徹 底 氧 化 產(chǎn) 物，如 胺 類、酰 胺 類 和 含 硫 化 合 物 ( H2 S、SO2 、硫醇類) 等; 氧氣充足時(shí)，物料中的有機(jī)成分如蛋白質(zhì)等，在好氧細(xì)菌的作用下產(chǎn)生 NH3 等刺氨是最受關(guān)注的致臭物質(zhì)之一5。污泥高溫堆肥過(guò)激性氣體5。因此，不同的堆肥方式和發(fā)酵條件，對(duì) 致臭物質(zhì)的產(chǎn)生和成分影響很大。1. 2惡臭氣體的危害惡臭氣體除了對(duì)人體感官產(chǎn)生不悅的影響外，還 含有各種有害物質(zhì)，

8、若處理不當(dāng)將嚴(yán)重污染周邊土 壤、空氣和水源，最終對(duì)各種生物包括人類自身造成 一定的危害，例如使人食欲不振、嘔吐、惡心、頭昏腦 脹，同時(shí)還會(huì)使精神受到干擾; 惡臭物質(zhì)中的硫醇、硫 化氫、氨、胺類等可直接對(duì)內(nèi)分泌系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、呼 吸系統(tǒng)及神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生危害，具有大氣污染和有害氣 體污染的雙重性4，6。2惡臭氣體成分分析堆肥物料組分復(fù)雜，產(chǎn)生的氣體種類繁多。堆肥 過(guò)程中產(chǎn)生的常見(jiàn)臭氣成分主要有含硫化合物、含氮 化合物和揮發(fā)性有機(jī)物( VOCs) ，不同臭氣組份的沸 點(diǎn)和蒸氣壓見(jiàn)表 1。表 1 部分臭氣化合物的臭氣指數(shù)及臭氣濃度域限8Table 1 Odor indices and concentra

9、tion threshold of some malodorous gases程中普遍存在氮素的損失現(xiàn)象，有研究表明，城市垃 圾堆肥化處理過(guò)程中氮損失量為 50% 60%9，污 泥約為 68%10，糞便高達(dá) 77%11。VOCs 是指常壓 下沸點(diǎn)低于 100 或 25 時(shí)飽和蒸氣壓大于 133 Pa 的有機(jī)物12，主要包括含硫有機(jī)物、含氮有機(jī)物、碳 氫化合物、揮發(fā)性脂肪酸、酯、醚、醇、萜烯等13-14。由表 1 可以看出: 氨、硫化氫、乙硫醇、二甲基硫 和乙醛的沸點(diǎn)都低于堆肥的普通溫度，所以堆肥過(guò)程 中產(chǎn)生的這些物質(zhì)會(huì)以氣態(tài)揮發(fā)出來(lái)。其余物質(zhì)的 沸點(diǎn)接近或高于堆肥過(guò)程的一般溫度，它們也有明顯

10、的蒸發(fā)壓力，也可以蒸發(fā)成氣態(tài)。因此氨氣、硫化氫、 VOCs 是堆肥過(guò)程中產(chǎn)生的主要致臭物質(zhì)。3 堆肥過(guò)程中主要致臭物質(zhì)的產(chǎn)生機(jī)理3. 1 氨氣的產(chǎn)生機(jī)理污泥堆肥過(guò)程的升溫階段通常時(shí)間很短，微生物 繁殖量顯著增加，銨態(tài)氮快速積累并提高 pH 值，在 50 70 條件下導(dǎo)致銨態(tài)氮以氨氣的形式大量揮 發(fā)15。在通風(fēng)不暢條件下，反硝化細(xì)菌對(duì)亞硝態(tài)氮進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為 N O 或 N 16。硝化細(xì)菌以中溫菌為22化合物TOC沸點(diǎn) /蒸氣壓 /臭氣主，在高溫階段活性受到抑制，使得銨態(tài)氮不能及時(shí)3 的產(chǎn)生與堆肥中。4 -N23可檢測(cè)可識(shí)別kPa指數(shù)轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，加劇了氨的揮發(fā)。在堆肥中后期，硝 化細(xì)菌活性增強(qiáng)，銨

11、態(tài)氮不斷減少，硝態(tài)氮不斷增加氨0. 03747 33Bp1. 673 × 105硫化氫0. 00047 0. 0047 62Bp1. 7 × 1071-丁烯0. 069 6Bp4. 348 × 107因此，高溫堆肥過(guò)程中的氨氣揮發(fā)主要發(fā)生在堆肥初甲基硫醇0. 00110. 00218Bp5. 33 × 107期的高溫階段17。同時(shí)，NHNH +的產(chǎn)生密切相關(guān)，NH + -N 產(chǎn)量越多，散失的 NH 往往43也就越多18。3. 2硫化氫產(chǎn)生機(jī)理H2 S 是由細(xì)菌還原硫酸鹽和基質(zhì)在厭氧條件下 含硫有機(jī)成分的分解產(chǎn)生的19。H S 產(chǎn)生的主要原2因是在低氧化還

12、原電位( OP) 條件下，H2 S 缺乏電子 受 體 如 溶 解 氧 ( DO ) 、Cl 、NO 、Fe3 + 、ClO 和KMnO 20等，H S 產(chǎn)生的最佳 OP 認(rèn)定為 100 4 2 250 mV21，因此，提高氧化還原電位可有效降低乙胺0. 0260. 8317Bp1. 445 × 106二甲( 基) 胺0. 0470. 0476. 92. 8 × 105乙醛0. 0040. 2120Bp2. 76 × 106乙硫醇0. 00223Bp2. 895 × 108二甲基硫0. 0010. 00136Bp2. 76 × 106二乙基硫0.

13、 00080. 00592Bp1. 44 × 108丁硫醇0. 000565Bp4. 934 × 107乙酸0. 0080. 2117. 913. 33 1. 5 × 104丙酸尿665. 3321. 123 × 105-松萜、松油0. 011371. 3334. 69 × 105檸檬油精、檸檬油541. 333丁酸163. 51. 3335. 0 × 104糞臭素0. 00120. 472650. 1333 0 × 104注 相應(yīng)溫度的蒸氣壓力。 臭氣濃度域限( TOC) ，指能夠引起感覺(jué)的有臭味氣體的最小濃 度值，cm3

14、 / m3 。 臭氣指數(shù)( OI) 有效表明一種臭氣物質(zhì)進(jìn)入大氣并產(chǎn)生可識(shí)別 反應(yīng)的能力，OI = 蒸氣壓 / 臭氣識(shí)別域限。含硫化合物如硫化氫、甲硫醇、甲硫醚、噻吩等， 臭閾值非常低7，因而對(duì)總惡臭度貢獻(xiàn)很大8。含 氮物質(zhì)主要有氨、胺、酰胺、糞臭素以及吲哚等，其中H S 的產(chǎn)生量22，具體方法包括添加熱力學(xué)有利的 電子受體化合物 ( 如氧化劑等) ，都能有效降低 H2 S 的產(chǎn)生量23。23. 3 揮發(fā)性有機(jī)物( VOCs) 的產(chǎn)生機(jī)理不同的堆肥方式均會(huì)產(chǎn)生 VOCs，其成分包括硝 基化合物、硫基化合物、揮發(fā)性脂肪酸等24。堆肥過(guò) 程 VOCs 產(chǎn)生是微生物降解有機(jī)物所致，排放過(guò)程是VOCs

15、 在堆體內(nèi)通過(guò)對(duì)流傳遞后在堆體表面排放，大 多數(shù)研究只關(guān)注堆肥過(guò)程中 VOCs 的 釋 放 效 果。 Pagans E 等25認(rèn)為揮發(fā)性脂肪酸主要是由堆肥原料 產(chǎn)生，并在堆肥初期迅速降解。Kumar 等26 也發(fā)現(xiàn) 垃圾堆肥過(guò)程中在早期階段 VOCs 釋放率是后期階 段 5 倍。Eitzer 等27 調(diào)查發(fā)現(xiàn)多數(shù) VOCs 釋放均發(fā)的形式釋放，從而降低堆體中 H + 含量，使堆體 pH 升 高。到了降溫階段，由于釋放 H2 S 的濃度增加，使堆 體 pH 一直呈上升趨勢(shì)20。4在堆肥初期，物料中易降解有機(jī)物為微生物的生 長(zhǎng)、繁殖提供充足的營(yíng)養(yǎng)，有機(jī)氮快速分解而產(chǎn)生大 量的 NH + -N，而此

16、時(shí)硝化細(xì)菌活動(dòng)相對(duì)較弱，無(wú)法及生在堆肥初期，最大釋放量為 100 mg / m3 ，是后期釋時(shí)將 NH +3644 -N 轉(zhuǎn)化為 NO3 -N，使得 pH 值升高。在3放濃度 1. 5 倍 2 倍。Turan 等28 研究表明在堆肥堆肥中后期，隨NH + -N濃度降低，NO -N濃度不斷初期階 段，VOCs 釋 放 濃 度 可 能 超 過(guò) 1 400 mg / m3 。因此，抑制堆肥最初時(shí)期的 VOCs 的產(chǎn)生量是控制 VOCs 排放的關(guān)鍵。4堆肥過(guò)程中臭氣產(chǎn)生和釋放的影響因素4. 1有機(jī)物礦化和氮素轉(zhuǎn)化有機(jī)氮在微生物的作用下被礦化分解而轉(zhuǎn)化為NH + -N，NH + -N 可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氨氣

17、，以氣態(tài)形式釋升高，pH 值略有降低。Liang 等模擬堆肥狀態(tài)下 NH3 揮發(fā)機(jī)制，指出大量的氨揮發(fā)都在 pH 值較高的狀態(tài) 下進(jìn)行37。4. 4 微生物活性氨化細(xì)菌在高溫期大幅度增加，其數(shù)量與氨氣釋 放濃度、銨態(tài)氮呈正相關(guān)，硝化作用、反硝化作用、硝 化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量隨堆肥時(shí)間的推移有上升44放到堆體外29。隨著有機(jī)質(zhì)的礦化，有機(jī)氮不斷轉(zhuǎn)44化為 NH + -N，有 利 于 后 期的污泥土地利 用。 但 是 NH + -N 若轉(zhuǎn)化成氨氣并釋放到堆體外，則對(duì)環(huán)境不 利。提高 堆 肥 物 料含水率有利于抑制堆肥體系中 的趨勢(shì)32。劉學(xué)玲等38研究表明，氨化細(xì)菌在高溫 期處于大幅度上升趨勢(shì)，

18、使得氨態(tài)氮含量和氨氣釋放 濃度均達(dá)到最大，亞硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量都在降溫 期 增 加 明 顯，且都與硝態(tài)氮呈正相 關(guān)。 王 立+30NH3 擴(kuò)散及 NH4 積累，減少氮素?fù)p失。李國(guó)學(xué)群39發(fā)現(xiàn)氨化細(xì)菌適合生長(zhǎng)溫度為 45 55 ，且在44等認(rèn)為 NH + -N 的減少和消失可以作為堆肥腐熟度的 參數(shù)31。因此，控制氮素的損失應(yīng)該主要控制 NH + - N 向氨氣轉(zhuǎn)化及氨氣釋放的過(guò)程。4. 2 溫度溫度對(duì)堆肥過(guò)程中臭氣的釋放也是至關(guān)重要的。 曹喜濤等32研究發(fā)現(xiàn): 50 下氨揮發(fā)速率明顯高于 30 。隨著堆肥的進(jìn)行，有機(jī)酸逐漸被分解，堆肥溫 度的升高也使部分有機(jī)酸揮發(fā)，含氮物質(zhì)被微生物強(qiáng)33

19、65 時(shí)仍保持一定的數(shù)量水平，而硝化細(xì)菌、反硝化 細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌適合生長(zhǎng)范圍是 35 45 ，研究 結(jié)果相似。翁煥新等40研究結(jié)果表明，污泥 SB 的 生活量越大、活性越強(qiáng)，硫化氫釋放量就越大; 中偏酸 性污泥硫化氫的釋放量大于堿性污泥，堿性污泥不僅 能夠中和硫化氫，而且可以抑制 SB 的生長(zhǎng)，減少硫 化氫產(chǎn)生。VOCs 產(chǎn)生與微生物活性密切相關(guān)，微生物多樣41烈分解產(chǎn)生大量 NH3。性在中溫期最高。先前研究表明變形細(xì)菌和乳酸堆肥溫度是保證堆肥進(jìn)行重要因素，但隨著溫度 的上升 VOCs 也隨之大量產(chǎn)生。堆肥的最初階段產(chǎn) 生大部分 VOCs，原因是堆肥初期溫度較高，進(jìn)而促進(jìn) 了 VOCs 的產(chǎn)

20、生和釋放34。夏季 VOCs 釋放量最高， 秋冬季節(jié)釋放量相對(duì)較低35。因此，環(huán)境溫度也是 影響 VOCs 產(chǎn)生的重要因素之一。4. 3pH 值在堆肥過(guò)程中，堆體 pH 都是呈先降低再升高的 趨勢(shì)。微生物厭氧發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生 H2 S 氣 體，但并不 是所有 H2 S 都會(huì)釋放到堆體外，一部分 H2 S 會(huì)溶于水中或被堆肥物料吸附，剩余 H S 才會(huì)排出堆體19。22當(dāng)進(jìn)入高溫階段，堆肥物料中的各種含硫化合物被大 量分解，產(chǎn)生一定量的 S2 ，與 H + 結(jié)合后以 H S 氣體菌主要出現(xiàn)在中溫期且加速有機(jī)質(zhì)降解，使 VOCs 產(chǎn) 量進(jìn)一步增加。此外，高溫期主要細(xì)菌是蠟樣芽孢桿 菌42，能分解某些

21、VOCs 諸如有機(jī)硫和氮化合物，從 而造成在這個(gè)時(shí)期 VOCs 濃度最低43。因此，微生 物數(shù)量和種類在不同堆肥時(shí)期決定了有機(jī)質(zhì)降解和 不同的產(chǎn)生 VOCs 量，其中中溫期是 VOCs 產(chǎn)生排放 關(guān)鍵時(shí)期，應(yīng)該密切關(guān)注。5 污泥堆肥過(guò)程中惡臭氣體的處理方法和工藝常用的惡臭氣體處理方法見(jiàn)表 2。從表 2 可以 看出: 治理惡臭氣體的主要方法有物理、化學(xué)、生物和 聯(lián)合法。物理化學(xué)除臭法具有設(shè)備繁多、工藝復(fù)雜、 使用后再生困難、能耗大等缺點(diǎn); 生物法則具有簡(jiǎn)單、 投資省、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)管理方便、效果好等優(yōu)點(diǎn)。但由于堆肥過(guò)程惡臭組分及其性質(zhì)的多樣性，加上各 種處理措施都有其局限性，因此單一的凈化方法

22、對(duì) 臭氣的凈化性能往往不穩(wěn)定，在實(shí)際應(yīng)用中通常需要 同時(shí)采用兩種以上方法合理搭配，才能穩(wěn)定有效處理 不同堆肥過(guò)程產(chǎn)生的臭氣4，44-45。因此，針對(duì)污泥堆肥廠惡臭特點(diǎn)和工藝要求，運(yùn) 用單一的方法進(jìn)行惡臭治理難以滿足要求，采用物理 化學(xué)法與生物法的組合工藝進(jìn)行脫臭處理是理想的， 即“化學(xué)洗滌 植物提取液噴淋 生物滴濾”和“催 化型活性炭吸附法 高能離子法 生物法”。表 2 常用的臭氣處理方法分析和比較6，46-47Table 2 Comparison and analysis on common odor treatment methods名稱適用范圍優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)去除效果大氣稀釋法工業(yè)有 組 織排放

23、源的低濃 度惡臭處理費(fèi)用低、運(yùn)行簡(jiǎn)單受當(dāng)?shù)貧庀髼l件和地形條件影響較大， 對(duì)煙囪高度有一定的要求受條件限制，去除效果 一般活性炭吸附低濃度 臭 氣和脫臭的后處 理初期投 資 比 較 低、維 護(hù) 容 易， 被廣泛應(yīng)用活性炭再生或更換導(dǎo)致運(yùn)行成本較高脫臭效果良好燃燒法廢氣質(zhì)量濃度超過(guò) 1 500 ×10 6高能離子細(xì)菌、硫 化 物、揮 發(fā) 性 有 機(jī)物凈化效 率 高、操 作 簡(jiǎn) 單、動(dòng) 力 消耗少占地小、操 作 方 便、運(yùn) 行 費(fèi) 用 低、抗沖 擊 負(fù) 荷 能 力 強(qiáng)、無(wú) 二 次污染建設(shè)投資和運(yùn)行管理費(fèi)用很高，燃料費(fèi) 用高，有二次污染的可能效果受濃度影響、投資成本高、需定期 更換離子管、運(yùn)

24、行成本高針對(duì) 高濃度臭氣處理 有效對(duì) H2 S、NH3 等氣體去 除率可達(dá) 95% 以上，對(duì) VOCs 去除率可達(dá) 85%曝氣式活性 污泥法臭氣濃度低、氧氣濃度高設(shè)備投資、維護(hù)管理費(fèi)較少需注意鼓風(fēng)機(jī)與配管等的防塵和防腐 蝕保護(hù)，活性污泥有異味能 有 效 去 除 高 濃 度 氣體生物滴濾法各種惡臭成分的降解處理管理維 護(hù) 容 易、運(yùn) 行 費(fèi) 用 低、脫臭效果好、適應(yīng)性很強(qiáng)占地較大、投入高、運(yùn)行管理復(fù)雜對(duì)污 水 處 理 過(guò) 程 產(chǎn) 生的富 含 N、S 的 臭 氣 處 理效果優(yōu)良生物濾池法濃度高、氣量大的有機(jī)廢氣設(shè)備結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單、運(yùn) 行 費(fèi) 用 低、操作管理方便、占地面積較小 生物土壤法臭氣濃度低

25、、土地充裕設(shè)備簡(jiǎn) 單、運(yùn) 行 費(fèi) 用 極 低、維護(hù)操作方便對(duì)高濃度或濃度變化較大的臭氣不夠 有效，占地較大對(duì)多 種廢氣的去除率 高降解 難溶性惡臭成分 有效6結(jié)論及建議污泥堆肥過(guò)程中，氨氣、硫 化 氫、揮 發(fā) 性 有 機(jī) 物 ( VOCs) 是主要的致臭物質(zhì); 有機(jī)物礦化和氮素轉(zhuǎn)化、 pH 值、溫度、微生物活性是影響堆肥過(guò)程中臭氣釋放 的重要因素; 各種惡臭處理技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，就目 前惡臭處理研究發(fā)展?fàn)顩r而言，綜合經(jīng)濟(jì)因素，采用 組合法會(huì)更加經(jīng)濟(jì)有效。建議污泥堆肥廠結(jié)合具體環(huán)境特點(diǎn)，采 取 諸 如 “化學(xué)洗滌 植物提取液噴淋 生物滴濾”、“催化型 活性炭吸附法 高能離子法 生物法”等組合方法

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