1 引言 (Introduction)

挥发性有机化合物 (VOCs) 是造成雾霾的重要原因, 严重影响人体的生理功能, 对呼吸道、心血管等都具有很大危害 (Aatamila et al., 2011; Sucker et al., 2009; Witherspoon et al., 2004; 沈培明等, 2005).随着城镇化进程加快, 城市人口激增, 污水处理厂周边居民人口愈加密集, 而其作为VOCs的排放源之一 (Karageorgos et al., 2010; Mliis et al., 1995; 刘晗等, 2009), 严重影响周边民众的生活质量.因此, 对污水处理厂产生VOCs的特性进行研究、控制和减量, 是VOCs减排的重要课题.污水处理厂产生的恶臭主要存在于粗、细格栅处理工艺段以及VOCs在夏季逸散浓度显著高于冬季 (林坚等, 2010), 已知城市污水处理厂挥发性恶臭有机物 (MVOC) 至少有34种, 其中苯系物、2-丁酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯和甲硫醚为重要的分子标志物 (唐小东等, 2011).利用2级生物过滤器处理污水厂VOCs, 发现大多数硫化氢和甲苯在低pH条件下被生物氧化, 而其他亲水的成分在高pH条件下去除效果更好 (Liu et al., 2011).静态的表面、渠道、堰滴结构、鼓风曝气、表面曝气和流媒体6个特征排放源中的一个或多个可以描述并预测污水处理过程中VOCs的排放模型 (Gostelow et al., 2001).

本文对SBR污水处理工艺VOCs的逸散进行研究, 在保证出水水质前提下, 检测并计算进水、搅拌、曝气、静置、出水5个阶段的VOCs排放量；在此基础上, 研究曝气阶段的VOCs产生特性, 比较不同曝气强度以及均匀曝气、渐减曝气、渐强曝气方式的VOCs排放量, 以获得VOCs最少排放量的曝气方式.

2 材料与方法 (Materials and methods) 2.1 实验装置

实验装置 (图 1) 由高1 m, 直径9 cm的有机玻璃柱制成, 柱体的有效容积是4 L.污水处理采用传统的SBR工艺, 从进水口进入反应柱, 进水量为2 L, 经过一个周期的反应, 由出水口排出.检测口用来检测DO和VOCs, 未检测时为关闭状态.在测试进水、搅拌、静置、出水4个阶段VOCs排放量时, 排气口关闭, 其余时间为打开状态.装置由一个污水反应柱和一个空白对照柱组成, 空白对照柱是检测自来水对空气中VOCs吸收效果, 两柱曝气阶段测得的VOCs数值相减, 以此推算出污泥反应柱中活性污泥的有效反应.

2.2 接种污泥和实验用水

反应器启动污泥取自扬州市汤汪污水处理厂生化池.试验用的污水取自扬州大学扬子津宿舍楼化粪池污水和食堂厨余污水.主要水质指标见表 1.

2.3 分析与计算方法

各项指标测定方法均参照国标方法.COD采用重铬酸钾法分析, NH₄⁺-N采用纳氏试剂分光光度法分析, TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度计法分析, NO₃^--N采用麝香草酚紫外分光光度法分析, TP采用钼酸铵分光光度法分析.DO采用多参数便携式测量仪测量, VOC检测采用美国华瑞公司生产的PGM-7340VOC检测仪手持式检测仪测量.

曝气阶段VOCs排放量的计算是由曝气时柱体上方空气柱的瞬时值减去空白对照柱上方的VOCs的瞬时值, 乘以曝气强度并求和得出, 公式如下：

(1)

式中, M为曝气阶段产生的VOCs的量 (mg·m^-3·d^-1)；b_i为曝气开始第i分钟污水反应柱上方的VOCs的浓度 (μg·m^-3)；B_i0为曝气开始第i分钟空白对照柱上方的VOCs的浓度 (μg·m^-3)；P为此时的曝气强度 (mL·min^-1)；n为每日进水次数 (d^-1)；v为每周期进水体积 (L)；240为曝气运行的分钟数, 即4 h.

其余阶段VOCs排放量的计算方法是, 分别记录进水、搅拌、静置、出水各阶段运行前、后, 柱体上方空气的VOCs浓度值, 记录完毕, 将柱体上的阀门全部关闭, 通过浓度差值、空气柱体积和运行时间, 计算出4种不同阶段产生的VOCs量, 公式如下：

(2)

式中, M为进水、搅拌、静置或出水阶段产生的VOCs的量 (mg·m^-3·d^-1)；a₁为运行阶段开始前柱内的VOCs的浓度 (μg·m^-3)；a₂为运行阶段结束时柱内的VOCs的浓度 (μg·m^-3)；P为此时的曝气强度 (mL·min^-1)；V₀为柱体上方空气的体积 (L)；n为每日进水次数 (d^-1)；v为每次进水的体积 (L).

3 结果与讨论 (Results and discussion) 3.1 实验的启动及曝气强度的确定

本试验参考污水厂CASS工艺单体SBR的运行参数, 通过定时开关控制进水1.5 h、搅拌3 h、曝气4 h、静置2 h、出水1.5 h, 一周期12 h, 1 d 2个周期.污泥龄25 d, 污泥浓度保持在4000 mg·L^-1左右.

根据曝气阶段的DO浓度, 确定实验的曝气强度, 结果如图 2所示.为了保证硝化反应的顺利进行, DO浓度一般略高于2 mg·L^-1为最佳, 由图 2可以看出, 曝气强度在75 mL·min^-1和100 mL·min^-1时, 整个曝气阶段的DO浓度均低于最佳反应浓度；曝气强度在125 mL·min^-1和150 mL·min^-1时, 曝气阶段的后期DO浓度达到最佳反应浓度；曝气强度在175 mL·min^-1时, DO浓度仅在开始阶段低于最佳反应浓度；而曝气强度在200 mL·min^-1时, 几乎整个曝气阶段的DO浓度都在最佳浓度以上, 且在曝气阶段后期, DO浓度远大于2 mg·L^-1.为了保证曝气强度选取值的覆盖范围, 实验选用的曝气强度范围在75~200 mL·min^-1, 为方便工程参考, 对应气水体积比依次为9：1、12：1、15：1、18：1、21：1、24：1.由于曝气装置的有效水深约为0.63 m, 而实际污水处理厂曝气池的一般有效水深为4.5 m, 根据溶解氧饱和浓度的平均值公式可知, 装置中溶解氧浓度与其空气扩散装置的安装深度有关, 经换算, 上述实验气水体积比相当于一般污水厂曝气阶段的气水体积比依次为6.7：1、8.9：1、11.1：1、13.3：1、15.6：1、17.8：1.

3.2 SBR工艺各阶段VOCs排放量的关系比较

取DO浓度基本保持在最佳反应浓度, 曝气强度为175 mL·min^-1时, 检测进水、搅拌、静置、出水前后VOCs浓度差值分别为1047、805、439、586 μg·m^-3, 计算得出的各阶段VOCs排放量见图 3.

由图 3可知, 由于曝气阶段的不断扰动, 伴随着曝气气泡的逸出, 此阶段排放的VOCs总量远远高于其他阶段, 占各阶段排放总和的88.34%.因此, 在污水处理VOCs减量化的研究应着重放在曝气阶段.另外, 由图中可以得出, 其他阶段的VOCs排放总量为进水＞搅拌＞出水＞静置, 说明VOCs排放总量不仅与扰动的剧烈程度有关, 还与水体中所含的具有挥发性质的有机物的浓度有关.

3.3 不同曝气强度VOCs排放特性及水质分析

试验装置运行数日, 污泥系统稳定后更换曝气强度.在不同曝气强度下, 分别记录柱体上方的VOCs的浓度, 根据换算得出曝气阶段VOCs排放的沿程变化, 如图 4所示.

由图 4可以看出, 在曝气刚开始时, VOCs逸散浓度急剧上升, 在4~6 min达到峰值, 然后呈下降趋势, 在50~60 min时趋于稳定, 直至曝气阶段结束.随着曝气强度的增加, VOCs的峰值浓度也在逐步递增.将图 4的曲线进行积分, 得出不同曝气强度下VOCs的排放总量, 如图 5所示.

由图 5可以看出, 随着曝气强度的增加, VOCs的排放总量也呈现递增趋势, 这跟其沿程变化图中的峰值趋势一致.

图 6为不同曝气强度下, 进出水COD、NH₄⁺-N、TN、TP的去除率变化图.由图 6可以看出, 曝气强度较小时, 氨氮和总氮的去除率都较低, 这与之前的DO浓度低于2 mg·L^-1导致硝化反应不佳相一致.硝化反应不佳, 同时也导致聚磷菌的吸磷效果受到影响, 故总磷的去除率也较低.随着曝气强度的增强, 出水各项指标的去除率均有明显提高, 在175 mL·min^-1的曝气强度下, 已达到了很好的去除效果, 各指标去除率均在80%以上.而当曝气强度继续增大时, 如图不难发现, TP的去除率有所回减, 原因是与除磷相比, 脱氮对于污泥龄的时间要求较长, 两者的去除在同一阶段的不同条件下进行, 当实验更加注重脱氮效果时, 会对除磷效果有所影响.因此, 曝气强度在175 mL·min^-1时, 不仅可以保证出水水质的去除率, 还能尽可能的减少VOCs的排放.

3.4 不同曝气方式对VOCs排放关系变化的分析

每1 h时改变1次曝气强度, 调节气体流量计分别为125、150、175和200 mL·min^-1, 使得曝气阶段分别为渐强曝气和渐减曝气, 而上述实验得出的最优解175 mL·min^-1均匀曝气则是渐强、渐减均为零的特殊情形.试验装置运行数日, 污泥系统稳定后更换曝气方式.比较分析不同曝气方式对水质去除率以及VOCs排放关系的影响, 如图 7所示.

均匀曝气时的气水体积比为21：1, 渐变曝气的气水体积比为19：1, 相当于一般污水厂曝气阶段的气水体积比15.6：1、14.4：1, 相比之下, 渐变曝气方式曝气量有了明显地减少.由图 7a可知, 比较3种曝气方式, 各指标水质去除率都在80%以上, 说明这3种曝气方式在水质去除上都是符合要求的, 那么接下来比较这3种曝气方式的优越性可以从其与VOCs不同的排放关系着手.由图 7b所示, 渐强、渐减曝气刚开始时, VOCs逸散浓度变化趋势与均匀曝气一致, 当每隔1 h变化1次曝气强度时, VOCs逸散浓度发生阶梯性的变化, 且曝气强度增强VOCs逸散浓度阶梯型增加, 曝气强度减弱VOCs逸散浓度阶梯性减小.由图 7c可知, 相较于均匀曝气和渐强曝气, 渐减曝气的VOCs排放量分别减少了19.51%和17.38%, 总曝气量分别减少了7%和0%, 从VOCs的逸散和减少能耗角度论证了渐减曝气的优势.

根据图 7c及计算可知, 实验室小试SBR工艺处理生活污水时, 均匀曝气每天每m³产生的VOCs为34.0588 mg, 渐强曝气每天每m³产生的VOCs为33.1808 mg, 而渐减曝气每天每m³产生的VOCs为27.4139 mg.推算普通污水处理厂10×10⁴ m³的日处理量, 渐减曝气比均匀曝气每天减少664.4900 g的VOCs排放量, 每年减少242.5389 kg的VOCs排放量.因此, 渐减曝气对于工程上减少VOCs的排放, 改善环境质量有着重要的意义.

4 结论 (Conclusions)

1) SBR处理工艺中, 曝气阶段VOCs的排放量占各阶段排放总和的88.34%, 说明污水处理VOCs减量化的重点应放在曝气阶段.其他阶段的VOCs排放总量为进水＞搅拌＞出水＞静置, VOCs排放总量不仅与扰动的剧烈程度有关, 还与水体中所含的具有挥发性质的有机物的浓度有关.

2) 在曝气刚开始时, VOCs逸散浓度急剧上升, 在4~6 min达到峰值, 然后呈下降趋势, 在50~60 min趋于稳定.随着曝气强度的增加, VOCs的排放量也在逐步递增.曝气强度在175 mL·min^-1时, 不仅可以保证出水水质的去除率, 还可以尽可能的减少VOCs的排放.

3) 在保证污水处理效果的前提下, 每隔1 h改变1次曝气强度 (200、175、150、125 mL·min^-1), 调换其曝气的先后顺序, 发现渐减曝气的VOCs排放量比渐强曝气减少了17.38%.同时相较于于上述均匀曝气得出的最优解 (175 mL·min^-1), 4阶段渐减曝气的VOCs总排放量减少19.51%, 曝气量减少7.14%.

4) 从实际工程实例推算, 不难看出渐减曝气比均匀曝气每年减少242.5389 kg的VOCs, 对于污水处理厂减少VOCs的排放量是相当可观的, 从VOCs的逸散角度为提倡渐减曝气提供新的依据.