1 引言 (Introduction)

　　揮發性有機化合物 (VOCs) 是造成霧霾的重要原因, 嚴重影響人體的生理功能, 對呼吸道、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).隨著城鎮化進程加快, 城市人口激增, 污水處理廠周邊居民人口愈加密集, 而其作為VOCs的排放源之一 (Karageorgos et al., 2010; Mliis et al., 1995; 劉晗等, 2009), 嚴重影響周邊民眾的生活質量.因此, 對污水處理廠產生VOCs的特性進行研究、控制和減量, 是VOCs減排的重要課題.污水處理廠產生的惡臭主要存在于粗、細格柵處理工藝段以及VOCs在夏季逸散濃度顯著高于冬季 (林堅等, 2010), 已知城市污水處理廠揮發性惡臭有機物 (MVOC) 至少有34種, 其中苯系物、2-丁酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯和甲硫醚為重要的分子標志物 (唐小東等, 2011).利用2級生物過濾器處理污水廠VOCs, 發現大多數硫化氫和甲苯在低pH條件下被生物氧化, 而其他親水的成分在高pH條件下去除效果更好 (Liu et al., 2011).靜態的表面、渠道、堰滴結構、鼓風曝氣、表面曝氣和流媒體6個特征排放源中的一個或多個可以描述并預測污水處理過程中VOCs的排放模型 (Gostelow et al., 2001).

　　本文對SBR污水處理工藝VOCs的逸散進行研究, 在保證出水水質前提下, 檢測并計算進水、攪拌、曝氣、靜置、出水5個階段的VOCs排放量;在此基礎上, 研究曝氣階段的VOCs產生特性, 比較不同曝氣強度以及均勻曝氣、漸減曝氣、漸強曝氣方式的VOCs排放量, 以獲得VOCs最少排放量的曝氣方式.

　　2 材料與方法 (Materials and methods) 2.1 實驗裝置

　　實驗裝置 (圖 1) 由高1 m, 直徑9 cm的有機玻璃柱制成, 柱體的有效容積是4 L.污水處理采用傳統的SBR工藝, 從進水口進入反應柱, 進水量為2 L, 經過一個周期的反應, 由出水口排出.檢測口用來檢測DO和VOCs, 未檢測時為關閉狀態.在測試進水、攪拌、靜置、出水4個階段VOCs排放量時, 排氣口關閉, 其余時間為打開狀態.裝置由一個污水反應柱和一個空白對照柱組成, 空白對照柱是檢測自來水對空氣中VOCs吸收效果, 兩柱曝氣階段測得的VOCs數值相減, 以此推算出污泥反應柱中活性污泥的有效反應.

　　圖 1(Fig. 1)

　　2.2 接種污泥和實驗用水

　　反應器啟動污泥取自揚州市湯汪污水處理廠生化池.試驗用的污水取自揚州大學揚子津宿舍樓化糞池污水和食堂廚余污水.主要水質指標見表 1.

　　2.3 分析與計算方法

　　各項指標測定方法均參照國標方法.COD采用重鉻酸鉀法分析, NH4+-N采用納氏試劑分光光度法分析, TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度計法分析, NO3--N采用麝香草酚紫外分光光度法分析, TP采用鉬酸銨分光光度法分析.DO采用多參數便攜式測量儀測量, VOC檢測采用美國華瑞公司生產的PGM-7340VOC檢測儀手持式檢測儀測量.

　　曝氣階段VOCs排放量的計算是由曝氣時柱體上方空氣柱的瞬時值減去空白對照柱上方的VOCs的瞬時值, 乘以曝氣強度并求和得出, 公式如下：

(1)

　　式中, M為曝氣階段產生的VOCs的量 (mg·m-3·d-1);bi為曝氣開始第i分鐘污水反應柱上方的VOCs的濃度 (μg·m-3);Bi0為曝氣開始第i分鐘空白對照柱上方的VOCs的濃度 (μg·m-3);P為此時的曝氣強度 (mL·min-1);n為每日進水次數 (d-1);v為每周期進水體積 (L);240為曝氣運行的分鐘數, 即4 h.

　　其余階段VOCs排放量的計算方法是, 分別記錄進水、攪拌、靜置、出水各階段運行前、后, 柱體上方空氣的VOCs濃度值, 記錄完畢, 將柱體上的閥門全部關閉, 通過濃度差值、空氣柱體積和運行時間, 計算出4種不同階段產生的VOCs量, 公式如下：

(2)

　　式中, M為進水、攪拌、靜置或出水階段產生的VOCs的量 (mg·m-3·d-1);a1為運行階段開始前柱內的VOCs的濃度 (μg·m-3);a2為運行階段結束時柱內的VOCs的濃度 (μg·m-3);P為此時的曝氣強度 (mL·min-1);V0為柱體上方空氣的體積 (L);n為每日進水次數 (d-1);v為每次進水的體積 (L).

　　3 結果與討論 (Results and discussion) 3.1 實驗的啟動及曝氣強度的確定

　　本試驗參考污水廠CASS工藝單體SBR的運行參數, 通過定時開關控制進水1.5 h、攪拌3 h、曝氣4 h、靜置2 h、出水1.5 h, 一周期12 h, 1 d 2個周期.污泥齡25 d, 污泥濃度保持在4000 mg·L-1左右.

　　根據曝氣階段的DO濃度, 確定實驗的曝氣強度, 結果如圖 2所示.為了保證硝化反應的順利進行, DO濃度一般略高于2 mg·L-1為最佳, 由圖 2可以看出, 曝氣強度在75 mL·min-1和100 mL·min-1時, 整個曝氣階段的DO濃度均低于最佳反應濃度;曝氣強度在125 mL·min-1和150 mL·min-1時, 曝氣階段的后期DO濃度達到最佳反應濃度;曝氣強度在175 mL·min-1時, DO濃度僅在開始階段低于最佳反應濃度;而曝氣強度在200 mL·min-1時, 幾乎整個曝氣階段的DO濃度都在最佳濃度以上, 且在曝氣階段后期, DO濃度遠大于2 mg·L-1.為了保證曝氣強度選取值的覆蓋范圍, 實驗選用的曝氣強度范圍在75~200 mL·min-1, 為方便工程參考, 對應氣水體積比依次為9：1、12：1、15：1、18：1、21：1、24：1.由于曝氣裝置的有效水深約為0.63 m, 而實際污水處理廠曝氣池的一般有效水深為4.5 m, 根據溶解氧飽和濃度的平均值公式可知, 裝置中溶解氧濃度與其空氣擴散裝置的安裝深度有關, 經換算, 上述實驗氣水體積比相當于一般污水廠曝氣階段的氣水體積比依次為6.7：1、8.9：1、11.1：1、13.3：1、15.6：1、17.8：1.

　　圖 2(Fig. 2)

　　3.2 SBR工藝各階段VOCs排放量的關系比較具體參見污水寶商城資料或http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。

　　取DO濃度基本保持在最佳反應濃度, 曝氣強度為175 mL·min-1時, 檢測進水、攪拌、靜置、出水前后VOCs濃度差值分別為1047、805、439、586 μg·m-3, 計算得出的各階段VOCs排放量見圖 3.

　　圖 3(Fig. 3)

　　由圖 3可知, 由于曝氣階段的不斷擾動, 伴隨著曝氣氣泡的逸出, 此階段排放的VOCs總量遠遠高于其他階段, 占各階段排放總和的88.34%.因此, 在污水處理VOCs減量化的研究應著重放在曝氣階段.另外, 由圖中可以得出, 其他階段的VOCs排放總量為進水>攪拌>出水>靜置, 說明VOCs排放總量不僅與擾動的劇烈程度有關, 還與水體中所含的具有揮發性質的有機物的濃度有關.

　　3.3 不同曝氣強度VOCs排放特性及水質分析

　　試驗裝置運行數日, 污泥系統穩定后更換曝氣強度.在不同曝氣強度下, 分別記錄柱體上方的VOCs的濃度, 根據換算得出曝氣階段VOCs排放的沿程變化, 如圖 4所示.

　　圖 4(Fig. 4)

　　由圖 4可以看出, 在曝氣剛開始時, VOCs逸散濃度急劇上升, 在4~6 min達到峰值, 然后呈下降趨勢, 在50~60 min時趨于穩定, 直至曝氣階段結束.隨著曝氣強度的增加, VOCs的峰值濃度也在逐步遞增.將圖 4的曲線進行積分, 得出不同曝氣強度下VOCs的排放總量, 如圖 5所示.

　　圖 5(Fig. 5)

　　由圖 5可以看出, 隨著曝氣強度的增加, VOCs的排放總量也呈現遞增趨勢, 這跟其沿程變化圖中的峰值趨勢一致.

　　圖 6為不同曝氣強度下, 進出水COD、NH4+-N、TN、TP的去除率變化圖.由圖 6可以看出, 曝氣強度較小時, 氨氮和總氮的去除率都較低, 這與之前的DO濃度低于2 mg·L-1導致硝化反應不佳相一致.硝化反應不佳, 同時也導致聚磷菌的吸磷效果受到影響, 故總磷的去除率也較低.隨著曝氣強度的增強, 出水各項指標的去除率均有明顯提高, 在175 mL·min-1的曝氣強度下, 已達到了很好的去除效果, 各指標去除率均在80%以上.而當曝氣強度繼續增大時, 如圖不難發現, TP的去除率有所回減, 原因是與除磷相比, 脫氮對于污泥齡的時間要求較長, 兩者的去除在同一階段的不同條件下進行, 當實驗更加注重脫氮效果時, 會對除磷效果有所影響.因此, 曝氣強度在175 mL·min-1時, 不僅可以保證出水水質的去除率, 還能盡可能的減少VOCs的排放.

　　圖 6(Fig. 6)

圖 6 不同曝氣強度下出水COD、NH4+-N、TN、TP的去除率

　　3.4 不同曝氣方式對VOCs排放關系變化的分析

　　每1 h時改變1次曝氣強度, 調節氣體流量計分別為125、150、175和200 mL·min-1, 使得曝氣階段分別為漸強曝氣和漸減曝氣, 而上述實驗得出的最優解175 mL·min-1均勻曝氣則是漸強、漸減均為零的特殊情形.試驗裝置運行數日, 污泥系統穩定后更換曝氣方式.比較分析不同曝氣方式對水質去除率以及VOCs排放關系的影響, 如圖 7所示.

　　圖 7(Fig. 7)

　　均勻曝氣時的氣水體積比為21：1, 漸變曝氣的氣水體積比為19：1, 相當于一般污水廠曝氣階段的氣水體積比15.6：1、14.4：1, 相比之下, 漸變曝氣方式曝氣量有了明顯地減少.由圖 7a可知, 比較3種曝氣方式, 各指標水質去除率都在80%以上, 說明這3種曝氣方式在水質去除上都是符合要求的, 那么接下來比較這3種曝氣方式的優越性可以從其與VOCs不同的排放關系著手.由圖 7b所示, 漸強、漸減曝氣剛開始時, VOCs逸散濃度變化趨勢與均勻曝氣一致, 當每隔1 h變化1次曝氣強度時, VOCs逸散濃度發生階梯性的變化, 且曝氣強度增強VOCs逸散濃度階梯型增加, 曝氣強度減弱VOCs逸散濃度階梯性減小.由圖 7c可知, 相較于均勻曝氣和漸強曝氣, 漸減曝氣的VOCs排放量分別減少了19.51%和17.38%, 總曝氣量分別減少了7%和0%, 從VOCs的逸散和減少能耗角度論證了漸減曝氣的優勢.

　　根據圖 7c及計算可知, 實驗室小試SBR工藝處理生活污水時, 均勻曝氣每天每m3產生的VOCs為34.0588 mg, 漸強曝氣每天每m3產生的VOCs為33.1808 mg, 而漸減曝氣每天每m3產生的VOCs為27.4139 mg.推算普通污水處理廠10×104 m3的日處理量, 漸減曝氣比均勻曝氣每天減少664.4900 g的VOCs排放量, 每年減少242.5389 kg的VOCs排放量.因此, 漸減曝氣對于工程上減少VOCs的排放, 改善環境質量有著重要的意義.具體參見污水寶商城資料或http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。

　　4 結論 (Conclusions)

　　1) SBR處理工藝中, 曝氣階段VOCs的排放量占各階段排放總和的88.34%, 說明污水處理VOCs減量化的重點應放在曝氣階段.其他階段的VOCs排放總量為進水>攪拌>出水>靜置, VOCs排放總量不僅與擾動的劇烈程度有關, 還與水體中所含的具有揮發性質的有機物的濃度有關.

　　2) 在曝氣剛開始時, VOCs逸散濃度急劇上升, 在4~6 min達到峰值, 然后呈下降趨勢, 在50~60 min趨于穩定.隨著曝氣強度的增加, VOCs的排放量也在逐步遞增.曝氣強度在175 mL·min-1時, 不僅可以保證出水水質的去除率, 還可以盡可能的減少VOCs的排放.

　　3) 在保證污水處理效果的前提下, 每隔1 h改變1次曝氣強度 (200、175、150、125 mL·min-1), 調換其曝氣的先后順序, 發現漸減曝氣的VOCs排放量比漸強曝氣減少了17.38%.同時相較于于上述均勻曝氣得出的最優解 (175 mL·min-1), 4階段漸減曝氣的VOCs總排放量減少19.51%, 曝氣量減少7.14%.

　　4) 從實際工程實例推算, 不難看出漸減曝氣比均勻曝氣每年減少242.5389 kg的VOCs, 對于污水處理廠減少VOCs的排放量是相當可觀的, 從VOCs的逸散角度為提倡漸減曝氣提供新的依據.