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污泥堆肥臭气的产生特征及防控措施 * 李明峰马闯赵继红刘桓嘉张蔓 郑州轻工业学院材料与化学工程学院，郑州 450001 摘要 城市污泥堆肥过程中易产生和排放恶臭气体， 造成二次污染。系统总结了污泥堆肥过程中主要恶臭物质 氨气 NH3 、 硫化氢 H2S 和挥发性有机物 VOCs 的产生机理及其影响因素， 并对常用除臭技术工艺进行了技术和经济 比较分析。通过对污泥堆肥厂恶臭气体的产生和释放特征的分析， 针对除臭工艺自身技术特点， 建议采用组合式除臭 技术解决污泥堆肥厂的恶臭污染问题。 关键词 污泥;堆肥;臭气;防控 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201401023 ODOＲ IN THE PＲOGＲESS OF SEWAGE SLUDGE COMPOSTINGPＲODUCTION， CHAＲACTEＲISTICS，PＲEVENTION AND CONTＲOL STＲATEGIES Li MingfengMa ChuangZhao JihongLiu HuanjiaZhang Man School of Material and Chemical Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450001，China AbstractProducing and releasing of 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 H2Sand volatile organic compounds VOCsin the process of sludge composting were summarized． Comparison of the traditional deodorizing s 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 techniques． Keywordssewage sludge;composting;odor;prevention and control * 国家水体污染控制与治理科技重大专项子课题 2012ZX07204- 001 ; 河南省重大公益招标项目 101100910300 。 收稿日期 2013 －02 －26 0引言 随着人们环保认识的日益提高， 我国的污水处理 事业得到了快速发展， 但污水处理量的快速增加也产 生了大量的剩余污泥 高达污水处理量的万分之 一 。如何妥善处置这些剩余污泥， 已成为制约污水 处理行业健康发展的瓶颈之一。污泥有机质含量高， 富含氮、 磷等营养元素， 具有巨大的资源化潜力， 但由 于其含水率高 80 且脱水困难， 同时含有细菌、 病 原菌等菌体， 容易腐化发臭污染环境［1- 2 ］。因此， 如果 不能妥善处理污泥， 必然会对环境造成二次污染， 降 低污水处理的效果， 造成“治水不治泥等于未治水” 的局面。目前国内外的污泥处理方式主要有 3 种 填 埋、 焚烧和堆肥化处理后土地利用， 其中填埋已经逐 渐禁止， 焚烧由于经济和技术原因发展受到一定的限 制， 因而堆肥处理成为污泥减量化、 无害化和资源化 的主要手段 ［3 ］。 本文对污泥堆肥过程中臭气的产排特征及防控 措施进行了综述， 以期为防控污泥堆肥过程中的臭气 污染， 优化设计堆肥厂的除臭系统提供参考。 1污泥堆肥过程中恶臭气体的来源及危害 1. 1恶臭气体的产生 污泥堆肥过程中恶臭气体在厌氧和好氧条件下 均可产生， 致臭物质主要产生于厌氧发酵过程 ［4 ］。 污泥堆肥的恶臭释放量主要取决于恶臭物质的生成 量及其向周围空气中扩散传递的速率。在好氧堆肥 过程中， 氧气供应不足时， 厌氧细菌将有机物分解为 不彻底氧化产物， 如胺类、 酰胺类和含硫化合物 H2S、 SO2、 硫醇类 等; 氧气充足时， 物料中的有机成 29 环境工程 Environmental Engineering 分如蛋白质等， 在好氧细菌的作用下产生 NH3等刺 激性气体 ［5 ］。因此， 不同的堆肥方式和发酵条件， 对 致臭物质的产生和成分影响很大。 1. 2恶臭气体的危害 恶臭气体除了对人体感官产生不悦的影响外， 还 含有各种有害物质， 若处理不当将严重污染周边土 壤、 空气和水源， 最终对各种生物包括人类自身造成 一定的危害， 例如使人食欲不振、 呕吐、 恶心、 头昏脑 胀， 同时还会使精神受到干扰; 恶臭物质中的硫醇、 硫 化氢、 氨、 胺类等可直接对内分泌系统、 循环系统、 呼 吸系统及神经系统产生危害， 具有大气污染和有害气 体污染的双重性 ［4， 6 ］。 2恶臭气体成分分析 堆肥物料组分复杂， 产生的气体种类繁多。堆肥 过程中产生的常见臭气成分主要有含硫化合物、 含氮 化合物和挥发性有机物 VOCs ， 不同臭气组份的沸 点和蒸气压见表 1。 表 1部分臭气化合物的臭气指数及臭气浓度域限［8 ］ Table 1Odor indices and concentration threshold of some malodorous gases 化合物 TOC② 可检测可识别 沸点/ ℃ 蒸气压/ kPa 臭气 指数③ 氨0. 03747－33Bp1. 673 105 硫化氢0. 000470. 0047－62Bp1. 7 107 1- 丁烯 0. 069－6Bp4. 348 107 甲基硫醇0. 00110. 00218Bp5. 33 107 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. 00080. 00592Bp1. 44 108 丁硫醇0. 000565Bp4. 934 107 乙酸0. 0080. 2117. 9 13. 33①1. 5 104 丙酸尿665. 3321. 123 105 α- 松萜、 松油0. 011371. 3334. 69 105 柠檬油精、 柠檬油541. 333 丁酸163. 5 1. 3335. 0 104 粪臭素0. 00120. 472650. 1333． 0 104 注 ① 相应温度的蒸气压力。 ② 臭气浓度域限 TOC ， 指能够引起感觉的有臭味气体的最小浓 度值， cm3/m3。 ③ 臭气指数 OI 有效表明一种臭气物质进入大气并产生可识别 反应的能力， OI 蒸气压/臭气识别域限。 含硫化合物如硫化氢、 甲硫醇、 甲硫醚、 噻吩等， 臭阈值非常低 ［7 ］， 因而对总恶臭度贡献很大［8 ］。含 氮物质主要有氨、 胺、 酰胺、 粪臭素以及吲哚等， 其中 氨是最受关注的致臭物质之一［5 ］。污泥高温堆肥过 程中普遍存在氮素的损失现象， 有研究表明， 城市垃 圾堆肥化处理过程中氮损失量为 50 ～ 60［9 ］ ， 污 泥约为 68［10 ］， 粪便高达 77［11 ］。VOCs 是指常压 下沸点低于100 ℃或25 ℃时饱和蒸气压大于133 Pa 的有机物 ［12 ］， 主要包括含硫有机物、 含氮有机物、 碳 氢化合物、 挥发性脂肪酸、 酯、 醚、 醇、 萜烯等 ［13- 14 ］。 由表 1 可以看出 氨、 硫化氢、 乙硫醇、 二甲基硫 和乙醛的沸点都低于堆肥的普通温度， 所以堆肥过程 中产生的这些物质会以气态挥发出来。其余物质的 沸点接近或高于堆肥过程的一般温度， 它们也有明显 的蒸发压力， 也可以蒸发成气态。因此氨气、 硫化氢、 VOCs 是堆肥过程中产生的主要致臭物质。 3堆肥过程中主要致臭物质的产生机理 3. 1氨气的产生机理 污泥堆肥过程的升温阶段通常时间很短， 微生物 繁殖量显著增加， 铵态氮快速积累并提高 pH 值， 在 50 ～70 ℃ 条件下导致铵态氮以氨气的形式大量挥 发 ［15 ］。在通风不畅条件下， 反硝化细菌对亚硝态氮 进一步转化为 N2O 或 N2［16 ］。硝化细菌以中温菌为 主， 在高温阶段活性受到抑制， 使得铵态氮不能及时 转化为硝态氮， 加剧了氨的挥发。在堆肥中后期， 硝 化细菌活性增强， 铵态氮不断减少， 硝态氮不断增加。 因此， 高温堆肥过程中的氨气挥发主要发生在堆肥初 期的高温阶段 ［ 17 ］。同时， NH 3的产生与堆肥中 NH 4 - N 的产生密切相关， NH 4 - N 产量越多， 散失的 NH3往往 也就越多 ［18 ］。 3. 2硫化氢产生机理 H2S 是由细菌还原硫酸盐和基质在厌氧条件下 含硫有机成分的分解产生的［19 ］。H2S 产生的主要原 因是在低氧化还原电位 OＲP 条件下， H2S 缺乏电子 受体 如 溶 解 氧 DO 、Cl2、NO － 3 、Fe3 、ClO － 和 KMnO － 4 ［20 ］等， H 2S 产生的最佳 OＲP 认定为 － 100 ～ －250 mV［21 ］， 因此， 提高氧化还原电位可有效降低 H2S 的产生量［22 ］， 具体方法包括添加热力学有利的 电子受体化合物 如氧化剂等 ， 都能有效降低 H2S 的产生量 ［23 ］。 3. 3挥发性有机物 VOCs 的产生机理 不同的堆肥方式均会产生 VOCs， 其成分包括硝 基化合物、 硫基化合物、 挥发性脂肪酸等 ［24 ］。堆肥过 程 VOCs 产生是微生物降解有机物所致， 排放过程是 39 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control VOCs 在堆体内通过对流传递后在堆体表面排放， 大 多数研究只关注堆肥过程中 VOCs 的释放效果。 Pagans E 等 ［25 ］认为挥发性脂肪酸主要是由堆肥原料 产生， 并在堆肥初期迅速降解。Kumar 等 ［26 ］也发现 垃圾堆肥过程中在早期阶段 VOCs 释放率是后期阶 段 5 倍。Eitzer 等 ［27 ］调查发现多数 VOCs 释放均发 生在堆肥初期， 最大释放量为 100 mg/m3， 是后期释 放浓度 1. 5 倍 ～ 2 倍。Turan 等 ［28 ］研究表明在堆肥 初期阶段， VOCs 释放浓度可能超过 1 400 mg/m3。 因此， 抑制堆肥最初时期的 VOCs 的产生量是控制 VOCs 排放的关键。 4堆肥过程中臭气产生和释放的影响因素 4. 1有机物矿化和氮素转化 有机氮在微生物的作用下被矿化分解而转化为 NH 4 - N， NH 4 - N 可进一步转化为氨气， 以气态形式释 放到堆体外 ［29 ］。随着有机质的矿化， 有机氮不断转 化为 NH 4 - N， 有利于后期的污泥土地利用。但是 NH 4 - N 若转化成氨气并释放到堆体外， 则对环境不 利。提高堆肥物料含水率有利于抑制堆肥体系中 NH3扩散及 NH 4 积累，减少氮素损失 ［30 ］。李国学 等认为 NH 4 - N 的减少和消失可以作为堆肥腐熟度的 参数 ［31 ］。因此， 控制氮素的损失应该主要控制 NH 4 - N 向氨气转化及氨气释放的过程。 4. 2温度 温度对堆肥过程中臭气的释放也是至关重要的。 曹喜涛等 ［32 ］研究发现 50 ℃下氨挥发速率明显高于 30 ℃。随着堆肥的进行， 有机酸逐渐被分解， 堆肥温 度的升高也使部分有机酸挥发， 含氮物质被微生物强 烈分解产生大量 NH3［33 ］。 堆肥温度是保证堆肥进行重要因素， 但随着温度 的上升 VOCs 也随之大量产生。堆肥的最初阶段产 生大部分 VOCs， 原因是堆肥初期温度较高， 进而促进 了 VOCs 的产生和释放 ［34 ］。夏季 VOCs 释放量最高， 秋冬季节释放量相对较低 ［35 ］。因此， 环境温度也是 影响 VOCs 产生的重要因素之一。 4. 3pH 值 在堆肥过程中， 堆体 pH 都是呈先降低再升高的 趋势。微生物厌氧发酵过程产生 H2S 气体， 但并不 是所有 H2S 都会释放到堆体外， 一部分 H2S 会溶于 水中或被堆肥物料吸附， 剩余 H2S 才会排出堆体［19 ］。 当进入高温阶段， 堆肥物料中的各种含硫化合物被大 量分解， 产生一定量的 S2 －， 与 H 结合后以 H2S 气体 的形式释放， 从而降低堆体中 H 含量， 使堆体 pH 升 高。到了降温阶段， 由于释放 H2S 的浓度增加， 使堆 体 pH 一直呈上升趋势 ［20 ］。 在堆肥初期， 物料中易降解有机物为微生物的生 长、 繁殖提供充足的营养， 有机氮快速分解而产生大 量的 NH 4 - N， 而此时硝化细菌活动相对较弱， 无法及 时将 NH 4 - N 转化为 NO － 3 - N， 使得 pH 值升高 ［36 ］。在 堆肥中后期， 随 NH 4 - N 浓度降低， NO － 3 - N 浓度不断 升高， pH 值略有降低。Liang 等模拟堆肥状态下 NH3 挥发机制， 指出大量的氨挥发都在 pH 值较高的状态 下进行 ［37 ］。 4. 4微生物活性 氨化细菌在高温期大幅度增加， 其数量与氨气释 放浓度、 铵态氮呈正相关， 硝化作用、 反硝化作用、 硝 化细菌和反硝化细菌数量随堆肥时间的推移有上升 的趋势 ［32 ］。刘学玲等［38 ］研究表明， 氨化细菌在高温 期处于大幅度上升趋势， 使得氨态氮含量和氨气释放 浓度均达到最大， 亚硝化细菌和反硝化细菌数量都在 降温期增加明显， 且都与硝态氮呈正相关。王立 群 ［39 ］发现氨化细菌适合生长温度为 45 ～55 ℃， 且在 65 ℃时仍保持一定的数量水平， 而硝化细菌、 反硝化 细菌和亚硝化细菌适合生长范围是 35 ～ 45 ℃， 研究 结果相似。翁焕新等 ［40 ］研究结果表明， 污泥 SＲB 的 生活量越大、 活性越强， 硫化氢释放量就越大; 中偏酸 性污泥硫化氢的释放量大于碱性污泥， 碱性污泥不仅 能够中和硫化氢， 而且可以抑制 SＲB 的生长， 减少硫 化氢产生。 VOCs 产生与微生物活性密切相关， 微生物多样 性在中温期最高［41 ］。先前研究表明变形细菌和乳酸 菌主要出现在中温期且加速有机质降解， 使 VOCs 产 量进一步增加。此外， 高温期主要细菌是蜡样芽孢杆 菌 ［42 ］， 能分解某些 VOCs 诸如有机硫和氮化合物， 从 而造成在这个时期 VOCs 浓度最低 ［43 ］。因此， 微生 物数量和种类在不同堆肥时期决定了有机质降解和 不同的产生 VOCs 量， 其中中温期是 VOCs 产生排放 关键时期， 应该密切关注。 5污泥堆肥过程中恶臭气体的处理方法和工艺 常用的恶臭气体处理方法见表 2。从表 2 可以 看出 治理恶臭气体的主要方法有物理、 化学、 生物和 联合法。物理化学除臭法具有设备繁多、 工艺复杂、 使用后再生困难、 能耗大等缺点; 生物法则具有简单、 投资省、 运行费用低、 维护管理方便、 效果好等优点。 49 环境工程 Environmental Engineering 但由于堆肥过程恶臭组分及其性质的多样性， 加上各 种处理措施都有其局限性，因此单一的净化方法对 臭气的净化性能往往不稳定， 在实际应用中通常需要 同时采用两种以上方法合理搭配， 才能稳定有效处理 不同堆肥过程产生的臭气［4， 44- 45 ］。 因此， 针对污泥堆肥厂恶臭特点和工艺要求， 运 用单一的方法进行恶臭治理难以满足要求， 采用物理 化学法与生物法的组合工艺进行脱臭处理是理想的， 即 “化学洗涤 － 植物提取液喷淋 － 生物滴滤” 和“催 化型活性炭吸附法 － 高能离子法 － 生物法” 。 表 2常用的臭气处理方法分析和比较［6， 46- 47 ］ Table 2Comparison and analysis on common odor treatment s 名称适用范围优点缺点去除效果 大气稀释法工业有组织排放源的低浓 度恶臭处理 费用低、 运行简单受当地气象条件和地形条件影响较大， 对烟囱高度有一定的要求 受条件限制， 去除效果 一般 活性炭吸附低浓度臭气和脱臭的后处 理 初期投资比较低、 维护容易， 被广泛应用 活性炭再生或更换导致运行成本较高脱臭效果良好 燃烧法废气质量浓度超过 1 500 10 －6 净化效率高、 操作简单、 动力 消耗少 建设投资和运行管理费用很高， 燃料费 用高， 有二次污染的可能 针对高浓度臭气处理 有效 高能离子细菌、 硫化物、 挥发性有机 物 占地小、 操作方便、 运行费用 低、 抗冲击负荷能力强、 无二 次污染 效果受浓度影响、 投资成本高、 需定期 更换离子管、 运行成本高 对 H2S、 NH3等气体去 除率可达95以上， 对 VOCs 去除率可达85 曝气式活性 污泥法 臭气浓度低、 氧气浓度高设备投资、 维护管理费较少需注意鼓风机与配管等的防尘和防腐 蚀保护， 活性污泥有异味 能有 效 去 除 高 浓 度 气体 生物滴滤法各种恶臭成分的降解处理管理维护容易、 运行费用低、 脱臭效果好、 适应性很强 占地较大、 投入高、 运行管理复杂对污水处理过程产生 的富含 N、 S 的臭气处 理效果优良 生物滤池法浓度高、 气量大的有机废气设备结构简单、 运行费用低、 操作管理方便、 占地面积较小 对多种废气的去除率 高 生物土壤法臭气浓度低、 土地充裕设备简单、 运行费用极低、 维 护操作方便 对高浓度或浓度变化较大的臭气不够 有效， 占地较大 降解难溶性恶臭成分 有效 6结论及建议 污泥堆肥过程中， 氨气、 硫化氢、 挥发性有机物 VOCs 是主要的致臭物质; 有机物矿化和氮素转化、 pH 值、 温度、 微生物活性是影响堆肥过程中臭气释放 的重要因素; 各种恶臭处理技术各有其优缺点， 就目 前恶臭处理研究发展状况而言， 综合经济因素， 采用 组合法会更加经济有效。 建议污泥堆肥厂结合具体环境特点， 采取诸如 “化学洗涤 － 植物提取液喷淋 － 生物滴滤” 、 “催化型 活性炭吸附法 － 高能离子法 － 生物法” 等组合方法。 参考文献 ［1］常勤学． 通风控制方式对动物粪便堆肥过程和氟磷转化的影 响［D］． 武汉 武汉理工大学， 2006． ［2］于安． 鸡粪/木屑强制通风堆肥过程中物质转化规律及微生物 种群结构的研究［ D］ ． 青岛 中国海洋大学， 2009． 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