張偉軍等：污水處理廠污泥處理處置過程中的惡臭污染特征與惡臭物質減排控制措施
本文在歸納總結污泥常見惡臭物質及其產生來源的基礎上，詳細闡述了不同處理處置方式下污泥的惡臭污染特征與產生機制，并從源頭減排、過程控制、末端治理、排放管理4個方面評述了污泥惡臭減排控制措施的原理和發展前景，討論了污泥惡臭污染防治的復雜性和挑戰，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程中的惡臭污染特征與惡臭物質減排控制措施[J]. 環境工程學報. doi: 10.12030/j.cjee.202203007
文章鏈接：
http://www.cjee.ac.cn/article/doi/10.12030/j.cjee.202203007
文章簡介
我國污水處理廠污泥產量持續增加，在處理處置過程中釋放惡臭，對周圍環境和人群健康造成不利影響，極易引發民眾投訴。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、實現污泥資源化利用必須解決的技術難題之一。影響污泥惡臭釋放的因素多，惡臭物質組分復雜，而目前針對污泥惡臭產生機制和釋放規律的研究尚不深入，對污泥惡臭的治理效果也不理想。因此，在歸納總結污泥常見惡臭物質及其產生來源的基礎上，本文詳細闡述了不同處理處置方式下污泥的惡臭污染特征與產生機制，并從源頭減排、過程控制、末端治理、排放管理4個方面評述了污泥惡臭減排控制措施的原理和發展前景，討論了污泥惡臭污染防治的復雜性和挑戰，以期為污泥惡臭污染防控提供參考。
1、污泥惡臭來源
污泥具有鮮明的多介質、多組分特征，是一個存在復雜交互作用的微生態系統。污泥中豐富的微生物群落具有活躍的代謝功能，在特定條件下會釋放具有臭味的次級代謝產物。這些臭味物質組分復雜、濃度不同，導致污泥的惡臭特征復雜多變。在缺氧或厭氧條件下，微生物降解有機物生成還原性硫化物、含氮有機物、揮發性脂肪酸（volatile fatty acids, VFAs）等具有腐敗或刺激氣味物質。揮發性含氮有機物（如胺類、吲哚和糞臭素）主要通過氨基酸脫羧作用和L-色氨酸降解代謝等過程產生。污泥中的有機物（如淀粉、纖維素、半纖維素和果膠等）在水解細菌作用下形成小分子氨基酸、單糖和長鏈脂肪酸等有機成分，產酸菌利用這些水解產物進行厭氧發酵生成VFAs、醇類、醛類和酮類等物質。而好氧細菌則通過對含氮有機物及細胞物質進行氧化生成NH3和具有土霉味的物質。然而，微生物驅動的惡臭物質生成與轉化過程由哪些功能微生物或功能基因參與完成還不明確，需要進一步研究，以深刻理解污泥微生物群落中的產臭微生物及其代謝機制和條件。
此外，經污水處理過程轉移至污泥中的惡臭物質和致臭前體物在調理、脫水、熱處理及存放和運輸等過程中可再次揮發釋放。因此，底物揮發釋放和微生物代謝是污泥惡臭物質產生的主要途徑，惡臭釋放取決于污泥性質并受環境條件的影響（圖1）。這兩種途徑對污泥惡臭釋放的貢獻可能因具體情況而異，目前還鮮有研究進行分析和評估。
圖1 污泥產臭的影響因素
2、不同處理處置方式下污泥的
惡臭污染特征與產生機制
——污泥濃縮與脫水過程
在污泥濃縮與脫水車間，惡臭物質釋放通常隨水溫的升高而增加，具有夏、秋季高而冬、春季低的季節性特點。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，污泥濃縮和脫水過程常釋放相對較低濃度的DMS、DMDS、CS2、硫醇、苯乙烯和二甲苯等惡臭有機物，其中VSCs對惡臭貢獻突出。污泥脫水過程的惡臭氣體釋放量通常遠高于濃縮過程，釋放濃度更高、種類更豐富的揮發性含硫化合物（volatile sulfur compounds，VSCs）、揮發性含氮化合物（volatile nitrogen compounds，VNCs）、鹵代化合物、酮類和烴類等物質。但也有研究發現，部分污泥濃縮池比脫水車間的惡臭問題更突出。污泥濃縮與脫水過程中的產臭情況與工藝運行的具體參數密切相關，污泥水分、含氧量等參數的差異通過影響污泥中微生物的活性而在極大程度上決定著污泥產臭特征。
——污泥厭氧消化過程
厭氧消化工藝釋放的主要惡臭物質以NH3、H2S、MT和VFAs為主，而經熱水解預處理的高級厭氧消化工藝會釋放更高濃度的VSCs。VSCs濃度隨污泥厭氧消化停留時間的延長而降低，隨消化溫度升高而增加，尤其是H2S。厭氧消化過程形成的VFAs易被微生物降解，釋放量受消化工藝產酸和產甲烷過程的平衡關系調控。消化后的污泥惡臭強度通常較低、氣味特征也發生明顯變化，但污泥中殘留的蛋白質可能作為前體物在后續脫水和運輸過程中導致VSCs持續釋放。在消化脫水污泥在短期儲存期間，VSCs可作為底物隨產甲烷菌等微生物活性恢復而最終被轉化為甲烷和H2S；在長時間儲存過程中，則可釋放對甲酚、吲哚、甲苯、苯乙烯、乙苯、3-甲基吲哚和丁酸等惡臭物質。不同性質污泥經厭氧消化后在儲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。
——污泥好氧消化過程
運行良好的好氧消化工藝會形成無臭、腐殖質狀的污泥。當前對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較多。ATAD反應器中pH值升高會抑制硝化作用并促進NH3形成；在有機負荷過載的情況下，產生VFAs并在反應器中積聚導致惡臭。ATAD系統若不能始終保持有氧條件，則會形成高濃度的NH3、VFAs和VSCs（如硫醇、H2S、DMS和DMDS），并隨后從工藝廢氣、脫水和儲存過程中釋放出來。
——污泥堆肥過程
污泥好氧堆肥過程中釋放的惡臭物質主要包括H2S、NH3和揮發性有機硫化物（volatile organic sulfur compounds，VOSCs），約貢獻總氣味的80%。H2S和NH3的釋放受堆體pH的影響。相較于NH3，VSCs的濃度較低，但對氣味貢獻大，是主要的致臭物質。此外，三甲胺、芳香化合物、萜類、醛類、酮類和VFAs等惡臭物質也常檢出。大多數惡臭物質產生于中溫期和高溫初期，釋放量隨堆肥溫度的升高而增加；通風不足或污泥含水量較高會形成厭氧條件，進而產生VOCs和VFAs。
——污泥干化過程
污泥干化處理中，大部分微生物的活性在高溫下受抑制，惡臭物質可能主要通過各種前體物的物理化學作
用產生和釋放。污泥干化釋放的惡臭物質有VSCs（H2S、COS、MT、DMS、DMDS和CS2）、NH3、有機胺、苯系物和VFAs。大部分惡臭物質隨干化溫度的升高，釋放量增加。NH3和VFAs的釋放主要發生在干化早期；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。
——污泥焚燒處置過程
污泥中的還原性惡臭物質在高溫焚燒過程中被氧化，產臭問題相對較輕。故目前對此過程惡臭污染的研究相對較少，部分研究指出該工藝會釋放NH3、H2S、TMA和乙醛等惡臭物質。
——污泥填埋過程
污泥常和其他有機廢物混合進行填埋，在厭氧條件下分解產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等成分復雜的揮發性物質。盡管這些物質含量通常低于總排放量的1%(體積分數)，但仍會形成惡臭。通常，污泥填埋區NH3的釋放量最大，但典型惡臭物質為VSCs、有機酸及部分VOCs(胺類和醛類)等。
——其他處置過程
污泥土地利用過程釋放的主要惡臭物質仍是VSCs，其惡臭釋放特征受污泥性質和施用場地的影響。相對于污泥焚燒等其他過程，污泥建材利用過程產臭較輕，還可解決污泥用作建筑材料過程中VSCs釋放和其他氣味問題。
3、污泥惡臭污染的減排控制措施
及相關工藝研發應用現狀
——源頭減量，即在惡臭產生的源頭采取有效措施控制惡臭物質的形成。然而，如何在保證污泥處理效能的基礎上有效減少處理過程及后續工藝中的惡臭釋放是一個系統性問題，仍存在技術難點，需要開展進一步研究。
——過程控制，通過惡臭收集、工藝優化與設備優選盡可能抑制惡臭氣體的生成和泄露，是當前惡臭污染防治最行之有效的措施。
——末端處理，單一除臭技術已很難滿足越來越嚴格的臭氣排放標準，根據惡臭特征，合理采用多種惡臭控制技術組合，發揮協同效應進行綜合處理是未來的發展趨勢。
——排放管理，通過排放標準的制定實施實現對污染減排效果的最終管理和控制。現階段，污泥惡臭氣體的控制大多借鑒其他領域研究成果，尚處于發展的初級階段，仍需不斷加以完善、補充。源頭減量與過程控制可有效遏制污泥處理處置過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題，而排放管理則是從系統管理的角度保證污泥惡臭污染防控全流程的實施質量。
展望
1)我國污泥處理處置技術路線已形成“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-應急填埋”四個主流方案。這些處理處置技術路線的實施都不能忽視惡臭污染問題。由于污泥惡臭物質的濃度低、成分復雜，準確的定性定量分析和影響評價比較困難，限制了對不同處理處置過程中污泥惡臭污染物釋放規律的認識。因此，建立更先進的分析方法，將多種分析手段有機結合，從感官評價和儀器分析的不同角度表征惡臭的污染特征，準確識別關鍵的惡臭物質，是確定污泥惡臭治理方案的核心科學問題，對于研發污泥減臭控臭技術措施具有重要科學意義。
2)污泥產臭特征與污泥性質密切相關，受環境條件的影響，微生物代謝發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，人們對污泥產臭機制的認識還非常有限。在準確識別關鍵惡臭物質的基礎上，利用基因測序技術、PCR核酸技術等微生物分子生態學技術，深入理解不同處理和處置過程中污泥微生物介導的惡臭物質轉化途徑及相關機理，對認識污泥的產臭機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依據。
3)完整的污泥惡臭控制技術路線應從源頭減量、過程控制、末端治理和排放管理四個方面綜合考慮，其中應以源頭減量和過程控制為主，最大限度減少惡臭釋放和后續處理的壓力。末端治理技術方面，化學洗滌法和生物過濾法仍是我國污泥惡臭治理的主要手段。但在實際的工程應用上，需要根據污泥惡臭釋放特征、周邊環境及除臭要求，針對性地選擇一種或多種方法結合應用，有效提高惡臭綜合去除效果。通過提高調理劑效能、調整污泥處理工藝運行參數和優化運行工況等手段從源頭上減少污泥惡臭產生，開發應用新型除臭技術及聯用技術，協調發揮各個環節的減臭控臭調控作用，實現污泥惡臭污染有效控制。在排放管理方面，由于我國惡臭污染防治事業起步較晚，有關污泥惡臭污染控制的技術方法和標準等還遠遠不夠，需進一步進行研究并加強惡臭污染立法。
作者簡介 ?
張偉軍，1986年生，工學博士，國家優青獲得者，中國科學院生態環境研究中心研究員。主要從事有機固廢處理與資源化、工業廢水處理與資源化、湖泊沉積物污染控制等方面的研究工作。先后主持國家自然科學基金、國家水體污染控制重大專項子課題、湖北省自然科學基金等項目。以第一/通訊作者身份，總計發表中英文核心期刊論文100余篇，其中在Water Research、Environment International、Environmental Science: Nano等期刊發表SCI論文80余篇（包括18篇Water Research和5篇Environment International），SCI總計他引2400余次。申請國家發明專利14項，授權7項；曾獲華夏建設科學技術一等獎2次（2021、2022）、湖北省科技進步二等獎（2022）、中國節能協會節能減排科技進步一等獎（2022）、中國產學研合作創新成果二等獎（2020）等獎勵；任《安全與環境工程》期刊副主編、《環境科學》（EI）青年編委、IWA中國青年委員會委員和中國城鎮供水排水協會青年工作者委員會委員、巴塞爾公約亞太區域中心化學品與廢物環境管理智庫專家等職；指導研究生獲得國家獎學金、校級優秀碩士論文、奧加諾獎學金等19人次。
來源 | 環境工程學報
作者 | 楊曉芳
