城市污水处理厂污水处理工艺对VOCs挥发特征影响

中国环境科学2015,35(7)：1990~1997ChinaEnvironmentalScience城市污水处理厂污水处理工艺对VOCs挥发特征影响耿雪松1,2,张春林1*,王伯光1(1.暨南大学,大气环境安全与污染控制研究所,广东广州510632：2.暨南大学环境学院,广东广州510632)摘要：对广州市某污水处理厂入厂原水进行了现场水样采集,用吹扫捕集-气相色谱质谱法测定了水样中VOCs含量.在污水处理厂入水口中共检出20种VOCs,浓度范围为0.1789~21.89µg/L.基于实测数据和构筑物结构参数,对该厂4种不同的污水处理工艺流程(包括A-B工艺,UNITANK工艺,改良A2/O脱氮除磷工艺和改良A2/O高效沉淀工艺)利用WATER9模型计算了各工艺主要构筑物VOCs的挥发速率和挥发总量.挥发速率最大工艺为A-B工艺,其值为0.2318g/s;构筑物加盖的改良A2/O高效沉淀工艺挥发速率最小为0.0426g/s.各个工艺中挥发速率最大的单元有生物处理池和沉淀池,主要成分有苯、甲苯、三氯甲烷、四氯乙烯.根据VOCs挥发速率和污水处理量计算了VOCs在构筑物加盖和不加盖情况下的排放因子,并估算了珠江三角洲地区污水处理厂VOCs的总排放量,发现构筑物加盖可大大减少城市污水处理厂的排放率,削减率可达到74.72%.关键词：污水处理厂；VOCs；WATER9；排放因子中图分类号：X511文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)07-1990-08Effectsoftreatmentprocessesontheemissioncharacteristicsofvolatileorganiccompounds(VOCs)inamunicipalsewagetreatmentplant.GENGXue-song1,2,ZHANGChun-lin1*,WANGBo-guang1(1.InstituteofAtmosphereEnvironmentalSafetyandPollutionControl,JinanUniversity,Guangzhou510632,China；2.CollegeofEnvironmentalEngineering,JinanUniversity,Guangzhou,510632,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(7)：1990~1997Abstract：Sewagetreatmentplantcouldbeapotentialexposuretovolatileorganiccompounds(VOCs)inurbanenvironment.RawwatersampleswerecollectedfromtheinletofamunicipalsewagetreatmentplantinGuangzhouandwereanalyzedbypurge-trapconcentratorandhigh-resolutiongaschromatographycoupledwithmassspectrometry.20individualcompoundswerediscoveredwithaconcentrationrangedfromapproximately0.1789to21.89µg/Lintheinletwater.TheemissionratesandthetotalamountwerecalculatedemployingthemodelofWATER9basedonthemeasureddataandunitsstructuralparameters.Amongthefourprocesses(A-Bprocess,UNITANKprocesses,improvedA2/Oprocessconcentratedonnitrogenandphosphorusremoval,improvedA2/Oprocesswithefficientsedimentationtank),A-Bprocesshadthehighestemissionrateof0.2318g/s,whilethecoveredA2/Oprocesswithefficientsedimentationtankhadthelowestemissionrateof0.0426g/s.ThebiologicaltankandsedimentationtankwerethetwomajorunitsthatcontributedthelargestVOCsemissioninalltheunitsandthemostabundantVOCsconsistedofBenzene,toluene,chloroformandtetrachloroethylene.TheemissionfactorsofcoveredanduncoveredunitswerecalculatedbyWATER9modelbasedonemissionratesandsewagetreatmentamountsandVOCsemissionsofsewagetreatmentplantsinPearlRiverDeltaregionwereestimatedaswell,theresultsindicatedthatcoveredunitswillgreatlyreducetheamountofVOCsemissionswiththereductionrateupto74.72%.Keywords：sewagetreatmentplant；VOCs；WATER9；emissionfactor在我国经济发达的地区,区域性大气复合污染问题已引起了广泛关注,以臭氧为特征的区域性光化学烟雾污染和以细颗粒物为特征的灰霾天气频繁出现[1],挥发性有机化合物(VOCs)作为这些大气二次污染现象形成的重要前体物,是导致区域空气质量下降的关键污染物之一.此外,某些VOCs成分(如苯、甲醛、丁二烯)可刺激眼、鼻、喉、呼吸道黏膜,损害血液系统和神经系统,长期接触可引发致癌效应,严重威胁人类的生存收稿日期：2014-11-25基金项目：国家自然科学基金(U1201232)*责任作者,副教授,[e-mail]7期耿雪松等：城市污水处理厂污水处理工艺对VOCs挥发特征影响1991环境,是人类健康的重要隐患[2].VOCs来自于人为源(如机动车尾气,能源燃烧,化工生产,污水处理厂和垃圾处理站等)和天然源(如森林和农业区域)[3].污水处理厂作为城市生活污水及部分工业废水重要的汇,对大气环境中VOCs具有一定的贡献,如维也纳城市污水厂排放的非甲烷VOCs对大气中VOCs的贡献率达到7.5%[4].根据文献[5]中的数据,估算珠江三角洲(简称珠三角)地区废水处理过程中排放的VOCs贡献率也达7%以上.污水处理工艺对水中的VOCs具有一定去除作用[6-9].意大利5座市政污水处理厂中活性污泥法和生物膜法两种工艺对芳香烃类化合物的去除效果相当[7].A/O法,曝气生物滤池,浮动填料法,A2/O法4种不同污水处理工艺中,曝气生物滤池工艺对溶解性有机物(DOM)去除效果最为显著[9];此外,在超滤、微滤、活性炭吸附3种不同深度处理工艺中,活性炭吸附对VOCs深度处理工艺效果最好[8].污水处理厂去除有机物的机理主要有生物降解,挥发(动态吹脱,静态逸散)和吸附.其中挥发到空气中的VOCs成分会对周边环境和污水厂工作人员造成危害.越来越多的国家和地区(美国,欧盟,澳大利亚,日本,台湾等)颁布了法令,将其中某些VOCs列为“优先控制污染物”[10-18].市政污水处理厂挥发的主要VOCs成分有烷烃类、简单芳香烃等[19],恶臭VOCs主要以乙醛为主[20],VOCs逸散最大的单元为生化池和污泥脱水机房[20-21].工业污水处理厂排放的VOCs成分却有不同特征,如台湾某工业园区污水厂挥发的最主要VOCs成分为丙酮[22];而本课题组的研究发现,炼油厂废水处理站挥发性羰基化合物中己醛含量最高[23].此外,也有文献利用表面更新理论[4],WATER模型[24],饱和浓度法[14]等方法计算了不同污水厂的VOCs挥发速率和挥发量.但目前的研究还缺乏不同污水处理工艺对VOCs挥发过程影响的横向比较.为此,本研究选取广州市某生活污水处理厂为研究对象,针对该厂4种不同污水处理工艺,通过对污水厂入口原水的采样分析,结合不同工艺构筑物结构参数,利用WATER9模型对VOCs的挥发速率和挥发量进行模拟计算,探讨比较不同工艺对VOCs挥发速率和挥发总量的影响;并在此基础上获得污水处理厂VOCs排放因子,进而对整个珠三角地区污水处理厂VOCs排放总量进行估算.1材料与方法1.1采样基本情况介绍广州地处珠江三角洲腹部,属南亚热带海洋季风气候.由于背山靠海,具有温暖多雨、光热充足、温差较小等气候特征.全年气候受偏南海洋性季风气候的调节,通过1989~2008气候资料的统计分析,年平均气温为22.6℃.本研究选择在具有平均气温和水温的五月份进行样品采集,并选取了广州市一家大型污水处理厂作为研究对象.该厂设计日处理水量为120万m3/d,以处理生活污水为主,另外还处理部分工业废水.该污水处理厂有四种污水处理工艺,分别是:两段式活性污泥法(A-B工艺),设计处理规模为22万m3/d;组合交替式活性污泥法(UNITANK工艺),设计处理规模为22万m3/d;改良A2/O脱氮除磷工艺,设计处理规模为20万m3/d;改良A2/O工艺,加高效沉淀池,设计处理规模为56万m3/d.原水入厂后经过格栅,再通过提升泵房分配到各处理工艺.该厂工艺流程图见图1.本研究在污水处理厂进水口采集原水水样用于模型的计算.1.2样品采集方法水样用棕色玻璃瓶采集,对于不含余氯的原水进水样品和现场空白,每40mL水样中加4滴4mol/L的盐酸作固定剂,调节样品至pH2,以防水样中目标物质发生生物降解;待棕色样品瓶中充满水样并溢流无气泡后,密封样品瓶.所采样品运输和保存过程中均需避光,样品运回实验室后在4℃条件下保存,置于无有机物干扰环境中,并在两周内完成分析.1.3主要试剂捕集管填充材料:聚2,6-二苯基对苯醚(Tenax),色谱纯,60~80目;硅胶,35~60目;椰壳活性炭;甲醇(色谱纯);54种VOCs混标1992中国环境科学35卷(Chemservice公司);纯水,内标物(4-溴氟苯),盐酸(优级纯),抗坏血酸(分析纯).污泥消化池平流沉砂池A段生化A段沉淀B段生化B段沉淀消毒池A-B工艺污泥浓缩池污泥脱水间污泥消化池消毒池组合交替式生物处理池旋流沉砂池UNITANK工艺污泥消化池污泥脱水间二次沉淀池平流沉砂池提升泵房格栅原水厌氧池缺氧池好氧池改良A2/O脱氮除磷工艺水流方向污泥流向平流沉砂池污泥消化池污泥脱水间厌氧池缺氧池好氧池二次沉淀池消毒池消毒池出水口垃圾填埋场改良A2/O高效沉淀工艺图1污水处理厂工艺流程示意Fig.1Sewagetreatmentplantflowchart1.4样品分析及分析条件所用仪器:岛津2010气相色谱仪,配有美国安捷伦公司的G1888顶空进样器和美国OI公司的4660吹扫捕集进样器.吹脱捕集装置中吹脱温7期耿雪松等：城市污水处理厂污水处理工艺对VOCs挥发特征影响1993度为室温;吹脱时间11min,解吸温度180℃,解吸时间4min,烘烤温度230℃,烘烤时间10min.GC条件:DB-624柱,初始温度35℃,保持5min),然后以6℃/min升温至160℃,保持6min,再以20℃/min升温至210℃,保持2min,载气N2流量设为3.5mL/min.MS条件:离子源:EI,离子源温度200℃,离子化能量70eV,扫描范围:35~300amu.1.5估算方法表1WATER9所需水质参数Table1Waterquali