城市污水處理廠主要發揮削減水污染物、保護水環境質量的功能，其主要處理構筑物包括一級處理（格柵、沉砂池、初沉池等）、二級處理（生物處理、二沉池等）及污泥處理處置單元。各處理單元構筑物在削減水污染物的同時，由于厭氧生化反應、好氧曝氣、污泥發酵等過程，不可避免會產生氨氣（NH3）、硫化氫（H2S）、甲硫醇等惡臭污染物，并逸散至空氣中，刺激人的感官并對人體健康造成一定危害。
控制污水處理單元構筑物逸散的惡臭污染物的方法主要有物理吸附法、化學吸收法、化學氧化法、生物除臭法等。在工程實踐中，首先需對惡臭氣體進行集中收集，然后通過各類方法的組合使氣體中惡臭組分得以去除，達到惡臭污染物排放標準后排放。城鎮污水處理廠的惡臭組分包括硫化氫、氨氣等，污水處理廠的進水格柵間、曝氣沉砂池、初沉池等上游構筑物的氨氣和硫化氫含量相對較高，而下游構筑物中相對較少，故惡臭氣體收集與處理的重點應置于上游構筑物。目前城鎮污水處理廠惡臭治理均采用處理后達標排放的模式，在惡臭削減方面獲得較好效果；但由于惡臭氣體處理后依然存在排放問題，難以完全消除惡臭排放對廠區及周邊環境的影響。
為進一步削減污水處理單元構筑物惡臭氣體的排放量，以紹興污水處理發展有限公司的曝氣沉砂池為研究對象，在原有除臭工藝的基礎上，提出惡臭氣體封閉循環處理的“趨零排放”工藝方案，并對除臭工藝進行增強改造，以進一步降低惡臭氣體及組分排放。該思路對于其他處理單元構筑物及同類污水處理廠亦有較大推廣應用價值。
1、工程背景
紹興水處理發展有限公司的生活污水處理量為30×104m3/d，采用曝氣沉砂、A2O、中間沉淀、AO、二次沉淀、氣浮、纖維轉盤過濾組合工藝，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）的一級A排放標準。
該污水處理廠曝氣沉砂池長23m，單格寬3.5m，有效水深2.92m，水平流速0.85m/s，停留時間4min，曝氣量3800m3/h。該單元是污水處理廠惡臭的主要來源。經過原有常規生物洗滌、過濾除臭系統處理后，依然存在惡臭氣體外排問題。為提升廠區和周圍大氣環境質量，消除生活污水處理工藝散發惡臭的問題，基于惡臭氣體循環處理的“趨零排放”思路，將現有常規生物洗滌、過濾組合除臭系統改造成“趨零排放”除臭系統。在獲得相應改造及運行經驗的基礎上，未來可進一步將其余涉及惡臭氣體排放單元逐步實現“趨零排放”模式改造升級，在不大幅增加工程投資的基礎上，改善廠區及周邊區域大氣環境質量。
2、“趨零排放”改造思路的提出
2.1 原有惡臭氣體處理工藝
該污水處理廠現有多套生物除臭裝置，其中位于生活污水處理系統的曝氣沉砂池除臭系統采用生物除臭工藝，工藝流程如圖1所示。
曝氣沉砂池產生的惡臭氣體經收集后由主管輸送至生物洗滌過濾除臭系統上部的進氣口，通過霧化噴嘴將水充分霧化后與氣流混合，迅速使待處理的氣體濕度達到飽和狀態，在氣體由下而上運動時，氣體中的異味分子穿過填料層，與填料表面形成的生物膜充分接觸并氧化、分解，從而達到除臭目的。由于惡臭氣體經現有除臭工藝處理后仍需外排，難以徹底消除惡臭氣體排放對廠區及周邊環境的影響，因此，需對曝氣沉砂池的除臭系統工藝進行改進。
2.2 改造工藝思路
為實現曝氣沉砂池惡臭氣體“趨零排放”，將曝氣沉砂池排放的惡臭氣體經噴淋、生物洗滌、生物過濾組合工藝處理后，再循環至曝氣沉砂池，與曝氣沉砂池排放的惡臭氣體混合后再進一步經除臭工藝處理。惡臭氣體經閉路循環處理后，使系統內H2S、氨氣不發生積累并可實現持續循環，大幅降低了外排氣體總量，最終實現“趨零排放”。改造工藝方案見圖2。
根據現場實際情況，將曝氣沉砂池除臭系統升級改造為“趨零排放”系統，主要工程內容包括：循環抽風系統（利舊）、提高池體密閉性能、增設送風回路系統、增設鐵氧化H2S噴淋吸收裝置、生物除臭主體設備（更換填料）、氣體平衡裝置（氧氣補給和二氧化碳吸收系統）等。
該系統的核心在于：
①鐵氧化H2S噴淋吸收裝置與生物洗滌、過濾組合強化除臭。為強化循環惡臭氣體的處理及實現“趨零排放”，在原系統中生物洗滌、生物過濾組合工藝之前，增加了鐵氧化H2S噴淋裝置，對H2S、NH3的去除率較高，在閉環系統中不發生積累。
②系統內O2平衡。由于曝氣沉砂池進水中有機物的存在，隨著運行時間增加，閉環系統中會發生有機物氧化而使O2含量降低，不僅影響曝氣沉砂池的預曝氣作用，而且對生物濾池的除臭效果也會產生影響。因此，依據O2濃度增設了O2補充平衡裝置。
③CO2吸收裝置。由于曝氣沉砂池進水中有機物的存在，閉環系統內的O2會將有機物氧化為CO2，從而造成CO2在系統內的積累。為解決“趨零排放”系統中CO2的積累問題，采用CO2吸收填料塔，以NaOH為吸收劑將系統中產生的CO2去除。
“趨零排放”系統正常運行應滿足如下3個條件：a.回用氣體以系統進、出氣流量相等為前提；b.排氣條件滿足循環使用要求；c.排氣不影響系統內各部件壽命。系統內部非金屬材質均為玻璃鋼，系統中僅有鼓風機對氣體成分較敏感。鼓風機為304材質，根據API571規范，304材質基本不受H2S腐蝕影響，因此只需保證系統進出氣流量吻合即可滿足循環使用條件。另外，只需通過處理設施保證進入的H2S和NH3被大部分去除，即可滿足系統趨零排放及氣體循環回用條件。
3、“趨零排放”工藝方案及設計
3.1 池體密閉性能改進
改造原有曝氣沉砂池密封系統，嚴密封閉蓋板和池面的接觸縫隙，使其形成封閉空間，確保整個覆蓋密封系統的密閉性，使惡臭氣體不外逸。同時，對密閉空間里產生的臭氣進行統一收集，通過風機抽吸，將臭氣吸入輸送管道，經管道輸送至除臭系統集中處理。改造后的密封系統使用蓋板進行加蓋，同時達到臭氣封閉不泄漏、景觀性強的視覺效果。
3.2 增設送風回路系統
3.2.1 設計說明
整套除臭系統處理風量為8000m3/h，其中鼓風機曝氣風量為3000m3/h，空間置換為5000m3/h。通過生物除臭系統處理的氣體經過氣體平衡裝置、送風回路系統，共分成兩路，重新送入曝氣沉砂池，其中一路（風量5000m3/h）通過管道直接送回曝氣沉砂池，另一路經由過濾裝置后以鼓風曝氣形式送入曝氣沉砂池，曝氣沉砂池氣體運行路徑形成閉合循環系統，達到“趨零排放”目的。
3.2.2 管道設計
除臭風管選用流體阻力小、機械強度高、耐腐蝕、抗老化性能優越的玻璃鋼。除臭風管風量及管徑分布參照《簡明通風設計手冊》，支管設計流速宜為4~6m/s，次主管設計流速宜為6~8m/s，主管設計流速宜為8~12m/s。除臭風管的壁厚與風管口徑設計要求：當管徑<DN200時，壁厚≥3.0mm；當管徑為DN200~DN400時，壁厚≥4.0mm；當管徑為DN400~DN630時，壁厚≥5.0mm；當管徑為DN630~DN1000時，壁厚≥6.0mm。
3.3 新增鐵氧化除H2S噴淋吸收裝置
鐵氧化除H2S噴淋吸收裝置如圖3所示。
含H2S氣體擴散至液相中，HS被Fe3+氧化，生成單質硫，脫硫液中的還原態Fe2+在被空氣氧化后，循環至吸收段重復利用；整個反應過程金屬離子基本不消耗，H2S最終轉化為單質硫從體系中分離出去。
反應原理及過程如下：
氣相至液相：
H2S氧化過程：
Fe2+氧化再生：
鐵氧化除H2S反應液經沉淀、脫水后形成含單質硫的污泥，與污水處理產生的污泥一并外運處置。由于鐵氧化除H2S反應液含單質硫，可考慮將其回流至脫氮單元用于自養反硝化脫氮電子供體。
鐵氧化除H2S裝置尺寸為Ø1.8m×6.0m，處理風量為8000m3/h，填料高度為1.2m，2層，填料有效停留時間為2.75s，空塔流速為0.87m/s，裝置主體材質為玻璃鋼，噴淋管件材質為UPVC，噴嘴材質為PVC。
3.4 CO2吸收裝置
污水處理工藝中CO2的主要來源是曝氣電耗及設備能耗所導致的間接碳排放，以及有機物降解產生的直接碳排放，以A2O法為主的直接碳排放可達0.5024kgCO2/m3。由于曝氣沉砂池的主要功能是去除污水中的無機砂粒，有機物平均去除率僅占污水處理工藝的10%左右，按有機物去除率估算，CO2排放量較低。采用Ca（OH）2或NaOH等堿性物質吸收，反應方程式：2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O（CO2為少量）。含Na₂CO₃的吸收液可回流至污水處理硝化單元，用于補充硝化消耗的堿度。
對于趨零排放系統中氣體的閉路循環，需解決產生的CO₂的總量平衡問題，實現凈化前后氣體體積總量不變。因此，對原有設備進行內部改造，在保留生物洗滌和生物過濾的基礎上，對生物除臭設備的出口端進行隔斷，設置一套獨立的CO2吸收裝置。CO2吸收裝置的主體材質為玻璃鋼，噴淋管件材質為PVC，噴嘴材質為UPVC。CO2吸收裝置尺寸2000mm×3000mm×5800mm，處理風量8000m3/h，填料分兩層，每層高1.2m，填料有效停留時間6.48s，空塔流速0.37m/s，設有1臺不銹鋼316循環洗滌泵，流量為20m3/h，揚程為250kPa，功率為4.0kW。
3.5 O2平衡裝置
O2補給系統采用氧氣發生裝置，配套氧氣監測儀表及自控系統，在線監測“趨零排放”系統中循環氣體的O2濃度，當O2濃度低于進氣濃度時，及時補充并達到正常工作的O2濃度。氧氣發生裝置主體材質為304不銹鋼，供氧能力3.0kg/h，出氣壓力0.03~0.06MPa，氧氣濃度≥90%。
3.6 增設鼓風曝氣裝置
為保證整套系統的氣體動態平衡，曝氣沉砂池獨立設置1套曝氣裝置，主要包括1臺鼓風機和1組過濾裝置。
經過生物處理的氣體送回至曝氣沉砂池，其中3000m3/h的氣量以曝氣的形式送入，該部分氣體先經由過濾裝置過濾，然后通過鼓風機曝氣重新送回曝氣沉砂池。過濾材料采用過濾效率高、壓力損失低、外形尺寸較小并可拆洗和重復利用的優質產品。過濾材料的壓力損失小于0.05kPa，可以降低整個系統的能耗及噪聲。
4、“趨零排放”工藝調試及運行
4.1 “趨零排放”系統調試
①系統調試起初啟動離心風機，處理后廢氣返回曝氣沉砂池上方，降低廢氣濃度；
②停止原有鼓風機，啟動零排放系統內鼓風機，處理后廢氣以回用曝氣形式循環回用到曝氣沉砂池；
③風機運行正常，鐵氧化除H2S設備運行正常，則進入廢氣零排放階段。
調試過程中，均采用羅茨風機對曝氣沉砂池曝氣，而羅茨風機進口則通過管道接至惡臭氣體處理設備出口，氣體與污水接觸后，H2S、NH3等污染物進入氣相，經過惡臭氣體處理設施處理后，繼續被羅茨風機吸入，使系統內氣體循環使用。整個系統運行過程中，無額外氣體進入，可實現惡臭氣體的“趨零排放”。
4.2 “趨零排放”運行效果
對2021年5月19日—6月17日調試期間及6月17日至今穩定運行期間的系統進氣H2S、NH3濃度進行檢測及統計，進氣H2S、NH3分別為250~1000、13~106mg/L，平均值分別為674、37mg/L，濃度較高。經分析，雖然生活污水排入管網后發生厭氧反應難以產生較高濃度的H2S及NH3，但管網中沉積物（污泥）卻可在厭氧條件下發酵并產生較高濃度的H2S及NH3。該污水處理廠曝氣沉砂池進水中較高濃度的H2S及NH3惡臭組分可能來源于排水管網中沉積物的厭氧發酵產物，其溯源分析尚需進一步研究。
在調試過程中，鐵氧化除H2S工藝出氣H2S濃度為13~53mg/L，對應去除率為92%~95%；NH3濃度為10~35mg/L，對應去除率為40%~50%；在穩定運行期，對H2S的去除率達到99.9%以上，裝置出氣中有時甚至無法檢出；對NH3的去除率在運行穩定期無明顯變化。生物除臭單元菌種培養馴化7d后即投入使用。在運行初始階段生物除臭單元H2S的出氣濃度為0.5~1.0mg/L，在調試后期及穩定期逐步提升至99%以上，出氣濃度低于0.5mg/L；調試初始對NH3的去除率一直穩定在90%以上，調試后期及穩定期提升至98%以上，出氣濃度為0.3~1.1mg/L。
4.3 改造投資及運行成本
惡臭氣體“趨零排放”系統改造投資見表1。
調試運行期間電費計算見表2。
調試及運行期間藥劑費用計算見表3。
生物除臭及CO2吸收系統噴淋水為二沉池出水，不需自來水。填料更換周期為10年，更換一次需43000元，折算為11.9元/d。
總運行費用=電費+藥劑費+填料更換及噴淋水費用=253.44+328.2+11.9=593.54元/d。
5、結論
①對生活污水處理工藝曝氣沉砂池惡臭氣體采用鐵氧化除H2S+生物除臭組合工藝，并采用處理后氣體閉路循環的方式，可實現惡臭氣體“趨零排放”，該方案有利于進一步提升廠區及周邊空氣環境質量。
②鐵氧化除H2S系統對H2S與NH3的去除率分別穩定在92%~95%、40%~50%，生物除臭系統經過調試和掛膜后，對H2S與NH3去除效率都穩定在98%以上，但是鐵氧化除H2S系統對NH3去除能力有限，NH3主要集中在生物系統去除。
③經調試期間運行成本分析，藥劑費、電費及填料的綜合成本為593.54元/d。（來源：紹興水處理發展有限公司，紹興柯橋水務集團有限公司，東華大學環境科學與工程學院）
