于 艷,于曉丹

(1. 吉林建筑科技學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130114;2. 吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130118)

1 引言

隨著現(xiàn)代化工藝進(jìn)程的日益加快,大量的工程和企業(yè)開始逐漸向居民中心靠攏,引發(fā)了一系列的惡臭污染投訴事件,同時(shí)有關(guān)惡臭污染的相關(guān)問題也得到政府部門的高度關(guān)注[1,2]。城市污水中產(chǎn)生的惡臭不僅會(huì)對(duì)人體的神經(jīng)系統(tǒng)以及呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生產(chǎn)生嚴(yán)重的損害,同時(shí)還會(huì)引發(fā)一系列精神問題。因此,國(guó)家相關(guān)部門以及有關(guān)部門制定了一系列污水排放標(biāo)準(zhǔn)以及工作環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)等,主要用來控制城市污水中的惡臭水體對(duì)城市環(huán)境以及人體健康產(chǎn)生的負(fù)面影響。

如何有效對(duì)城市污水進(jìn)行除臭處理成為現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)話題,國(guó)內(nèi)相關(guān)專家給出了一些較好的研究成果,例如劉建偉等人[3]主要通過組合式生物工藝處理技術(shù)對(duì)污水處理廠排放出的惡臭氣體進(jìn)行處理。肖作義等人[4]主要通過生物濾池法去除城市污水的惡臭物質(zhì)。

在上述兩種方法的基礎(chǔ)上,提出一種基于臭氣空間分布特性的城市污水除臭方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明,所提方法可以有效去除城市污水中的惡臭物質(zhì)。

2 臭氣空間分布特性研究

城市污水的組成結(jié)構(gòu)是十分復(fù)雜的,不同惡臭源點(diǎn)分別是由不同的惡臭物質(zhì)組成。導(dǎo)致水體內(nèi)產(chǎn)生惡臭物質(zhì)的因素有很多種,例如季節(jié)動(dòng)態(tài)變化特征以及惡臭物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程等等。另外,惡臭物質(zhì)的產(chǎn)量會(huì)隨著季節(jié)和時(shí)間的變化而變化。

城市污水除臭方式有很多種,例如催化劑氧化以及異味氧化法等?，F(xiàn)階段,二氧化氮氧化除臭技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)得到十分廣泛地應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,通過CFD技術(shù)可以準(zhǔn)確描述臭氣的空間分布特征[5,6],通常包含以下幾個(gè)環(huán)節(jié):

1)組建數(shù)學(xué)物理模型;

2)數(shù)值算法求解;

3)結(jié)果可視化。

構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的主要目的是針對(duì)研究區(qū)域的所有流動(dòng)問題進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)學(xué)描述,以此為依據(jù)建立微分方程,同時(shí)各個(gè)方程之間存在耦合關(guān)系,非線性特征比較強(qiáng),需要借助數(shù)值方法進(jìn)行求解。

當(dāng)對(duì)模型進(jìn)行求解后,求解結(jié)果即為分布在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的不同數(shù)值,但是由于描述形式并不是十分直觀,而且現(xiàn)場(chǎng)工作人員很難進(jìn)行理解,所以需要借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行詳細(xì)描述,將求解結(jié)果采用可視化技術(shù)進(jìn)行描述[7,8],方便工作人員理解和掌握。

微分形成的流體動(dòng)力學(xué)基本方程主要包含以下幾種形式,分別為

1)連續(xù)性方程可以表示為式(1)的形式

(1)

式中,ρ代表流體的密度;t代表時(shí)間;u、v和w分別代表在x、y、z不同方向上的位置矢量。

2)動(dòng)量方程表示為式(2)的形式

(2)

式中,Su、Sv和Sw代表方程的廣義源項(xiàng);div(μgradu)、div(μgradv)和div(μgradv)分別代表不同坐標(biāo)方向下的動(dòng)能。

3)利用式(3)給出能量守恒方程的具體表達(dá)形式:

(3)

式中,k代表氣體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);ST代表氣體的粘度系數(shù)。

臭氣強(qiáng)度主要是指清潔空氣稀釋惡臭樣品直至樣品無味時(shí)所需要的稀釋倍數(shù)。

從大的角度而言,惡臭物質(zhì)主要有兩個(gè)比較大的發(fā)生源[9,10],分別為:

1)自然發(fā)生源

當(dāng)動(dòng)植物內(nèi)部包含的蛋白質(zhì)成分被稀釋之后,形成的氣體具有一定的臭味;當(dāng)火山噴發(fā)時(shí),也會(huì)形成氣味比較濃烈的硫酸味;河水或者湖水長(zhǎng)時(shí)間停留,由于雨水以及各種污染物的大量置入,也會(huì)形成比較難聞的臭味。

2)人工發(fā)生源

有生產(chǎn)污染源和生活污染源,一般生產(chǎn)污染源主要來自人類自身生產(chǎn)的過程,日化工程以及石油精煉廠等。

污水中的惡臭物質(zhì)不僅會(huì)對(duì)人類的身體健康產(chǎn)生影響,同時(shí)還會(huì)破壞城市居民的生活環(huán)境,對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的整體發(fā)展產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

根據(jù)北京環(huán)境監(jiān)測(cè)中心制定的惡臭強(qiáng)度分析方法,具體的分級(jí)情況如表1所示。

表1 北京市定制的惡臭強(qiáng)度分類方法

3 污水除臭仿真設(shè)計(jì)

3.1 方法

實(shí)驗(yàn)主要?jiǎng)澐譃閮蓚€(gè)部分進(jìn)行,其中一部分是針對(duì)J城市污水處理廠進(jìn)行監(jiān)測(cè);另外對(duì)污泥脫水機(jī)房的污水水平進(jìn)行監(jiān)測(cè)[11,12],兩地均采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),詳細(xì)的監(jiān)測(cè)步驟如下所示:

1)對(duì)J城市污水處理廠的污染物濃度水平進(jìn)行監(jiān)測(cè),主要包含的惡臭污染物質(zhì)為硫化氫以及甲硫醇等,同時(shí)還需要記錄不同惡臭物質(zhì)的變化規(guī)律。

2)對(duì)污泥脫水機(jī)房的污染濃度水平進(jìn)行監(jiān)測(cè),主要監(jiān)測(cè)的污染物為硫化氫以及甲硫醇等,將各個(gè)惡臭物質(zhì)的變化情況進(jìn)行詳細(xì)記錄。

3)通過以上兩個(gè)區(qū)域的連續(xù)監(jiān)測(cè),能夠獲取分別獲取各個(gè)區(qū)域的污水污染物濃度變化情況以及變化規(guī)律。

4)根據(jù)污水中惡臭物體近六個(gè)月的變化規(guī)律,考慮有可能的影響因素,對(duì)惡臭物體的污染強(qiáng)度進(jìn)行估算[13,14]。

5)每次監(jiān)測(cè)需要記錄當(dāng)時(shí)的溫度以及氣候變換等相關(guān)參數(shù),同時(shí)在監(jiān)測(cè)前期還需要詳細(xì)說明污水處理廠的使用情況。

①監(jiān)測(cè)時(shí)間

監(jiān)測(cè)時(shí)間為每天的早上8:00～9:30。

②監(jiān)測(cè)地點(diǎn)

城市污水處理廠需要根據(jù)水量進(jìn)行調(diào)節(jié)[15,16],在滿負(fù)荷狀態(tài)下,污水處理廠內(nèi)的全部污泥濃縮機(jī)同時(shí)進(jìn)行工作;在非滿負(fù)荷條件下,需要根據(jù)水量的不同對(duì)污泥濃縮機(jī)的數(shù)量進(jìn)行調(diào)整。

③監(jiān)測(cè)頻率

在2020年的2月、4月、6月以及8月進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),即每隔一天測(cè)量一次。

④監(jiān)測(cè)儀器

利用表2給出監(jiān)測(cè)儀器的型號(hào)以及相量程、精度的相關(guān)信息:

表2 實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)儀器

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過以上實(shí)驗(yàn)方法,分別對(duì)污水處理廠中的主要污染物進(jìn)行為期四個(gè)月的檢測(cè),具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示:

1)利用表3～表5給出硫化氫、氨以及甲硫醇隨著溫度的變化曲線．

表3 硫化氫濃度和溫度之間的關(guān)系

表4 氨濃度和溫度之間的關(guān)系

表5 甲硫醇和溫度之間的關(guān)系

分析表3～表5中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在污水中的硫化氫濃度最高。另外,隨著溫度的不斷增加,各種污染物質(zhì)也有直線上升的趨勢(shì)。當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí),污染物的生成趨勢(shì)會(huì)逐漸變緩慢。

2)通過上述實(shí)驗(yàn)方法,分別對(duì)污泥脫水機(jī)房的主要污染物進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖6～圖8所示．

分析表6～8中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,硫化氫的濃度最高。而且隨著溫度的不斷上升,各種污染物的濃度也會(huì)隨之上升。尤其是在夏季穩(wěn)定比較明顯時(shí),污染物的上升趨勢(shì)更加明顯。

表6 硫化氫濃度和溫度之間的關(guān)系

表7 氨濃度和溫度之間的關(guān)系

表8 甲硫醇和溫度之間的關(guān)系

在J城市的污水處理廠以及污泥脫水機(jī)房中,各種污染物的濃度會(huì)隨著溫度的增加而增加,當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí),硫化氫的上升趨勢(shì)也開始變得緩慢,而氨和甲硫醇的濃度依舊呈直線上升趨勢(shì)。

在溫度比較低的環(huán)境下,污泥脫水機(jī)房的污染物濃度明顯高于J城市的污水處理廠,主要是因?yàn)槲勰嗝撍畽C(jī)房的封閉效果更加好,而且室內(nèi)配有暖氣,使污染物的濃度維持在較高的狀態(tài)。

通過上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果經(jīng)過定性分析可知,污染物的濃度會(huì)隨著溫度的增加而上升,但是僅僅從氣體溫度的變化規(guī)律很難通過定量分析得到污水中污染物的源強(qiáng),其中影響源強(qiáng)的因素有很多種,具體如下所示:

①J城市為北方內(nèi)陸城市,冬季降水以及居民用水都得到明顯降低,同時(shí)導(dǎo)致污水處理廠的水量下降,進(jìn)而活性污泥處理量也會(huì)隨之減少。

②污泥脫水機(jī)房?jī)?nèi)主要形成污泥厭氧發(fā)酵反應(yīng),其中污泥厭氧發(fā)酵進(jìn)程會(huì)十分容易受到水溫的影響。

全面考慮上述影響因素,對(duì)污泥脫水機(jī)房中氣溫和水溫進(jìn)行監(jiān)測(cè),具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 污泥脫水機(jī)房中水溫和溫度之間的關(guān)系分析

通過計(jì)算,可以獲取不同區(qū)域的污泥對(duì)于不同污染物的單位負(fù)荷和水溫之間的關(guān)系曲線,進(jìn)而得到污染物濃度的估算方式。

3)污泥脫水機(jī)房

利用圖2給出污泥脫水機(jī)房中不同污染物濃度回歸曲線。

圖2 污泥脫水機(jī)房水溫和單位污染物的負(fù)荷變化情況

在圖3的基礎(chǔ)上,可以獲取不同污染物的負(fù)荷估算結(jié)果,具體如表9所示:

表9 不同污染物負(fù)荷估算結(jié)果

在確定城市污水的濃度變化情況后,需要對(duì)完整的生物濾池系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步完善,有效達(dá)到城市污水去除的目的。其中,污水惡臭物質(zhì)的去除率是一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)。以下給出詳細(xì)的操作過程:

1)濾料:

池內(nèi)的濾料主要選取礦石作為基礎(chǔ)的無機(jī)濾料,將濾料的尺寸設(shè)定在5到12mm之間。將天然礦石作為原料,由于礦石具有多孔結(jié)構(gòu),同時(shí)添加了一些無機(jī)鹽作為微生物活動(dòng)所需要的養(yǎng)分。

2)菌種:

實(shí)驗(yàn)使用的菌種主要來源于污水處理廠的二沉池活性污泥,通過微生物馴化方法可以篩選出用于生物濾波進(jìn)行臭氣處理的菌種。進(jìn)行馴化的主要目的是促使目標(biāo)菌群在濾料上快速生長(zhǎng),有效排除其它不利因素。其中,馴化的主要操作步驟如下所示:

①在前72小時(shí)內(nèi)分別向活性污泥中添加一定劑量的Na2S溶液,同時(shí)將配好的溶液均勻噴淋在濾料的表面,引入臭氣進(jìn)行馴化處理。

②在后96小時(shí)內(nèi)使用市政供水噴淋在濾料的表面,確保濾料的濕度,同時(shí)引入臭氣進(jìn)行馴化處理。

3)監(jiān)測(cè)方法:

根據(jù)改變?yōu)V池的溫度,監(jiān)測(cè)三種不同污染物在不同污染物下的去除效率,同時(shí)獲取不同污染物的去除率變化情況。

在2020年內(nèi)對(duì)J城市污水處理廠進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),當(dāng)工程運(yùn)行之后,需要對(duì)濾床的溫度進(jìn)行設(shè)定,后續(xù)連續(xù)測(cè)量一周并記錄。實(shí)驗(yàn)過程中,還需要考慮不同干擾因素,其中相關(guān)影響參數(shù)的監(jiān)測(cè)范圍如表10所示。

表10 相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)范圍

在上述基礎(chǔ)上,分析溫度對(duì)濾池去除污水中污染物效果的影響,具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表11～表13所示。

表11 硫化氫去除率和溫度之間的關(guān)系分析

表12 氨去除率和溫度之間的關(guān)系分析

表13 甲硫醇去除率和溫度之間的關(guān)系分析

分析表11～13中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,當(dāng)濾除溫度持續(xù)增加,各種污染物的去除率也呈直線上升趨勢(shì)。其中,硫化氫和氨的去除率都在90%以上,但是甲硫醇的去除率相對(duì)更低一些。由此可見,采用所提方法可以有效去除污水中的污染物,獲取更加理想的污水除臭效果。

4 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的一系列問題,設(shè)計(jì)并提出一種基于臭氣空間分布特性的城市污水除臭方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明,所提方法可以獲取理想的城市污水除臭結(jié)果,為后續(xù)關(guān)于污水除臭方面的研究提供一定的理論研究。