城市污水处理厂主要发挥削减水污染物、保护水环境质量的功能，其主要处理构筑物包括一级处理（格栅、沉砂池、初沉池等）、二级处理（生物处理、二沉池等）及污泥处理处置单元。各处理单元构筑物在削减水污染物的同时，由于厌氧生化反应、好氧曝气、污泥发酵等过程，不可避免会产生氨气（NH3）、硫化氢（H2S）、甲硫醇等恶臭污染物，并逸散至空气中，刺激人的感官并对人体健康造成一定危害。
控制污水处理单元构筑物逸散的恶臭污染物的方法主要有物理吸附法、化学吸收法、化学氧化法、生物除臭法等。在工程实践中，首先需对恶臭气体进行集中收集，然后通过各类方法的组合使气体中恶臭组分得以去除，达到恶臭污染物排放标准后排放。城镇污水处理厂的恶臭组分包括硫化氢、氨气等，污水处理厂的进水格栅间、曝气沉砂池、初沉池等上游构筑物的氨气和硫化氢含量相对较高，而下游构筑物中相对较少，故恶臭气体收集与处理的重点应置于上游构筑物。目前城镇污水处理厂恶臭治理均采用处理后达标排放的模式，在恶臭削减方面获得较好效果；但由于恶臭气体处理后依然存在排放问题，难以完全消除恶臭排放对厂区及周边环境的影响。
为进一步削减污水处理单元构筑物恶臭气体的排放量，以绍兴污水处理发展有限公司的曝气沉砂池为研究对象，在原有除臭工艺的基础上，提出恶臭气体封闭循环处理的“趋零排放”工艺方案，并对除臭工艺进行增强改造，以进一步降低恶臭气体及组分排放。该思路对于其他处理单元构筑物及同类污水处理厂亦有较大推广应用价值。
1、工程背景
绍兴水处理发展有限公司的生活污水处理量为30×104m3/d，采用曝气沉砂、A2O、中间沉淀、AO、二次沉淀、气浮、纤维转盘过滤组合工艺，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）的一级A排放标准。
该污水处理厂曝气沉砂池长23m，单格宽3.5m，有效水深2.92m，水平流速0.85m/s，停留时间4min，曝气量3800m3/h。该单元是污水处理厂恶臭的主要来源。经过原有常规生物洗涤、过滤除臭系统处理后，依然存在恶臭气体外排问题。为提升厂区和周围大气环境质量，消除生活污水处理工艺散发恶臭的问题，基于恶臭气体循环处理的“趋零排放”思路，将现有常规生物洗涤、过滤组合除臭系统改造成“趋零排放”除臭系统。在获得相应改造及运行经验的基础上，未来可进一步将其余涉及恶臭气体排放单元逐步实现“趋零排放”模式改造升级，在不大幅增加工程投资的基础上，改善厂区及周边区域大气环境质量。
2、“趋零排放”改造思路的提出
2.1 原有恶臭气体处理工艺
该污水处理厂现有多套生物除臭装置，其中位于生活污水处理系统的曝气沉砂池除臭系统采用生物除臭工艺，工艺流程如图1所示。
曝气沉砂池产生的恶臭气体经收集后由主管输送至生物洗涤过滤除臭系统上部的进气口，通过雾化喷嘴将水充分雾化后与气流混合，迅速使待处理的气体湿度达到饱和状态，在气体由下而上运动时，气体中的异味分子穿过填料层，与填料表面形成的生物膜充分接触并氧化、分解，从而达到除臭目的。由于恶臭气体经现有除臭工艺处理后仍需外排，难以彻底消除恶臭气体排放对厂区及周边环境的影响，因此，需对曝气沉砂池的除臭系统工艺进行改进。
2.2 改造工艺思路
为实现曝气沉砂池恶臭气体“趋零排放”，将曝气沉砂池排放的恶臭气体经喷淋、生物洗涤、生物过滤组合工艺处理后，再循环至曝气沉砂池，与曝气沉砂池排放的恶臭气体混合后再进一步经除臭工艺处理。恶臭气体经闭路循环处理后，使系统内H2S、氨气不发生积累并可实现持续循环，大幅降低了外排气体总量，最终实现“趋零排放”。改造工艺方案见图2。
根据现场实际情况，将曝气沉砂池除臭系统升级改造为“趋零排放”系统，主要工程内容包括：循环抽风系统（利旧）、提高池体密闭性能、增设送风回路系统、增设铁氧化H2S喷淋吸收装置、生物除臭主体设备（更换填料）、气体平衡装置（氧气补给和二氧化碳吸收系统）等。
该系统的核心在于：
①铁氧化H2S喷淋吸收装置与生物洗涤、过滤组合强化除臭。为强化循环恶臭气体的处理及实现“趋零排放”，在原系统中生物洗涤、生物过滤组合工艺之前，增加了铁氧化H2S喷淋装置，对H2S、NH3的去除率较高，在闭环系统中不发生积累。
②系统内O2平衡。由于曝气沉砂池进水中有机物的存在，随着运行时间增加，闭环系统中会发生有机物氧化而使O2含量降低，不仅影响曝气沉砂池的预曝气作用，而且对生物滤池的除臭效果也会产生影响。因此，依据O2浓度增设了O2补充平衡装置。
③CO2吸收装置。由于曝气沉砂池进水中有机物的存在，闭环系统内的O2会将有机物氧化为CO2，从而造成CO2在系统内的积累。为解决“趋零排放”系统中CO2的积累问题，采用CO2吸收填料塔，以NaOH为吸收剂将系统中产生的CO2去除。
“趋零排放”系统正常运行应满足如下3个条件：a.回用气体以系统进、出气流量相等为前提；b.排气条件满足循环使用要求；c.排气不影响系统内各部件寿命。系统内部非金属材质均为玻璃钢，系统中仅有鼓风机对气体成分较敏感。鼓风机为304材质，根据API571规范，304材质基本不受H2S腐蚀影响，因此只需保证系统进出气流量吻合即可满足循环使用条件。另外，只需通过处理设施保证进入的H2S和NH3被大部分去除，即可满足系统趋零排放及气体循环回用条件。
3、“趋零排放”工艺方案及设计
3.1 池体密闭性能改进
改造原有曝气沉砂池密封系统，严密封闭盖板和池面的接触缝隙，使其形成封闭空间，确保整个覆盖密封系统的密闭性，使恶臭气体不外逸。同时，对密闭空间里产生的臭气进行统一收集，通过风机抽吸，将臭气吸入输送管道，经管道输送至除臭系统集中处理。改造后的密封系统使用盖板进行加盖，同时达到臭气封闭不泄漏、景观性强的视觉效果。
3.2 增设送风回路系统
3.2.1 设计说明
整套除臭系统处理风量为8000m3/h，其中鼓风机曝气风量为3000m3/h，空间置换为5000m3/h。通过生物除臭系统处理的气体经过气体平衡装置、送风回路系统，共分成两路，重新送入曝气沉砂池，其中一路（风量5000m3/h）通过管道直接送回曝气沉砂池，另一路经由过滤装置后以鼓风曝气形式送入曝气沉砂池，曝气沉砂池气体运行路径形成闭合循环系统，达到“趋零排放”目的。
3.2.2 管道设计
除臭风管选用流体阻力小、机械强度高、耐腐蚀、抗老化性能优越的玻璃钢。除臭风管风量及管径分布参照《简明通风设计手册》，支管设计流速宜为4~6m/s，次主管设计流速宜为6~8m/s，主管设计流速宜为8~12m/s。除臭风管的壁厚与风管口径设计要求：当管径<DN200时，壁厚≥3.0mm；当管径为DN200~DN400时，壁厚≥4.0mm；当管径为DN400~DN630时，壁厚≥5.0mm；当管径为DN630~DN1000时，壁厚≥6.0mm。
3.3 新增铁氧化除H2S喷淋吸收装置
铁氧化除H2S喷淋吸收装置如图3所示。
含H2S气体扩散至液相中，HS被Fe3+氧化，生成单质硫，脱硫液中的还原态Fe2+在被空气氧化后，循环至吸收段重复利用；整个反应过程金属离子基本不消耗，H2S最终转化为单质硫从体系中分离出去。
反应原理及过程如下：
气相至液相：
H2S氧化过程：
Fe2+氧化再生：
铁氧化除H2S反应液经沉淀、脱水后形成含单质硫的污泥，与污水处理产生的污泥一并外运处置。由于铁氧化除H2S反应液含单质硫，可考虑将其回流至脱氮单元用于自养反硝化脱氮电子供体。
铁氧化除H2S装置尺寸为Ø1.8m×6.0m，处理风量为8000m3/h，填料高度为1.2m，2层，填料有效停留时间为2.75s，空塔流速为0.87m/s，装置主体材质为玻璃钢，喷淋管件材质为UPVC，喷嘴材质为PVC。
3.4 CO2吸收装置
污水处理工艺中CO2的主要来源是曝气电耗及设备能耗所导致的间接碳排放，以及有机物降解产生的直接碳排放，以A2O法为主的直接碳排放可达0.5024kgCO2/m3。由于曝气沉砂池的主要功能是去除污水中的无机砂粒，有机物平均去除率仅占污水处理工艺的10%左右，按有机物去除率估算，CO2排放量较低。采用Ca（OH）2或NaOH等碱性物质吸收，反应方程式：2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O（CO2为少量）。含Na₂CO₃的吸收液可回流至污水处理硝化单元，用于补充硝化消耗的碱度。
对于趋零排放系统中气体的闭路循环，需解决产生的CO₂的总量平衡问题，实现净化前后气体体积总量不变。因此，对原有设备进行内部改造，在保留生物洗涤和生物过滤的基础上，对生物除臭设备的出口端进行隔断，设置一套独立的CO2吸收装置。CO2吸收装置的主体材质为玻璃钢，喷淋管件材质为PVC，喷嘴材质为UPVC。CO2吸收装置尺寸2000mm×3000mm×5800mm，处理风量8000m3/h，填料分两层，每层高1.2m，填料有效停留时间6.48s，空塔流速0.37m/s，设有1台不锈钢316循环洗涤泵，流量为20m3/h，扬程为250kPa，功率为4.0kW。
3.5 O2平衡装置
O2补给系统采用氧气发生装置，配套氧气监测仪表及自控系统，在线监测“趋零排放”系统中循环气体的O2浓度，当O2浓度低于进气浓度时，及时补充并达到正常工作的O2浓度。氧气发生装置主体材质为304不锈钢，供氧能力3.0kg/h，出气压力0.03~0.06MPa，氧气浓度≥90%。
3.6 增设鼓风曝气装置
为保证整套系统的气体动态平衡，曝气沉砂池独立设置1套曝气装置，主要包括1台鼓风机和1组过滤装置。
经过生物处理的气体送回至曝气沉砂池，其中3000m3/h的气量以曝气的形式送入，该部分气体先经由过滤装置过滤，然后通过鼓风机曝气重新送回曝气沉砂池。过滤材料采用过滤效率高、压力损失低、外形尺寸较小并可拆洗和重复利用的优质产品。过滤材料的压力损失小于0.05kPa，可以降低整个系统的能耗及噪声。
4、“趋零排放”工艺调试及运行
4.1 “趋零排放”系统调试
①系统调试起初启动离心风机，处理后废气返回曝气沉砂池上方，降低废气浓度；
②停止原有鼓风机，启动零排放系统内鼓风机，处理后废气以回用曝气形式循环回用到曝气沉砂池；
③风机运行正常，铁氧化除H2S设备运行正常，则进入废气零排放阶段。
调试过程中，均采用罗茨风机对曝气沉砂池曝气，而罗茨风机进口则通过管道接至恶臭气体处理设备出口，气体与污水接触后，H2S、NH3等污染物进入气相，经过恶臭气体处理设施处理后，继续被罗茨风机吸入，使系统内气体循环使用。整个系统运行过程中，无额外气体进入，可实现恶臭气体的“趋零排放”。
4.2 “趋零排放”运行效果
对2021年5月19日—6月17日调试期间及6月17日至今稳定运行期间的系统进气H2S、NH3浓度进行检测及统计，进气H2S、NH3分别为250~1000、13~106mg/L，平均值分别为674、37mg/L，浓度较高。经分析，虽然生活污水排入管网后发生厌氧反应难以产生较高浓度的H2S及NH3，但管网中沉积物（污泥）却可在厌氧条件下发酵并产生较高浓度的H2S及NH3。该污水处理厂曝气沉砂池进水中较高浓度的H2S及NH3恶臭组分可能来源于排水管网中沉积物的厌氧发酵产物，其溯源分析尚需进一步研究。
在调试过程中，铁氧化除H2S工艺出气H2S浓度为13~53mg/L，对应去除率为92%~95%；NH3浓度为10~35mg/L，对应去除率为40%~50%；在稳定运行期，对H2S的去除率达到99.9%以上，装置出气中有时甚至无法检出；对NH3的去除率在运行稳定期无明显变化。生物除臭单元菌种培养驯化7d后即投入使用。在运行初始阶段生物除臭单元H2S的出气浓度为0.5~1.0mg/L，在调试后期及稳定期逐步提升至99%以上，出气浓度低于0.5mg/L；调试初始对NH3的去除率一直稳定在90%以上，调试后期及稳定期提升至98%以上，出气浓度为0.3~1.1mg/L。
4.3 改造投资及运行成本
恶臭气体“趋零排放”系统改造投资见表1。
调试运行期间电费计算见表2。
调试及运行期间药剂费用计算见表3。
生物除臭及CO2吸收系统喷淋水为二沉池出水，不需自来水。填料更换周期为10年，更换一次需43000元，折算为11.9元/d。
总运行费用=电费+药剂费+填料更换及喷淋水费用=253.44+328.2+11.9=593.54元/d。
5、结论
①对生活污水处理工艺曝气沉砂池恶臭气体采用铁氧化除H2S+生物除臭组合工艺，并采用处理后气体闭路循环的方式，可实现恶臭气体“趋零排放”，该方案有利于进一步提升厂区及周边空气环境质量。
②铁氧化除H2S系统对H2S与NH3的去除率分别稳定在92%~95%、40%~50%，生物除臭系统经过调试和挂膜后，对H2S与NH3去除效率都稳定在98%以上，但是铁氧化除H2S系统对NH3去除能力有限，NH3主要集中在生物系统去除。
③经调试期间运行成本分析，药剂费、电费及填料的综合成本为593.54元/d。（来源：绍兴水处理发展有限公司，绍兴柯桥水务集团有限公司，东华大学环境科学与工程学院）
