申请日2018.10.17
公开(公告)日2019.02.01
IPC分类号B01D53/84; B01D53/72; B01D53/52; C02F9/14
摘要
本发明涉及一种城市污水处理厂恶臭气体特征识别与除臭技术，包括步骤：1)开发气相色谱耦合工具法，并利用嗅觉测量技术完成臭气排放的成分比较评估;2)臭气混合气体前处理，即基于热中和法的恶臭气体工艺装置设计与臭气排放物物理生物前处理，将各个污水处理设备排放的恶臭气体处理过程进行分类设计，工艺装置设计包括机械处理线和生物处理线;3)进行生物滴滤‑生物过滤组合工艺，从而深度处理混合臭气的主要化学成分。本发明的有益效果是：本发明基于气相色谱耦合法和嗅觉测量技术确定污水处理厂各个阶段排放到空气中的恶臭气体特征群;对采用机械、生物和化学方法进行污水处理，从剩余污泥中回收沼气的污水处理厂模型进行臭气排放评估。
权利要求书
1.一种城市污水处理厂恶臭气体特征识别与除臭技术，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：开发气相色谱耦合工具法，并利用嗅觉测量技术完成臭气排放的成分比较评估;
步骤1-1：根据气体组分在固相上的热力学性质，将臭气混合物在色谱柱中进行分离，建立分离度公式为：
式中，Y1和Y2为色谱峰宽，tx为保留时间，满足公式其中，α为加大容量因子，k为增大选择性参数，H为波峰半高对应的色谱宽度，x0为色谱波形起始横坐标值，u为完整波峰对应的色谱宽度;
步骤1-2：混合臭气分离之后，将流出柱的测试样品分成两路气体流;第一路被引导到构成气相色谱耦合系统GC的检测器;另一路气体流被引导到嗅觉检测器，即人鼻;
步骤1-3：嗅觉检测器分析方法：嗅觉检测人员分组进行臭气成分鉴别，最终结果取平均值;
步骤1-4：气相色谱耦合分析法：设测量混合气体试样中的成分a，气体质量为ma，质量权值为ωa，在试样中加入质量为m的内标物，则分析公式如下：
式中，M为试样气体与内标物的质量总和，Xa和X分别表示试样气体和内标物的气相色谱波峰面积，fa和f分别表示试样气体和内标物的基准系数值，取内标物为基准，则f=1，计算试样气体质量权值为：
步骤1-5：由上述求得的试样气体权值，得出气体浓度值;
步骤1-6：通过气相色谱耦合法分析和嗅觉检测同时获得可靠的结果，并进行比较，鉴定污水处理厂恶臭气体样品中的化学成分;
步骤2：臭气混合气体前处理，即基于热中和法的恶臭气体工艺装置设计与臭气排放物物理生物前处理;将各个污水处理设备排放的恶臭气体处理过程进行分类设计，工艺装置设计包括机械处理线和生物处理线;
步骤2-1：城市污水处理厂机械处理线设计;机械处理线位于生物处理线之前，污水中的固体废物和精细矿物成分，如沙子，保留在筛子、格栅和砂分离器上;机械处理线包括污泥脱气站(1)、筛选处理站(2)、脱水站(3)、污泥存储箱(4)、冷却塔(5)、格栅(6)和污泥流体分离器(7)，将污水中的污泥进行筛选、脱水、脱气和存储;
步骤2-2：污水经过格栅处理后进入沉淀池，去除漂浮在污水表面的有机成分，即浮渣;接着，将沉淀的有机污泥移到收集漏斗中，并与收集的浮渣一起输送到废物处理线;
步骤2-3：城市污水处理厂生物处理线设计;去除固体成分后，污水到达生物处理线，即生物反应器或活性污泥室;微生物作用下，通过将污水中所含的有机化合物氧化或还原成对应的有机或无机衍生物;生物处理线包括沼气池(8)、封闭发酵池(9)、生物过滤器(10)、厌氧生物反应器(11)、二级反应沉降池(12)和生物滴滤器(20)，将污水中的生物成分进行过滤、分离、沉降和反应;
步骤2-4：在活性污泥室中加入各种化合物;生物反应器处理后的污水与生物污泥共同转移到二级沉降池中，活性污泥与液体分离;机械处理线和生物处理线处理后的过剩污泥和生物成分进入循环处理过程，直至达到臭气排放标准;
步骤3：污水处理厂排放物经过机械处理线和生物处理线之后，臭气排放物中化合物含量包括硫化氢、二甲基二硫醚、乙醇和甲硫醚;进行生物滴滤-生物过滤组合工艺，深度处理混合臭气的主要化学成分;
生物滴滤-生物过滤组合工艺装置包括气体存储罐(13)、气体交换器(14)、生物过滤器(10)、氧气加热炉(15)、生物滴滤反应器(16)、生物过滤反应器(17)、气体冷却系统(18)和气体回收系统(19);恶臭气体经过气体交换器(14)分别进入生物过滤器(10)、生物滴滤-生物过滤组合反应器，两路处理同时进行，并将处理后气体回收;生物滴滤反应器(16)以臭气中的有机成分为唯一有机碳源，以循环液为无机源，含硫恶臭气体中污染物分子进入液相并扩散入附着于填料上的生物膜，被生物膜上的微生物所降解;生物过滤反应器(17)气体中的有机成分在气液浓度差的作用下，从气相转变至液相，或气体中的VOCs组分直接与微生物接触，进而被微生物膜吸收并矿化为CO2和H2O。
2.根据权利要求1所述的城市污水处理厂恶臭气体特征识别与除臭技术，其特征在于：所述步骤3还包括以下步骤：
步骤3-1：搭建实验室用生物滴滤器和生物过滤器，设计四路配气管路处理四种臭气成分：硫化氢、二甲基二硫醚、乙醇和甲硫醚，模拟混合气体进入生物反应器装置;
步骤3-2：组合工艺处理二甲基二硫醚;
步骤3-2-1：二甲基二硫醚处理过程启动：选择接种菌株为GIGAN2和活性污泥;确定接种方法，在体积为5L-10L的培养池中添加6L-8L无机盐营养液，添加葡萄糖为降解底物，往培养池中添加10mL-20mLGIGAN2培养液和15倍比例的活性污泥，搅匀培养直至培养液呈浑浊状态;
步骤3-2-2：二甲基二硫醚浓度控制在1.0mg/L-2.0mg/L，在驯化观察期间，记录管道进出口二甲基二硫醚浓度值;
步骤3-3：组合工艺处理硫化氢、甲硫醚和乙硫醇混合气体;混合气体流量为30L/h-50L/h的固定值，气体浓度为2mg/L-3mg/L的固定值，甲硫醚和乙硫醇进口浓度小于2mg/L;改变硫化氢入口浓度从0.5mg/L至2.0mg/L;
步骤3-4：定义污染物去除率RE计算公式为：
定义容积去除负荷EC计算公式为：
式中，C0为进口污染物浓度mg/L，Ce为出口污染物浓度mg/L，V为填料体积L，Q为气体流量L/h，IL为进口气体总体积;
步骤3-5：生物滴滤和生物过滤组合工艺中填料微生物的多样性设计;整个设计过程包括：PCR扩增，DNA提取，切胶回收，梯度凝胶电泳、银染和切胶测序;
步骤3-5-1：PCR扩增：利用PCR技术扩增细菌区域，初始温度设置为90℃-100℃，保持1min;退火温度60℃-70℃，保持1min;延升温度70℃，保持1min，每过一个循环退火温度下降一个等级;
步骤3-5-2：DNA提取：从生物滴滤器取出一定体积填料样品，放置于10倍体积的锥形无菌PBS缓冲液中，经过震荡，取液和离心步骤，取出细菌沉淀，提取DNA样品;
步骤3-5-3：梯度凝胶电泳与银染。
说明书
一种城市污水处理厂恶臭气体特征识别与除臭技术
技术领域
本发明涉及一种城市污水处理厂恶臭气体的特征分析与特殊气体除臭技术，更具体地说，它涉及一种污水处理工艺各阶段排放的臭气特征识别，以及基于现场嗅觉测量技术和生物滴滤-生物过滤组合工艺的恶臭气体处理方法。
背景技术
城市污水处理厂排放的恶臭气体属于一类污染物，是影响大气质量的主要原因。目前，通过有效地的除臭技术限制恶臭气体排放的方法没有引起企业和科学家的重视。臭气浓度作为人群感官性指标，在大气污染标准控制项目中占有比较重要的地位，因此需要进一步强化对于除臭设备排放口臭气浓度的限制。恶臭气体对于人的感觉量(臭气强度)与恶臭物质对人的嗅觉刺激量(臭气浓度，C)的对数成正比，它们之间的关系符合韦伯—费希纳公式，如公式(1)。当臭气浓度增加两倍，给人的感觉量并不会增加两倍;反之，即使臭气浓度减少97%，人的嗅觉感也只减少50%。
城市污水处理厂的处理过程和恶臭气体排放方式，可以分为两条基本工艺路线：(1)污水处理线;(2)污泥处理和管理线称为污泥生产线。恶臭气体主要产生于进水位置和污泥处理部分，即进水格栅、曝气沉砂池、污泥浓缩池和最终储泥池等单元。目前处理方法主要为生物处理法，辅以化学法、氧化法和吸附法，形成整体解决方案，其系统技术路线如表1所示。
表1城市污水处理厂除臭处理系统技术路线
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种城市污水处理厂恶臭气体特征识别与除臭技术。
这种城市污水处理厂恶臭气体特征识别与除臭技术，包括以下步骤：
步骤1：基于色谱法，开发气相色谱耦合工具法，并利用嗅觉测量技术完成臭气排放的成分比较评估。
步骤1-1：根据气体组分在固相上的热力学性质，将臭气混合物在色谱柱中进行分离。建立分离度公式为：
步骤1-2：混合臭气分离之后，将流出柱的测试样品分成两路气体流。第一路被引导到构成气相色谱耦合系统(Gas Chromatography,GC)的检测器;另一路气体流被引导到嗅觉检测器(嗅觉端口)，即人鼻。
步骤1-3：嗅觉检测器分析方法。选择3组嗅觉检测人员，每组10人，进行臭气成分鉴别，最终结果取平均值。
步骤1-4：气相色谱耦合分析法。假设测量混合气体试样中的成分a，气体质量为ma，质量权值为ωa，在试样中加入质量为m的内标物，则分析公式如下：
式中，M为试样气体与内标物的质量总和，Xa和X分别表示试样气体和内标物的气相色谱波峰面积，fa和f分别表示试样气体和内标物的基准系数值，取内标物为基准，则f=1，计算试样气体质量权值为：
步骤1-5：根据上述求得的试样气体权值，比对确定试样气体类型，同时得出气体浓度值。测试过程中，要求在GC信号和嗅觉检测器端口的气体流之间保持小且恒定的时间延迟，流动路径保持低吸收，特别针对流向嗅探端口的气体流。
步骤1-6：通过气相色谱耦合法分析和嗅觉检测同时获得可靠的结果，并进行比较，鉴定污水处理厂恶臭气体样品中的化学成分。
步骤2：臭气混合气体前处理，即基于热中和法的恶臭气体工艺装置设计与臭气排放物物理生物前处理。该方法将各个污水处理设备排放的恶臭气体处理过程进行分类设计，工艺装置设计包括机械处理线和生物处理线。
步骤2-1：城市污水处理厂机械处理线设计。机械处理线通常位于生物处理线之前，污水中的固体废物和精细矿物成分，如沙子，应保留在筛子、格栅和砂分离器上，以防止对处理线其他部分的配件造成损坏。机械处理线包括污泥脱气站、筛选处理站、脱水站、污泥存储箱、冷却塔、格栅、污泥流体分离器，将污水中的污泥进行筛选、脱水、脱气和存储。
步骤2-2：污水经过栅格处理后进入沉淀池，沉淀池的任务包括去除漂浮在污水表面的有机成分(浮渣)，这些有机物质容易沉降。接着，将沉淀的有机污泥移到收集漏斗中，并与收集的浮渣一起输送到废物处理线。
步骤2-3：城市污水处理厂生物处理线设计。去除固体成分后，污水到达生物处理线(生物反应器)，通常被称为活性污泥室。微生物作用下，通过将污水中所含的有机化合物氧化或还原成对应的有机或无机衍生物，称为代谢过程。生物处理线包括沼气池、封闭发酵池、生物过滤器、厌氧生物反应器、二级反应沉降池、生物滴滤器，将污水中的生物成分进行过滤、分离、沉降和反应。
步骤2-4：在活性污泥室中加入各种化合物，以保持处理过程的适当条件和参数。生物反应器处理后的污水与生物污泥共同转移到二级沉降池中，活性污泥与液体分离。在二级沉降池中，与初始沉降池相比，由于污泥的高度氧化作用，有机气味的排放含量降低。机械处理线和生物处理线处理后的过剩污泥和生物成分进入循环处理过程，直至达到臭气排放标准。
步骤3：污水处理厂排放物经过机械处理线和生物处理线之后，臭气排放物中化合物含量降低，从原来的17种化学成分降低到8种左右，主要成分为硫化氢、二甲基二硫醚、乙醇和甲硫醚。进行生物滴滤-生物过滤组合工艺，从而深度处理混合臭气的主要化学成分。
生物滴滤-生物过滤组合工艺装置包括气体存储罐、气体交换器、生物过滤器、氧气加热炉、生物滴滤反应器、生物过滤反应器、气体冷却系统和气体回收系统。恶臭气体经过气体交换器分别进入生物过滤器、生物滴滤-生物过滤组合反应器，两路处理同时进行，并将处理后气体回收。生物滴滤反应器以臭气中的有机成分为唯一有机碳源，以循环液为无机源，含硫恶臭气体中污染物分子进入液相并扩散入附着于填料上的生物膜，被生物膜上的微生物所降解。生物过滤反应器气体中的有机成分在气液浓度差的作用下，从气相转变至液相，或气体中的VOCs组分直接与微生物接触，进而被微生物膜吸收并矿化为CO2和H2O。
作为优选：所述步骤3还包括以下步骤：
步骤3-1：搭建实验室用小型生物滴滤器和生物过滤器，满足生物滴滤和生物过滤串联组合工艺。设计四路配气管路处理四种主要臭气成分：硫化氢、二甲基二硫醚、乙醇和甲硫醚，模拟混合气体进入生物反应器装置。
步骤3-2：组合工艺处理二甲基二硫醚。
步骤3-2-1：二甲基二硫醚处理过程启动：选择接种菌株为GIGAN2和活性污泥;确定接种方法，在体积为5L-10L的培养池中添加6L-8L无机盐营养液，添加葡萄糖为降解底物，往培养池中添加10mL-20mLGIGAN2培养液和15倍比例的活性污泥，搅匀培养直至培养液呈浑浊状态。
步骤3-2-2：二甲基二硫醚浓度控制在1.0mg/L-2.0mg/L，在驯化观察期间，每两天记录管道进出口二甲基二硫醚浓度值。
步骤3-3：组合工艺处理硫化氢、甲硫醚和乙硫醇混合气体。混合气体流量为30L/h-50L/h的固定值，气体浓度为2mg/L-3mg/L的固定值，甲硫醚和乙硫醇进口浓度小于2mg/L。组合工艺去除混合气体的关键为，改变硫化氢入口浓度从0.5mg/L至2.0mg/L，生物过滤器对4种成分气体去除率增大，生物滴滤器可完全去除混合气体中的乙硫醇成分。
步骤3-4：定义污染物去除率(removal efficiency，RE)计算公式为：
定义容积去除负荷(elimination capacity,EC)计算公式为：
式中，C0为进口污染物浓度(mg/L)，Ce为出口污染物浓度(mg/L)，V为填料体积(L)，Q为气体流量(L/h)，IL为进口气体总体积。
步骤3-5：生物滴滤和生物过滤组合工艺中填料微生物的多样性设计。整个设计过程分为PCR扩增，DNA提取，切胶回收，梯度凝胶电泳、银染和切胶测序等步骤。
步骤3-5-1：PCR扩增：利用PCR技术扩增细菌区域，具体程序为初始温度设置为90℃-100℃，保持1min;退火温度60℃-70℃，保持1min;延升温度70℃左右，保持1min，每过一个循环退火温度下降一个等级。
步骤3-5-2：DNA提取：从生物滴滤器取出一定体积填料样品，放置于10倍体积的锥形无菌PBS缓冲液中，经过震荡，取液和离心步骤，取出细菌沉淀，提取DNA样品。
步骤3-5-3：梯度凝胶电泳与银染。
本发明的有益效果是：本发明基于气相色谱耦合法和嗅觉测量技术确定污水处理厂各个阶段排放到空气中的恶臭气体特征群。对采用机械、生物和化学方法进行污水处理，从剩余污泥中回收沼气的污水处理厂模型进行臭气排放评估。本发明基于热中和法设计污水处理的双线工艺系统，并对排放的恶臭气体进行处理和净化。基于常用污水处理厂的除臭方法、现场嗅觉测量技术，创新性地提出生物滴滤-生物过滤组合除臭技术，该技术的应用可以实时监测和处理恶臭气体排放物。