我们谈论起水资源资源回收工厂（WRRF），想到的总是一幅光明美好的画面。但天下怎么会有臭不的污水？无论污水处理厂全都改名叫再生水厂还是水资源回收工厂，臭气问题都是运行团队需要面对和解决的问题。在过去半个世纪里，美国的城市化已经使污水处理厂和城市的边界消融，越来越多厂区附近的居民都向当地政府或环保部门投诉水厂的臭气问题。在本期微信推送里，我们来看看美国华盛顿水司是（DC Water）如何开展他们的臭气控制工作的。

图. Blue Plains 鸟瞰图 | 图源：Reddit

污水厂臭气的来源
理论上，在污水净化的每个工序都有形成和释放臭气物质的可能，但俗话有说，无风不起浪，总的来说，污水厂的臭气化合物的主要成因还是来自那些暴露在空气中的液体表面的被动扩散作用。而显然，这些所谓的被动表面一般出现在初沉池、二沉池甚至是三级处理沉淀池中。其中，初沉池是挥发性硫化物(VSC)的重要来源，因为这里有较大的表面积。此处的臭气扩散主要是风速带动的。
学界一般认为污水初级处理系统的臭气很有可能在进入污水厂前就产生了，也就是说臭味物质在下水道的运输过程中就形成了。因此，要评估臭气化合物对环境的影响，其中一个重要工作是要测定特定臭气化合物的排放速率。此外，了解它们的形成机理和随后的排放对于制定更好的臭气控制措施也至关重要。
此前的研究显示，初级处理系统的主要臭味物质为有机或无机硫化物，更具体点是指硫化氢(H2S)、甲硫醇(MM - methyl mercaptan)、二甲基硫醚(DMS - dimethyl sulfide)和二甲基二硫醚(DMDS - dimethyl disulfide)是主要的臭味化合物。他们的气味阈值还相当低，都在PPB的级别，分别为MM: 0.07 ppbv，DMS: 3 ppbv，DMDS: 2.2 ppbv，H2S: 0.41 ppbv。甲硫醇的阈值远低于硫化氢。只要有一点点剂量就能被人问到。甲硫醇主要是腐烂的白菜味，硫化氢是臭鸡蛋的味道。
此前虽然有过关于初沉池的硫化物释放的研究，但屈指可数：例如加拿大的研究显示安大略一个造纸厂污水处理的初沉池的H2S、MM、DMS和DMDS的排放分别为0.39、0.19、0.17和0.83μg/m2/s。韩国顺天市污水厂也做过测试，初沉池的还原硫化物释放量为0.3μg/m2/s。法国南部的一个厌氧塘的硫化物值为0.23-6.66μg/m2/s，并受到邻近居民的投诉。但这些研究没有考察过下水道对下游污水厂的硫化物的影响。这正是这篇文章想要探究的内容。
硫化物在下水道的形成机理
文献显示，硫化氢是下水道主要的挥发性硫化物。硫酸根离子的还原反应是硫化氢的主要形成机理。而有机硫化物主要有含硫氨基酸（半胱氨酸和蛋氨酸）在厌氧环境下分解形成的。甲硫醇的降解与下水道的产甲烷活性正相关。很多有机硫化物都不会释放到大气中，原因是下水道的SRT足够长，它们都被产甲烷菌、硫酸盐还原菌(SRB)和反硝化菌降解了。
DC Water的团队觉得有必要对此进行一次更为彻底的调研，他们选择了著名的Blue Plains 污水厂作为考察对象。他们的研究结果发表在Water Environment Federation 2020年的期刊上。
Blue Plains WRRF
该污水厂的日处理规模达110万m³，是世界上最大的污水深度处理厂之一。进水经过预处理后，会分别进入东区和西区的初沉池，比例分别为60%和40%。初始污泥会用重力浓缩处理，处理后的液体会回流到西区的沉淀池。东、西区分别20和16个沉淀池，表面积分别为172㎡和192㎡。他们使用化学强化预处理，通过投加氯化铁和阴离子聚合物促进有机物和磷的沉淀。

图. Blue Plains深度资源回收工厂初始处理流程图| 图源：WEF

他们选择在东、西区的第三个和第十二个初沉池进行采样。采样周期从2017年5月持续到2018年8月，共得到11个样品(2017年11-12月没有采样)。他们使用的是AC'SCENT 气体通量室，采样点是在水面以上20cm的位置。收集的气样存于1.4L的罐中。他们用电化学传感器Odalog在现场测量硫化氢的含量（0.1ppm的精度）。他们还对污水的进水、出水、初始污泥进行采样，分析指标包括总悬浮固体(TSS)、挥发性悬浮固体(VSS)、COD、氮、磷等。总硫和可溶性硫通过使用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)进行测定。在实验室里，气样罐的样品通过顶空-气相色谱-质谱(HS-GC-MS)测定物质及含量。

图. 采样沉淀池表面气体的设备 | 图源：fivesenses.com

研究结果
下表1是他们得到的初级处理系统的运行概况。结果显示，初沉池中的铁盐剂量与臭气释放之间没有明显的相关性。运行表现主要和有机氮含量的波动有关，TKN去除率的波动幅度达40％。下表2是进水水质的情况。东、西区的总硫去除率分别约为30%和20%。

表1. 东、西区初沉池的参数 | 图源：WEF

表2. 进水水质的概况

硫化物方面，由于二甲基硫醚(DMS)和二甲基二硫醚(DMDS) 的测定基本都在检测限以下，所以这次研究将焦点放到硫化氢和甲硫醇(MM )上。如下图所示，大部分时间硫化氢的量都高于甲硫醇。

图. Blue Plains东、西区沉淀池的H2S和甲硫醇释放情况

这次研究最大的发现在于，初级沉降池提取的H2S有64%来自下水道溶解性的硫化氢，说明大部分硫化氢在污水管网运输过程中就形成了，而甲硫醇主要在沉淀池中产生。

图. 进水的硫化氢主要在下水道形成

控制措施
那应该怎么控制臭气的形成和释放吗？
他们发现温度不是唯一的决定因素，污水的组分和初沉池的运行条件都是重要因素。通过搞清楚两种硫化物的形成机理，他们认为要从两方面着手：一方面，可以通过管理下水道管网中的生物膜和微生物反应可以防止初沉池的臭气扩散；另一方面，因为可以产生甲硫醇的微生物菌种更多，而且很多都有较高的生长速率，因此除了下水道的管理，控制初沉池的污泥床的厚度，避免其出现过低的氧化还原电位(ORP)也是控制硫化物释放的重要措施。

图. 硫化物和初沉池泥床厚度的相关分析

值得一提的是，Blue Plains污水厂一直在致力于改善厂区的臭气管理，例如他们于2015-2017年就给厂区更新了排气管道的材料，使用了一种含有含氟聚合物涂层的排放管，加强管道的抗腐蚀能力。

图. 有Fab-Tech公司提供的PSP®排气管 | 图源：Fab-tech

小结
污水厂的资源回收越来越受到重视，国外很多污水处理厂都已经改名叫水资源回收工厂(WRRFs)。但水资源回收工厂的建设，仅仅靠喊口号是不够的，还是需要把工作落实每个细节。在这个研究里，DC Water给水业同行树立很好的榜样。

参考资料 
1. https://blog.cpsgrp.com/fabtechinc/how-dc-water-and-sewer-authority-is-using-psp-vent-pipe
2. http://www.fivesenses.com/Documents/Products/FluxChamber/StCroixSensory%20Flux%20Chamber%20-%20Rev15159.pdf
3. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/wer.1417