污泥干燥废气中挥发性有机物的释放特性与影响因素分析

本文系统研究了郑州市两座污水厂及一座污泥厂的污泥干燥过程中挥发性有机物（VOCs）的释放特征，通过现场采样与动态模拟实验分析了99种VOCs组分。研究发现污水厂以芳香烃（28.2%–31.8%）为主，而污泥厂以挥发性含氧有机物（OVOCs）（22.9%–36.1%）为主；通风后7–10分钟出现VOCs浓度峰值（780–1720 μg/m3），高温与强通风会显著增加VOCs释放，堆肥发酵过程排放最高。研究为污泥干燥工艺选择与废气治理提供了关键数据支持，对推动行业VOCs减排与空气污染控制具有重要实践意义。

　　

引言

随着城市化进程加快，污水与污泥处理需求日益增长，污泥干燥作为重要的处置手段，因其能显著降低含水率、减少体积并促进资源化利用而被广泛应用。然而，在干燥过程中，除氨气、硫化氢等恶臭气体外，挥发性有机化合物（VOCs）作为主要污染物之一随废气排放至大气中。这些VOCs不仅加剧空气污染，还对人体健康构成威胁，尤其是一些具有毒性、致癌性或致畸性的物质，如苯、甲苯和二甲苯。随着臭氧浓度逐渐升高，VOCs作为臭氧前体，已成为我国大气污染控制中的重点监控物质。

材料与方法

研究选取郑州市两座城市污水处理厂（M厂和G厂）和一座污泥处理厂（B厂）作为研究对象，于2024年5月1日进行现场采样。M厂采用“A2/O”工艺，日处理能力100吨，泥饼含水率约80%；G厂采用“改良UCT+纤维转盘滤池”工艺，日处理能力30吨；B厂主要处理其他市政污水厂的污泥，采用槽式翻抛好氧发酵工艺，日处理能力600吨。在各厂区的污泥干燥工艺段共设置9个废气采样点，使用真空采样系统（RC-2071）进行现场采样。

为分析干燥温度与通风强度对VOCs释放的影响，研究选取G厂污泥进行动态模拟实验。使用高1米、直径10厘米的丙烯酸干燥柱，有效容积6升，底部设温控加热器模拟干燥过程。设置三组通风强度（200、400和600 mL/min），温度恒定为100°C，干燥时间2小时；另设三组温度（50°C、100°C和150°C），通风强度固定为400 mL/min。每组实验重复三次，采样后使用Agilent 7890A气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）检测99种VOCs组分，包括烷烃（29种）、烯烃（13种）、芳香烃（17种）、卤代烃（11种）和含氧挥发性有机物（OVOCs，29种）。数据使用Excel 2013和Origin 2021进行分析与绘图。

结果与讨论

VOCs组分特征

污水厂干燥废气中VOCs以烷烃和芳香烃为主，浓度占比分别为28.1%–31.7%和28.2%–31.8%，其次为烯烃（15.6%–16.6%）和OVOCs（15.2%–17.1%），卤代烃浓度较低。苯系化合物浓度最高，包括甲苯、苯、间/对二甲苯、乙苯等，是除NH₃和H₂S外最重要的致臭污染物。烷烃中以乙烷、己烷和异丁烷为主，烯烃以乙烯和丙烯为主，OVOCs则以丙酮和2-丁酮为主要组分。

污泥厂废气中VOCs以芳香烃（43.3%–43.9%）和OVOCs（22.9%–36.1%）为主，烷烃浓度较低（6.4%–13.2%）。与污水厂相比，污泥厂中2-丁酮、乙酸乙酯和乙酸丁酯等OVOCs组分显著更高，这与其采用的好氧发酵工艺及添加小麦秸秆、玉米芯等辅料有关。

VOCs浓度分布

污水厂M的三个采样点（浓缩MW、干燥机MG和总排口MP）的VOCs浓度分别为525.91、983.48和390.77 μg/m3；污水厂G的三个采样点浓度分别为464.02、801.71和343.21 μg/m3。干燥段浓度最高，比浓缩段升高42.1%–46.5%，总排口因新风稀释和喷淋处理，浓度比干燥段下降57.2%–60.3%。M厂干燥温度高于G厂，其VOCs浓度也相应更高，证实温度对释放量的影响。

污泥厂B的三个采样点（翻抛BW、非翻抛BG和总排口BP）的VOCs浓度分别为2984.12、1295.45和863.04 μg/m3。翻抛过程浓度最高，是好氧发酵促进VOCs释放的直接体现。总排口浓度远高于污水厂，与辅料添加和工艺特性相关。

影响因素分析

干燥方式的影响

比较机械脱水、低温干燥和堆肥发酵三种方式，堆肥发酵的废气污染物浓度最高，适用于大规模污泥资源化利用；机械脱水浓度较低，但只能去除自由水，多作为预处理手段；低温干燥的VOCs排放高于机械脱水，是实现污泥“减量化、无害化、资源化”的常用技术，但其废气收集与处理仍需加强。

通风强度的作用

通风强度显著影响VOCs释放动态。通风初期（7–9分钟）浓度急剧上升至峰值（200 mL/min: 1765 μg/m3；400 mL/min: 2250 μg/m3；600 mL/min: 2748 μg/m3），随后缓慢下降，60分钟后趋于稳定（分别约780、1220和1720 μg/m3）。高强度通风促进芳香烃和OVOCs释放，其占比随通风增强而上升，如600 mL/min时芳香烃占38.0%，OVOCs占30.6%。丙酮、甲氧基-2-丙醇、二氯甲烷、甲苯等组分在强通风下释放显著增加。

干燥温度的作用

温度升高同样导致VOCs释放浓度增加。50°C、100°C和150°C下的峰值浓度分别为1520、2134和2705 μg/m3，稳定浓度约为750、1200和1450 μg/m3。高温促进苯系物（如甲苯、二甲苯）和OVOCs（如丁酯、丙酮）的挥发，尤其当温度超过苯（80°C）和甲苯（110°C）的沸点时，其释放量显著增加。但苯、乙烷、丁酮等组分的释放受温度影响较小。

结论

研究明确了污泥干燥废气中VOCs的主要组分与浓度特征，揭示了干燥方式、通风强度与温度对VOCs释放的显著影响。污水厂以芳香烃为主，污泥厂以OVOCs为主；堆肥发酵排放最高，通风与高温均促进VOCs释放。研究为优化污泥处理工艺、选择废气治理策略提供了重要依据，对推动VOCs减排与空气质量控制具有实践指导意义。未来需进一步研究多因素协同作用机制，深化VOCs控制技术开发与参数优化。