《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Variation of the functional groups of VOCs and VSCs in the drying of sludge from wastewater treatment plants
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摘要污水处理厂（WWTP）的污泥干燥过程是挥发性有机物（VOCs）和挥发性含硫化合物（VSCs）排放的可变来源，其环境影响显著，尤其对于通常位于或邻近农村社区的小型棚式干燥系统而言。本研究评估了模拟季节条件（春季、夏季和冬季，分别对应2024年9月、2024年12月和2025
摘要
污水处理厂（WWTP）的污泥干燥过程是挥发性有机物（VOCs）和挥发性含硫化合物（VSCs）排放的可变来源，其环境影响显著，尤其对于通常位于或邻近农村社区的小型棚式干燥系统而言。本研究评估了模拟季节条件（春季、夏季和冬季，分别对应2024年9月、2024年12月和2025年6月）对来自智利毛莱大区农村卫生服务（SSR）污泥的挥发性化合物排放的影响。实验在实验室恒温箱中进行，通过控制温度、相对湿度和太阳辐射，将排放动力学与污泥理化参数联系起来。利用热脱附联合格谱-质谱法（TD-GC/MS），鉴定出115种化合物并将其分为12个化学族：胺类、烃类、芳香烃类、醇类、醛类、羧酸类、酮类、酯类、醚类、酰胺类、硫化物和硅氧烷。胺类在排放谱中占主导地位，其次是烃类、醇类和醛类，而硫化物、醚类和酰胺类则处于较低水平。夏季条件下排放峰值最高，表明干燥时间是排放动力学的主要驱动因素，而温度起调节作用。Pearson相关分析揭示了碳酸盐、溶解氧、含水率与醇类、烃类和硫化物的存在之间存在显著关联。这些结果表明，VOCs和VSCs的排放受环境条件与污泥理化特性之间相互作用的支配，而胺类、发酵相关和氧化相关官能团的依次出现表明，VOC/VSC的物种分布可作为污泥稳定化进程的间接指标。
引言
在活性污泥干燥过程中，会释放各种挥发性有机物（VOCs）和挥发性含硫化合物（VSCs）[1]。这可能引发周边社区的矛盾[2]。污水处理厂（WWTP）的异味化合物排放对全球环境构成重大挑战，因其对生活质量的影响以及卫生设施异味控制日益严格的法规要求。国际研究报告指出，污水处理厂排放大量VOCs和VSCs，尤其在污泥处理阶段，表明这是水处理系统中普遍存在的问题[3]、[4]、[5]。
目前，智利共有2,422套正在运行的农村卫生服务（SSR）系统，惠及超过200万人。这些系统适用于低人口密度地区，以紧凑的地表基础设施和低运营成本为特征[6]。与传统污水处理厂不同，SSR系统的运行复杂度较低，对环境变量的控制能力较弱，这可能导致VOCs排放的可变性更大。尽管如此，为将污泥进行稳定化处理并转运至卫生填埋场，仍必须通过脱水过程降低其含水率[7]。该过程旨在减少污泥体积、运输成本和最终处置需求。对于焚烧处理，污泥含水率需降至50%以下；对于填埋处理，则需降至60%以下[8]。目前开发的脱水方法包括机械脱水、电脱水和热干化，分别可将污泥含水率降低约60-80%、10-24%和30%[9]。
活性污泥的有机组分连同所需的干燥时间，为微生物代谢和化学反应创造了有利条件，从而生成VOCs和VSCs[10]、[11]。这些化合物以特征性气味著称，气味范围从果香、花香到无味感知，以及硫化物味（臭鸡蛋味）或燃油味（汽油味）[12]。在SSR系统中，污泥脱水在干燥床中进行，这是一种带有金属屋顶的混凝土结构，可促进太阳能干燥，并成为VOCs和VSCs向环境排放的来源[13]、[14]。
利用热脱附-气相色谱/质谱法（TD-GC/MS），已鉴定出广泛范围的排放化学化合物，能够确定废水及其他基质中的排放来源，这些来源对水分和温度的变化敏感[15]、[16]。这种非破坏性方法保留了样品基质的挥发性指纹，已成功应用于污水处理厂VOCs排放的特征分析，包括在工厂周围大气中鉴定出超过90种化合物[17]以及工业废水厂的大气排放[18]。在已鉴定的废水排放化合物中，VSCs占主导地位，包括硫化氢、甲硫醇、二甲基硫醚和二甲基二硫醚，以及氨（主要与厌氧过程和蛋白质及含硫化合物的降解相关）[19]、[20]。还检测到乙苯、苯乙烯和甲苯等芳香烃，以及氯苯等氯化化合物，以及甲基乙基酮和二甲基庚酮等酮类，后者构成这些排放物中主要的含氧VOCs[21]。这些化合物的生成与运行条件密切相关，例如间歇曝气区和延长沉降区，在此硝化和反硝化细菌促进氨和挥发性胺的释放[22]。此外，在污泥脱水的初始阶段还鉴定出甲烷、二氧化碳和一氧化二氮等无机气体[21]。尽管这些排放可能发生在生物反应器、进水或出水流中，但它们通常集中在干燥床中，此处传质和氧气变化起关键作用[23]。因此，运行条件和基质类型直接影响VOCs和VSCs的生成[19]。这些排放被周边社区感知，引起感官干扰，在某些情况下还会产生生理影响，如黏膜刺激、头痛、睡眠障碍和恶心[24]。
尽管已有关于污水处理厂VOCs和VSCs生成的证据，但大多数研究集中在鉴定单一化合物或特定运行条件[12]、[25]、[26]，通常在单一控制条件下进行或未能系统性地考虑季节变异性，这限制了对变环境情景下实际排放动力学的理解[4]、[10]、[21]，并且未能提供对污泥理化参数、环境条件与挥发性化合物官能团分布之间关系的综合评估。这一空白在分散式农村系统（如SSR）中尤为明显：与集中式WWTP的丰富文献相比，针对小型社区管理设施中VOC/VSC排放的研究仍然稀缺，尽管分散式系统通常以有限的技术控制运行，且经常位于居民区内或附近，增加了社区直接暴露于异味排放的潜在风险[27]、[28]、[29]、[30]。这一知识空白阻碍了对干燥过程中控制异味排放机制的全面理解，以及预测不同气候条件下排放行为的能力。
本研究评估了在智利毛莱大区模拟季节条件（春季2024年9月、夏季2024年12月和冬季2025年6月）下的污泥脱水过程。季节条件在实验室恒温箱中通过控制三个关键环境因素来实现：温度、相对湿度和太阳辐射，它们是干燥过程中控制挥发性化合物排放的主要物理因素。所选变量组合模拟了各季节典型的平均环境条件。这一设计选择与所研究的SSR设施的实际运行条件一致，在这些设施中，污泥干燥在半封闭式金属屋顶棚体内进行，这本质上限制了污泥表面的直接风暴露（见4.2节）。利用TD-GC/MS、方差分析（ANOVA）和Pearson相关分析来表征所排放VOCs和VSCs的官能团。研究目标是提供模拟环境条件对挥发性化合物生成影响的实验证据，将化学分析与污泥理化特性相结合。预期这些化合物的化学成分和时间演化受季节因素影响。具体而言，本研究旨在表征污泥干燥过程中排放的有异味和无异味VOCs和VSCs，并建立排放特征与污泥理化参数之间的关系。除了特征分析外，本研究还探索了官能团的时序演变是否反映了干燥过程中有机质降解和腐殖化的生化过程[31]，这与现有仅关注固定实验条件下单一目标化合物的方法形成对比。
章节摘要
农村卫生服务、研究地点与实验设计
SSR运行于简化配置中，可能包括沉淀池、配备生物转盘或其他等效系统的生物处理阶段、沉淀过程和氯化池，如图1所示[6]。这些分散式社区管理系统通常服务数百至数千人的小型农村人口，与传统污水处理厂的大型集中式基础设施形成对比。新鲜污泥样品取自干燥
污泥特性表征与挥发性化合物排放特征
表2展示了来自LN和SE污水处理厂在三个模拟季节中收集的污泥样品的理化表征。原位测量揭示了预期的季节性温度与相对湿度趋势，夏季记录到较高温度（LN为19.1°C，SE为20.0°C），冬季记录到较高相对湿度（LN为79%，SE为80%）。pH值在大多数条件下呈弱酸性至中性，最低值记录在
结论
本研究发现，农村卫生服务干燥床中的污泥干燥过程产生由VOCs和VSCs组成的混合排放特征，其组成主要由干燥时间决定，而温度则根据季节起调节作用。从含氮化合物到发酵产物再到氧化产物的时序演变，与已记载的污泥生物干燥过程中有机质降解和腐殖化阶段相一致
CRediT作者贡献声明
Hernández Espinoza Diógenes：验证、监督、项目管理、概念化。Alarcón-Alarcón José：撰写——初稿、方法论、调查研究、正式分析、数据整理、概念化。Joaquín Díaz：可视化。Sandoval-Manrriquez Jorge：概念化。Chibuy He：可视化。Mu?oz María Loreto：方法论。Ana Elisabeth Tufo：监督、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
José Elías Mauricio Alarcón Alarcón感谢智利国家研究与开发局（ANID）人力资源处/国家博士项目/2023年（项目编号21231663）的财政支持。Diógenes Hernández博士感谢FONDECYT项目1240819（智利）的财政支持。作者还感谢塔卡大学能源转化技术中心（CTCE）的支持。
José Alarcón-Alarcón | Diógenes Hernández | Ana Elisabeth Tufo | María Loreto-Mu?oz | Chibuy He | Jorge Sandoval-Manriquez | Joaquín Díaz
塔卡大学工程学院工程系统博士项目，库里科校区，Camino a Los Niches公路1公里处，库里科，智利
