化學氧化法去除生活垃圾惡臭氣體的效果研究

周雄飛，王加軍，張瑞，李成國

（華新環境工程有限公司，湖北 武漢 430074）

引言

生活垃圾惡臭氣體成分復雜，主要包括含硫化合物、含氮化合物、鹵素及其衍生物、烴類、氧的有機物5 大類[1]，如果不對其進行合適的處理，將會給環境和人體健康造成極大影響。根據《惡臭污染物排放標準》（GB 14554-1993）的要求，廠界控制值有氨氣、硫化氫、三甲胺、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳、苯乙烯、臭氣濃度9 個指標，因而目前主要采用物理法[1][2]（掩蔽法與稀釋擴散法）、化學法（氧化法、吸收法、燃燒法）、生物法（生物濾床、生物滴濾）、UV 光解、等離子除臭等方法處理生活垃圾惡臭氣體。由于我國在去除生活垃圾惡臭氣體中對化學氧化法的使用并不多，且對不同氧化劑的去除效果研究更少[3]，因此本研究采用化學氧化法在逆流化學洗滌塔中分別加入芬頓、NaClO、H2O2溶液3種氧化劑作為洗滌液，對生活垃圾惡臭氣體進行處理，測量處理前后氣體的臭氣（無量綱）、氨氣和硫化氫濃度，為化學氧化法的廣泛應用提供參考。

1 實驗裝置

該實驗裝置為逆流式噴淋洗滌塔，處理風量為2000m3/h；塔體為PP 材質，總高6m，直徑1m，塔內填充1m 高度PP 拉西環填料（φ50mm×50mm×3mm）；塔底部為一體式加藥箱和循環水箱，用于噴淋化學液的配制和儲存。實驗裝置流程如圖1 所示，實驗臭氣來源于某生活垃圾儲存庫的抽風管道，經引風機1 的抽吸作用，通過氣體流量計2，從底部進入洗滌塔7，與從霧化噴頭4 噴淋的洗滌液在填料層3 進行充分的傳質，吸收吸附，氧化反應后從廢氣出口排出。實驗工況穩定后，委托第三方檢測單位在廢氣排放口進行取樣檢測。以氨、硫化氫和臭氣濃度的處理效率作為評價指標，主要設計參數為空塔流速0.8m/s，液氣比2.5:1，空塔停留時間2.5s。

圖1 實驗裝置-氧化洗滌塔工藝流程圖

2 實驗設備和試劑

2.1 實驗設備

引風機1 采用蘇州頂裕節能設備有限公司生產的WINFAN 節能環保玻璃鋼離心風機，型號為HF-181D-5.5KW。氣體流量計2 采用德國NOOK 諾克的產品，型號為NK-CG-7900。循環泵6 采用國寶KDS-50VK-3 的不銹鋼泵體，流量為540L/min，揚程為19.5m。霧化噴頭4 為廣東博原噴霧科技有限公司產品。pH/ORP 測量儀為杭州美控自動化技術有限公司產品。

2.2 實驗試劑

實驗試劑為芬頓溶液（采用30%濃度H2O2溶液，固體硫酸亞鐵，分析純，自制）、片堿、分析純及外購10%濃度的NaClO 溶液。

3 芬頓、NaClO、H2O2 氧化洗滌實驗

3.1 芬頓氧化洗滌實驗

芬頓氧化法是利用雙氧水和硫酸亞鐵產生的芬頓反應，得到的強氧化劑的羥基自由基·OH。羥基自由基的氧化還原電位為2.8V，具有很強的氧化能力，能將臭氣分子氧化分解。芬頓氧化洗滌的反應機理如下所示。

黃建東[4]的研究表明，pH 在3～4 的條件下，芬頓氧化法對生活垃圾惡臭氣體的去除效率最高。具體配置步驟為在循環水箱內添加稀硫酸和水并控制比例，使液體PH 控制在3左右。理論上是循環水箱中加水量為1m3，則加入30%稀硫酸量為0.163kg；雙氧水與硫酸亞鐵質量比控制為1∶2，硫酸亞鐵質量濃度為20mg/L，投加順序為將硫酸亞鐵投入H2O2溶液中；H202投加量為10mL/L，FeSO4·7H2O投加量為1g/L。制備完成后，充分攪拌，先開啟風機，后打開噴淋水泵，穩定運行30min 后取樣檢測。

3.2 NaClO 氧化洗滌實驗

次氯酸鈉氧化法處理生活垃圾惡臭氣體原理主要為次氯酸鈉溶液在一定條件下可產生氧化劑HClO，其氧化還原電位為1.49V，次氯酸鈉溶液與臭氣分子經過吸收、吸附和氧化反應的過程將生活垃圾中的臭氣去除。NaClO 氧化效果與溶液pH 有關，孫霖杰等[5]研究表明PH 值在7.5～8 左右氧化效果最佳。10%濃度NaClO 溶液pH 在12 左右,采用30%稀硫酸來調節pH，并采用pH=-lgC（H+）公示，計算出pH 從12 到8，需要添加30%稀硫酸1.6kg。具體操作步驟為向循環水箱添加水1m3，按照100ppm 的濃度配置NaClO 溶液，加入10%濃度NaClO 溶液1kg，攪拌后加入1.6kg 的30%稀硫酸。配置完成充分混合后，開啟引風機，再開啟循環水泵，穩定運行30min 后取樣檢測。

3.3 H2O2 氧化洗滌實驗

H2O2是一種典型的過氧化物強氧化劑，其氧化機理是產生氧化性極強的羥基自由基[6]，每一分子H2O2可以產生兩分子·OH。30%濃度H2O2水溶液是一種淡黃色的液體，理論氧化還原電位為1.77V。H2O2氧化洗滌的氧化原理如下所示。

該實驗采用外購30%濃度H2O2溶液，直接將溶液加入洗滌塔循環水箱中進行實驗。實驗步驟與3.1 和3.2 一致。

4 結果與分析

選取GB 14554-1993 規定的臭氣濃度、硫化氫、氨3 個因子作為本次實驗除臭效果的評價因子。實驗系統穩定運行后，分別在系統的進口和出口對氣體進行采樣檢測。其中，臭氣濃度采用GB/T 14675-1993 的三點比較式臭袋法測量；氨氣采用《空氣和廢水監測分析方法》（第四版增補版）規定的次氯酸鈉-水楊酸分光光度法測量；硫化氫采用《空氣和廢水監測分析方法》（第四版增補版）規定的亞甲基藍分光光度法測量。

4.1 臭氣濃度去除效果

3 組實驗的臭氣濃度去除效果如表1 所示。從結果可以看出，實驗廢氣進口的臭氣濃度在550～640mg·m3之間，經過3 組實驗處理后，出口臭氣濃度分別為234mg·m3、280mg·m3、340mg·m3。其中，芬頓實驗組臭氣濃度的去除效率為57.5%，NaClO 實驗組的臭氣濃度去除效率為56.3%，H2O2實驗組的臭氣濃度去除效率為45.2%。3 組實驗過程中采用的洗滌塔的噴淋量、氣體停留時間、氣液比固定不變，實驗結果主要與氧化劑、氧化劑濃度、pH、進口臭氣濃度等有關。按照理論，3 組實驗的氧化劑氧化能力為芬頓＞H2O2＞NaClO。但實際結果中，芬頓去除效率最高為57.5%，說明芬頓對于惡臭物質的氧化去除能力最強。H2O2雖然有著比NaClO 更高的氧化電位，但由于其氧化機理是產生羥基自由基（一種選擇性很小的氧化劑），主要是對含有C-H 和C-C鍵的有機物具有很好的降解作用，同時隨著反應的進行，H2O2溶液的pH 發生了變化，會導致H2O2氧化能力下降。

表1 臭氣濃度檢測結果

4.2 氨氣去除效果

氨是生活垃圾含氮物質在發酵過程中脫氨產生的刺激性氣味的惡臭氣體，是生活垃圾惡臭氣體的典型物質成分。從表2 中的檢測結果可知，該廢氣來源的氨氣進口濃度在10.47～14.5mg·m-3，經過實驗處理后出口濃度都有所降低，芬頓組出口濃度為3.2mg·m-3，去除效率為69.4%，NaClO 組出口濃度為5.2mg·m-3，去除效率為61.5%，H2O2組出口濃度為4.4mg·m-3，去除效率為69.7%。

表2 氨氣檢測結果

3 組實驗結果可看出，氧化洗滌法對于氨氣的去除效率均超過了60%。其中，芬頓和H2O2對氨氣的去除效率基本差不多，均接近于70%；NaClO 去除效率稍微低一些，也達到了61.5%。這可能是由于氨氣易溶于水，且芬頓和H2O2溶液中的pH 為酸性，更利于氨氣的吸收，因此對于氨氣的去除效率更高。

4.3 硫化氫去除效果

硫化氫是一種無色的，具有腐敗臭雞蛋氣味的氣體。在生活垃圾發酵過程中主要由含硫的有機質發酵產生，是生活垃圾惡臭氣體的典型成分之一，同時高濃度的硫化氫氣體還是一種劇毒氣體，能導致人員瞬間死亡。通過表3檢測結果可知，實驗的廢氣進口硫化氫濃度為0.065mg·m-3、0.056mg·m-3、0.075mg·m-3。經過實驗處理后，芬頓組出口濃度降至0.052 mg·m-3，去除效率為20%；NaClO 組出口濃度為0.035mg·m-3，去除效率為37.5%；H2O2組出口濃度為0.065mg·m-3，去除效率為13.3%。相比較臭氣濃度和氨氣，硫化氫的去除效率較低，主要可能與實驗廢氣硫化氫原始濃度較低、芬頓和H2O2的溶液為酸性、不利于硫化氫氣體在水中的溶解等因素有關；也可能與實驗設計水氣比、氣體停留時間、氧化液的pH 有關[7]，實際應用中通過調整噴淋液流量、液氣比、氣體停留時間等可進一步提高去除效率。

表3 硫化氫檢測結果

4.4 除臭效果分析

臭氣濃度、氨氣、硫化氫是目前生活垃圾行業通用的評價環境空氣質量的3個指標。其中，臭氣濃度與各個惡臭成分的濃度息息相關，人類對于臭氣濃度的感覺更為直接。由于人類對惡臭物質的嗅辨存在一個最低值，即嗅閾值，因此嗅閾值越低的惡臭物質越能被人的嗅覺器官捕捉到，越容易引起人的不適感覺。氨氣的嗅閾值為1.5mg/m3,硫化氫的嗅閾值為0.00065 mg/m3，甲硫醇的嗅閾值為0.00196 mg/m3，三甲胺的嗅閾值為0.000032 mg/m3，而從實驗結果可以看出，實驗所使用的廢氣中氨氣和硫化氫濃度均超過了嗅閾值，即使經過處理后氨氣和硫化氫的濃度仍然超過了嗅閾值。

從圖2 可看出，臭氣濃度的去除效率與氨氣的去除效率基本一致，表明實驗廢氣中主要的惡臭物質為氨氣，相較于臭氣濃度和氨氣的去除效率，硫化氫的去除效率較低，只達到了20%、37.5%和13.3%，對于臭氣濃度的進一步降低，沒有發揮更大的作用。

圖2 實驗除臭效果評價

結論

采用芬頓、NaClO、H2O2等作為氧化劑進行氧化洗滌處理生活垃圾惡臭氣體，降低生活垃圾惡臭氣體的臭氣排放濃度，均有明顯的效果。結果表明，氨氣的去除效率明顯高于硫化氫，對于降低臭氣濃度發揮了主要的作用。在實際工程應用中，考慮采用芬頓溶液配制步驟多、H2O2不容易保存和購買成本的原因，采用NaClO 作為氧化液的處理方法應該最成熟可靠。但實驗的3 種方法對于硫化氫的去除效率均不高，且對其他嗅閾值低的惡臭物質的去除效率存在未知。未來，如果要進一步降低排放的臭氣濃度，提高低嗅閾值的惡臭物質去除效率應該是研究的重點。