环境科学  2016, Vol. 37 Issue (2): 782-788   PDF    
引用本文
丁文杰, 陈文和, 邓明佳, 罗辉, 李琳, 刘俊新. 污泥直接干化尾气中恶臭污染物质重要性评价:以指标权重评分法为例[J]. 环境科学, 2016, 37(2): 782-788.
DING Wen-jie, CHEN Wen-he, DENG Ming-jia, LUO Hui, LI Lin, LIU Jun-xin. Evaluating the Significance of Odor Gas Released During the Directly Drying Process of Sludge: Based on the Multi-index Integrated Assessment Method[J]. Environmental Science, 2016, 37(2): 782-788.
污泥直接干化尾气中恶臭污染物质重要性评价:以指标权重评分法为例
丁文杰1, 陈文和2, 邓明佳2, 罗辉2, 李琳1, 刘俊新1     
1. 中国科学院生态环境研究中心, 北京 100085;
2. 广州越堡水泥有限公司, 广州 510800
收稿日期: 2015-05-27; 修订日期: 2015-09-18.
基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2010ZX07319-001-03)
作者简介: 丁文杰(1985~),男,博士研究生,主要研究方向为恶臭及VOCs气体净化机制与技术研究及应用,E-mail:dingwenjie2005@126.com
通讯联系人,李琳,E-mail:leel@rcees.ac.cn
摘要: 利用水泥窑协同处置污泥可同时实现污泥的无害化、 减量化和资源化. 水泥回转窑处置污泥时须先对污泥进行干化使其含水率达到要求. 污泥受热干化时会释放恶臭物质,易引发恶臭污染,对周围环境和居民生活造成影响. 以污泥直接干化产生的尾气为对象,基于目前国内外恶臭污染相关规定,综合考虑污泥直接干化产生的尾气中物质浓度、 嗅阈值、 阈限值、 气味安全级别以及饱和蒸气压,通过指标权重评分方法筛选出污泥直接干化产生尾气中的主要恶臭污染物. 以恶臭污染潜力为评价目标,风险指标和臭气排放强度为评价指标,通过韦伯-费希纳定律构建污泥直接干化产生尾气的恶臭污染潜力分级评价模型,形成适合污泥直接干化产生尾气的恶臭污染潜力分级评价方法.
关键词: 污泥直接干化     干化尾气     恶臭污染潜力     指标权重     韦伯-费希纳定律    
Evaluating the Significance of Odor Gas Released During the Directly Drying Process of Sludge: Based on the Multi-index Integrated Assessment Method
DING Wen-jie1, CHEN Wen-he2, DENG Ming-jia2, LUO Hui2, LI Lin1, LIU Jun-xin1    
1. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
2. Guangzhou Heidelberg Yuexiu Cement Co., Ltd., Guangzhou 510800, China
Abstract: Co-processing of sewage sludge using the cement kiln can realize sludge harmless treatment, quantity reduction, stabilization and reutilization. The moisture content should be reduced to below 30% to meet the requirement of combustion. Thermal drying is an effective way for sludge desiccation. Odors and volatile organic compounds are generated and released during the sludge drying process, which could lead to odor pollution. The main odor pollutants were selected by the multi-index integrated assessment method. The concentration, olfactory threshold, threshold limit value, smell security level and saturated vapor pressure were considered as indexes based on the related regulations in China and foreign countries. Taking the pollution potential as the evaluation target, and the risk index and odor emission intensity as evaluation indexes, the odor pollution potential rated evaluation model of the pollutants was built according to the Weber-Fechner law. The aim of the present study is to form the rating evaluation method of odor potential pollution capacity suitable for the directly drying process of sludge.
Key words: directly drying of sludge     odor     pollution potential     integrated assessment     Weber-Fischna law    


预计到2015年年底，我国污水处理厂总数将突破4 000座，剩余污泥总量将突破3 500万t[1]. 污泥的处理处置成为亟待解决的问题. 利用水泥窑协同处理污水厂污泥可实现污泥处置的无害化、 减量化和资源化[2]. 但是，在焚烧处置前，须对污泥进行干化使污泥的含水率达到焚烧要求. 在污泥干化过程中，会释放出大量的挥发性有机物、 硫化物、 胺类等物质，易引发恶臭污染[3, 4, 5]. 恶臭污染评价体系的建立有助于制定合理的治理措施，控制恶臭污染. 以往的恶臭污染评价方法主要以臭气浓度、 臭气强度、 恶臭物质浓度的测定为基础，测定方法包括嗅觉测定法及仪器测定法[6, 7, 8, 9]. 臭气强度的测定主观性大且重复性差[10]，基于臭气强度的评价手段不能全面反映恶臭污染特征； 污泥干化产生尾气中污染物种类复杂，臭气浓度不能直接反映恶臭物质的危害性. 另外，污泥干化产生尾气的恶臭污染评价目前还没有相关研究报道. 本研究以某水泥厂利用窑尾气直接干化污泥产生的尾气为对象，通过测定尾气中物质的成分和浓度，采用指标权重评分筛选出尾气中的主要恶臭污染物. 根据主要恶臭污染物构建污泥直接干化产生尾气的恶臭污染潜力分级评价指标体系，基于韦伯-费希纳定律对污泥直接干化产生尾气的恶臭污染潜力进行分级评价，形成针对污泥直接干化产生尾气的恶臭污染潜力分级评价方法，以期为水泥窑协同处置污泥过程中产生臭气的污染防控工作提供技术支持.

1 恶臭污染潜力分级评价方法构建

基于污泥直接干化过程中恶臭气体排放特征的现场调研，通过指标权重评分方法筛选出主要的恶臭污染物. 考虑污泥直接干化过程中臭气的排放强度以及恶臭污染物的风险指标构建臭气污染潜力评价指标体系，对筛选的恶臭污染物的污染潜力评价指标进行分级. 采用韦伯-费希纳定律对污泥直接干化过程产生臭气的恶臭污染潜力进行分级计算，得出恶臭污染潜力等级划分(图 1). 其中，目标层为污泥直接干化过程产生臭气的恶臭污染潜力，通过模型计算得到； 指标层包括恶臭污染物的风险指标和臭气排放强度. 风险指标由恶臭物质的浓度、 嗅阈值、 阈限值、 恶臭强度以及其毒理效应等因素综合计算确定. 臭气排放速率和浓度确定臭气排放强度(图 2).

图 1 污泥直接干化过程产生臭气的恶臭污染潜力评价流程示意 Fig. 1 Flow chart of potential pollution capacity evaluation for odor gas released from directly drying process of sludge

图 2 污泥直接干化过程产生臭气的恶臭污染潜力分级评价指标体系 Fig. 2 Index system of potential pollution capacity evaluation for odor gas released from directly drying process of sludge
1.1 主要恶臭污染物的筛选 1.1.1 筛选原则

针对窑尾气直接干化污泥过程产生污染物质的特殊性和复杂性，注重恶臭污染物对环境的影响和健康效应，以及经济技术可行性，同时参考国内外现有的经验和资料[11, 12, 13]，确定以下筛选原则.

(1)已有排放控制标准的恶臭物质优先考虑. 我国《恶臭污染物控制标准》(GB 14554-93)[14]中规定了硫化氢、 氨、 甲硫醚、 甲硫醇、 苯乙烯、 二硫化碳、 二甲二硫、 三甲胺等8种典型恶臭污染物的排放限值.

(2)污泥直接干化过程中排放浓度高，排放量大的气态污染物.

(3)环境影响突出、 毒性较大的物质.

(4)参照国外的污泥干化或水泥窑协同处置污泥过程中恶臭物质控制的相关标准和规定.

(5)国内已具备一定的基础条件，可以监测的恶臭物质.

1.1.2 指标确定

参照筛选原则，确定筛选参数指标为物质浓度、 嗅阈值、 检出率、 蒸气压及气味安全级别.

物质浓度：指的是恶臭污染物的质量浓度或体积分数，单位为mg ·m-3或×10-6.

嗅阈值：人的感觉器官能够嗅觉到的最低嗅觉浓度. 某种物质的嗅阈值越低，表明其越能被人的嗅觉器官感受到，越能引起不愉快感.

检出率：在环境污染状况的调查中，某种恶臭物质在所调查的污染源中出现的次数与总调查次数的比值. 物质检出率越高，其在污染源中存在的可能性越大，影响面也越广.

蒸气压：判断污染物进入环境空气中的可能性及环境迁移的重要参数，蒸气压越大，污染物挥发进入空气中的可能性越大，对环境影响越大. 蒸气压的计算根据安托万方程：

式中，P：蒸气压(Pa)； t：温度(℃)； A、 B和C：相关参数，参照文献[15]给出的值.

气味安全级别是衡量物质气味对人体影响程度的指标. 参照已有的计算方法和划分标准[16]，将阈限值(TLV)与嗅阈值的比值作为气味安全倍数，根据气味安全倍数划分气味安全级别. 阈限值是美国政府工业卫生专家会议(ACGIH)制订的车间空气中有害物质的容许浓度[17, 18]. 即每周40 h(每天8 h，5 d)工作时间内所接触的有害物质的时间加权平均浓度限制. 在阈限值表中规定有3种限值，即时间加权平均浓度(TWA)、 短时间接触阈限值(TLV-STEL)以及阈限值上限(TLV-C). 本研究采用时间加权平均浓度(TWA).

1.1.3 指标分级评分

将筛选的指标进行相应分级，给出各个级的评分. 其中，物质浓度、 嗅阈值、 检出率和蒸气压均分为10级，采用10分制. 按照Ammore和Hautala提出的划分标准，气味安全级别分为5个等级，为统一各参数的评分标准，气味安全级别也采用10分值，即每级2分，分值如表 1所示.

表 1 主要恶臭污染物筛选指标评分 Table 1 Index rating of the main odor pollutants
1.1.4 综合分值计算

综合分值根据各指标的分值及其权重系数Wi计算式(2)，且权重系数Wi满足

式中，SCj：第j种物质的综合评分. I1j：第j种物质浓度指标的分值； W1：其权重系数，W1=0.225； I2j：第j种物质的嗅阈值指标分值； W2：嗅阈值权重系数，W2=0.225； I3j：第j种物质的检出频率指标分值； W3：检出频率权重系数，W3=0.1； I4j：第j种物质的气体安全级别指标分值； W4：气体安全级别权重系数，W4=0.225； I5j：第j种物质饱和蒸气压指标分值； W5：饱和蒸气压权重系数，W5=0.225.

某物质的综合分值越高，其对环境的危害越大. 综合评分高于平均分的物质即为优先控制的污染物.

1.2 恶臭污染潜力评价方法选择

韦伯-费希纳定律(Weber-Fischna，W-F)是定量描述人类感觉强度与外界环境刺激强度关系的心理物理学公式，可以确定各种感觉阈限和测量刺激的物理量和心理学的关系. W-F能确切地表达人体产生的反应量与客观环境刺激量之间的函数关系. 用函数关系表示W-F定律即为：

式中，C：刺激量，I：人的感觉量，k：韦伯常数.

近年来，在环境领域中，W-F作为一种指导思想和方法被引入了环境评价中[19, 20, 21, 22].

该模型基于以下的假设：① 将W-F定律中外界环境刺激量C视为区域生态环境中某评价指标的量； ② 将W-F定律中人体对刺激量产生的反应量I视为该指标对人体的危害程度； ③ k由该指标的性质所决定的，视为各项指标的权重.

臭味是由气体中物质对嗅觉的刺激而被感知，因此，本评价方法引用W-F定律，构建污泥干化尾气的恶臭污染潜力计算模型.

2 污泥干化尾气恶臭污染潜力评价 2.1 风险指标计算及其等级划分 2.1.1 风险指标计算

风险指标可衡量气体成分对人体和周围环境的危害程度. 某种物质的风险指标计算如下式：

式中，Ti表示阈限值的无量纲化数值，Ti的计算如下：
式中，ti：i恶臭污染物的阈限值(×10-6)； ci0：i物质的嗅阈值浓度(×10-6).

αi是i物质的综合权重，由该物质的主观权重β和客观权重λ共同决定. i物质的主观权重β指的是物质的致毒效应，参照文献[23]，对恶臭污染物的主观权重进行确定：高浓度引发死亡的主观权重系数为0.5，高浓度引发麻痹、 器官病变或功能障碍为0.3，高浓度引发皮炎或不适为0.2.

物质的客观权重λ由该物质的嗅阈值稀释倍数决定，嗅阈值稀释倍数的计算如下式：

式中，Fi：嗅阈值稀释倍数； Ci：恶臭物质检出质量浓度； C0i：恶臭物质的嗅阈值. 将所有在恶臭污染源中检出的恶臭污染物的嗅阈值稀释倍数归一化，计算各物质的恶臭客观权重：
式中，λi：i恶臭污染物的恶臭客观权重，Fi：i恶臭污染物的嗅阈值稀释倍数.

i物质的综合权重充分考虑了该物质的致毒效应、 检出浓度以及嗅阈值，能客观评价某种物质在检出物质中的污染严重性，物质的综合权重通过下式计算：

式中，αi：i物质的综合权重； βi：i物质的主观权重； λi：i物质的客观权重，由式(5)和(6)计算得出. 主要恶臭污染物的风险指标通过式(9)计算：
2.1.2 风险指标等级划分

本评价方法中，将风险指标划分为5级，每个等级的等级阈值按式(10)计算：

式中，Rk：风险指标的等级阈值，共5级； yjk：第j项污染物的k级标准值无量纲化，其值为j项污染物k级标准值(×10-6)与j项污染物的嗅阈值(×10-6)的商. 污染物的k级标准值无量纲化值参见表 2中恶臭强度和污染物浓度关系. 该关系是根据日本的《恶臭防止法》和《恶臭污染评估技术及环境基准》中的相关恶臭污染物浓度与强度对应关系计算得到[23, 24].

表 2 某些污染物的等级阈值无量纲化值 Table 2 Dimensionless threshold values for levels of some contaminants
2.2 臭气排放强度计算及其等级划分

臭气排放强度表示单位时间内臭气的排放量和臭气浓度的乘积，臭气排放强度计算公式为：

式中，QT：臭气排放强度(m3 ·s-1)； O：臭气浓度，表示臭气的稀释倍数，无量纲； Q：气体排放量(m3 ·s-1). 参照《恶臭污染评估技术及环境基准》划分臭气排放强度等级[23]. 为了统一标准，划分为5个等级(表 3).

表 3 臭气排放强度标准等级划分 Table 3 Rating of odor gas emission intensity
2.3 臭气的恶臭污染潜力计算及等级划分 2.3.1 指标值标准化

根据式(12)，对各项指标进行标准化处理.

式中，Si：第i个评估指标的标准化值； Mi：i项评估指标(风险指标或臭气排放强度)的数值； Si1：i评估指标无环境污染时的标准阈值，本研究定为1级标准阈值.

2.3.2 恶臭污染潜力评价指标权重计算

风险指标和臭气排放强度对恶臭污染潜力的影响不同，在进行平价计算前需确定指标层的权重，权重值越大，相应指标对恶臭污染潜力的贡献越大. 本方法中，通过贡献率法来确定风险指标和臭气排放强度的权重系数：

式中，Si：i指标的标准化值，其计算式为(12)所示； m表示指标个数. 计算得到指标层的权重向量为：
式中，φ1：风险指标的权重系数； φ2：臭气排放强度的权重系数. 为了便于利用韦伯-费希纳定律进行计算，指标层的权重采用向量表示.

2.3.3 指标层恶臭污染潜力计算及等级划分

在本研究中，基于韦伯-费希纳定律构建恶臭污染潜力评价模型. 目标层恶臭污染潜力的计算由恶臭气体的风险指标和臭气排放强度确定，各项指标的恶臭污染潜力计算式如下：

式中，pi：i指标的恶臭污染潜力； φi：i指标的权重系数，计算见式(13)； Si：i指标的标准化值，标准化值计算见式(12)，引入Si+1是为了避免出现负值的复杂情况，对比较结果不会产生影响.

基于以下假设：① 将W-F定律中外界环境刺激量Si视为污泥干化过程中产生恶臭气体的某一评价指标的标准化值； ② 将W-F定律中人体对刺激量产生的反应量pi视为该指标对人体的危害程度，在本研究中，指臭气的恶臭污染潜力； ③ φi是由该指标的性质所决定的，在本研究中，为各项指标的权重.

对各指标的恶臭污染潜力进行分级，通过下式得到各指标的污染潜力等级阈值：

式中，pik：i指标第k级的恶臭污染潜力； φi：i指标的权重系数； Sik：i指标第k级的标准化值.

2.3.4 目标层臭气污染潜力计算及等级划分

通过式(14)得到各指标的恶臭污染潜力，根据指标的污染潜力值，通过式(17)计算污泥直接干化产生尾气的恶臭污染潜力：

式中，P：水泥窑协同处置污泥产生臭气的恶臭污染潜力； pi：i指标的恶臭污染潜力，在城市污泥直接干化过程中臭气产生评价中，包含风险指标和臭气排放强度两个指标，故i=1,2.

根据主要恶臭污染物的风险指标和臭气排放强度计算出臭气的恶臭污染潜力后，需对其级别进行确定. 污泥直接干化过程产生臭气的恶臭污染潜力分为5级，分别为：Ⅰ级表示无污染，Ⅱ级表示轻污染，Ⅲ级表示污染，Ⅳ级表示明显污染，Ⅴ级表示严重污染. 各等级的阈值由下式确定：

式中，Pk：目标层k等级恶臭污染潜力值； pik：i指标k等级的恶臭污染潜力. 计算出的污染潜力等级阈值，根据某一污染源的恶臭物质的恶臭污染潜力值即可判断其恶臭污染潜力等级，根据臭气排放强度可知道相应的污染影响范围(表 4).

表 4 污泥直接干化过程中产生的恶臭污染物综合分值 Table 4 Comprehensive scores of the pollutants released in the directly drying process of sludge directly drying
3 污泥直接干化过程产生臭气的恶臭污染潜力分级评价案例 3.1 污泥直接干化产生臭气监测分析

以某水泥厂利用窑尾气直接干化污泥产生的干化尾气为对象，进行污泥直接干化产生尾气的恶臭污染潜力分级评价. 干化尾气的主要成分及浓度参照以往的监测和分析结果[25]. 在污泥直接干化产生的尾气中，硫化氢、 甲硫醚、 二甲二硫这3种恶臭物质因低于检出限而未检出. 甲硫醇和二硫化碳用专用检知管能检出，但由于浓度极低，不能定量. 这5种物质属于《中华人民共和国恶臭污染物排放标准》(GB 14554-93)中规定的典型恶臭物质，因此，在本评价方法中，这5种物质的浓度采用的是检测限的浓度.

3.2 水泥窑协同处置污泥主要恶臭污染物筛选

按照上述的计算方法，得到干化尾气中各物质的综合评分如表 4所示. 其中，二氧化硫的综合分值最高. 综合分值的平均分为4.44，超过平均分的物质有8种，分别是二氧化硫、 间二甲苯、 甲苯、 氨、 乙苯、 萘、 苯乙烯、 苯(表 4). 二硫化碳评分为4.33，接近平均值，由于其嗅阈值低(嗅阈值：0.21×10-6)，气味刺激性大，易被人感知，产生的恶臭影响较大. 尽管其浓度低，在确定主要恶臭污染物时将二硫化碳也纳入其中. 故主要恶臭污染物为二氧化硫、 间二甲苯、 甲苯、 氨、 乙苯、 萘、 苯乙烯、 苯、 二硫化碳.

3.3 指标分级及标准化特征值

根据风险指标和臭气排放强度分级方法，将污泥直接干化产生的尾气中主要恶臭污染物的风险指标和臭气排放强度分为5个等级，确定各等级标准值(表 5).

表 5 评价指标等级划分 Table 5 Rating of evaluation indexes

污泥直接干化过程中，臭气排放量为3×105m3 ·h-1，为83.3 m3 ·s-1，臭气浓度均值为6 555. 计算风险指标值、 臭气排放强度以及指标标准化的值，确定风险指标和臭气排放强度的权重(表 6).

表 6 污泥直接干化过程产生臭气的恶臭污染潜力评价指标权重 Table 6 Index weight in the evaluation for the odor potential pollution capacity during directly drying process of sludge

结合污泥直接干化过程臭气产生评价模型中指标等级划分(表 5)及指标权重(表 6)，根据式(16)、 (18)计算污泥直接干化过程臭气产生恶臭污染潜力等级标准，得到结果如表 7所示.

表 7 污泥直接干化过程臭气产生恶臭污染潜力等级标准划分 Table 7 Rating of the odor potential pollution capacity during directly drying process of sludge
3.4 污泥直接干化过程产生臭气的恶臭污染潜力评价

污泥直接干化过程臭气产生评价模型中，风险指标和臭气排放强度的权重如表 6所示，构成权重向量为：

W ={0.28，0.72}

风险指标和臭气排放的标准化值构成向量为：

U ={71.92，182.00}

最后的得到污泥直接干化过程中臭气产生的加权恶臭污染潜力综合评价值：

将计算出的潜力值对比表 7的恶臭污染潜力分级标准，结果表明，污泥直接干化过程中产生臭气的恶臭污染潜力为Ⅲ级(污染)，根据臭气排放强度标准等级划分(表 3)可知，若臭气外排将会对周边环境(2-4 km)造成影响.

4 结论

指标权重评分的方法筛选出污泥直接干化过程中产生的主要恶臭污染物，优控污染物为二氧化硫、 间二甲苯、 甲苯、 氨、 乙苯、 萘、 苯乙烯、 苯、 二硫化碳. 基于韦伯-费希纳定律建立臭气的恶臭污染潜力分级评价方法，该评价方法可量化反映水泥窑协同处置污泥臭气产生的恶臭污染状况. 案例分析结果显示，利用本方法计算得到污泥直接干化产生尾气的恶臭污染潜力值为2.89，潜在恶臭污染能力属于Ⅲ级(污染)，可能影响的范围为2-4 km.

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