4复合型恶臭气体治理技术应用实验-小学科学+生活融合实践研究

130 小学科学 + 生活融合实践研究 复合型恶臭气体治理技术应用实验 2016 级 9 班　吴煜涵 【摘要】很多污水池和工业废水池没有密闭，水中的硫化氢等恶臭气体挥发 到空气中，产生恶臭气味，影响人们的生产生活。本课题总结了恶臭气体的组成 以及测定方法，通过查阅资料，掌握了各种治理技术的优缺点，认真分析后形成 了复合型恶臭气体治理技术。这项技术包括进水管优化、亲水表面隔绝和余气净 化 3 个方面。对净化装置进行了设计与制作，在 72 号气田水池开展了实验。并在 实验前后对池内和环境空气进行了测试，对比测试数据发现实验后硫化氢含量下 降了 97% 以上，治理技术效果特别好，对各种恶臭气体治理有很好的参考意义。 【关键词】气田水；恶臭；硫化氢；实验 引言 随着人民生活水平的提高，生活污水和工业废水的产生量也越来越大。资料 表明，城市中每人每天要产生污水 150 L 以上。我国城市规模大，人口多，如重 庆市 2018 年主城区面积拓展到 808 平方千米，常住人口达到 875 万，生活污水产 生量惊人。此外，重庆市也是工业集中的地区，西南铝业、紫光化工等位于重庆 市的大公司，排放的工业废气、废水都对环境产生了不好的影响。 2018 年，全重庆市共有各类污水处理厂 117 家，多数水池并未密闭。由于水 体中的硫化氢、氨气等气体因为温度与压力变化、水体流动等因素挥发到空气中， 产生恶臭气味，影响人们的生产生活。随着大家的环保意识的提高，水池周边的 人们对恶臭气体的投诉越来越多，有必要对各类水池恶臭气体进行治理，让大家 过上环境优美、空气清新的幸福生活。 1　资料调研 根据网上查询到的空气监测报告了解了恶臭气体的来源与组成。在中国知网 上查阅了成熟的恶臭气体治理技术的优缺点与适用性等，还调研了气田水的恶臭 气体情况。 131 第四部分　学生论文 1.1　恶臭物质与特性 1.1.1　恶臭物质 自然界中产生恶臭气味的物质很多，我们能够感觉到的恶臭物质有 4 000 多 种，按化学成分分为含硫化合物、含氮化合物、卤素及其衍生物等五类。 1.1.2　恶臭特性 各类水池的挥发性气体都具有共同的恶臭特征，一是臭阈值普遍很低，如硫 化氢臭阈值为 0.000 47ppm，极低浓度的臭气物质也可使人不快。二是评价和治 理困难，即使将恶臭物质去除了 90％，人的感觉也认为只去了一半。 1.2　恶臭的测定 由于恶臭气味是一种感官体验，不是严格规定的科学特性，因此测定比较困 难，主要有科学仪器测定法和感官测定法。 1.2.1　仪器测定法 传统的测量方法，主要用于测量单一恶臭物质，如硫化氢、甲苯等。 1.2.2　嗅觉测定法 传统仪器能测定单一恶臭气体浓度，但不能反映恶臭气体对人的综合影响。 为此，人们引进了嗅觉测定法，通过人的嗅觉感官对恶臭气体的反应来进行恶臭 气味的测定与评价。 1.3　恶臭气体治理技术 国外早在 20 世纪 50 年代末便开始了恶臭气体污染治理的研究，并积累了丰 富的理论知识和实践经验。我国 20 世纪 80 年代才开展恶臭气体污染的调查、测 试和标准方面的研究，而治理技术则是 90 年代才开始进行，相对国外治理技术很 落后。 目前我国处理恶臭气体比较成熟的方法有物理法、化学法、生物法、联合法等。 各种治理技术都具有一定的优势，但也有其局限性。部分治理技术投资少，但效 果不理想。治理效果较好的技术往往需要高额的投资，制约其在各类水池中的推 广应用。 1.4　气田水池的恶臭现状 在天然气开采过程中，地层水会随着天然气进入地面，成为气田水。这些气 132 小学科学 + 生活融合实践研究 田水污水夹带气体较多，污水池区域臭味特别大，鸟类经常在池上中毒死亡，存 在极大的安全、环保隐患。水中含有硫化氢、有机硫、胺等物质，挥发出来后产 生恶臭气体，有害于人体健康。 2　方案设计 我们选择了天然气公司的 72 号气田水池为治理范围，以其中水体产生的恶臭 气体为治理对象。通过实验前的监测报告可知，其恶臭气污染体的主要特征污染 物为硫化氢，具有臭鸡蛋气味，为典型的气田水池水体恶臭，代表性强。 2.1　实验范围与对象 72 号气田水池为多个气田水集中回注的前处理池，池体由 3 个相同尺寸的小 水池构成，每个小水池表面积为 20 m2，深 2.5 m，3 个小池的总容积为 150 m3。 水池没有完全密闭。在密封盖设置了一根 12 米高的 DN150 立管，用来排出水池 中产生的气体，防止水池压力高不安全。夏季时环境空气中硫化氢含量高达 0.237 mg/m3， 确有必要采取治理措施实现真正意义上的除臭。 2.2　现有技术评价 根据气田水恶臭的特征污染物及其特征，目前有 3 种较适合的技术，燃烧法、 碱洗法和隔绝法。燃烧法即恶臭气体收集后进入放空管与燃料气充分混合，实现 完全燃烧的处理方法，净化效率高。该技术工艺简单，操作方便，但是会造成能 源浪费。碱洗法是将恶臭气体通过风机输送，经强吸装置后使硫化氢与 Na2O3 反 应，消除气体中的硫化氢后排放。碱洗法的优点是运行效果较好、无二次污染， 缺点是维修成本较高，消耗药剂和电能，运行费用过高，不宜大面积推广应用。 表面隔绝法则采取隔绝措施大幅度减少气田水池中恶臭气体的产生，但由于未对 产生的少量恶臭气体进行处理，因此水池周边仍有恶臭。 除上述 3 种方法外，针对硫化氢治理还有干法脱硫技术，即采用氧化铁脱硫 剂与硫化氢反应消除硫化氢气体。该方法在气田水恶臭治理上没有实际应用。 2.3　方案思路 72 号气田水池的恶臭程度表明，当气田水管线向水池内输转水时恶臭最严重， 因为转水时水池中的水体在短时间内产生大的振荡，大量硫化氢气体挥发到空气 133 第四部分　学生论文 中。水池中液面与密封板之间有距离，存在硫化氢气体挥发的通道。再者，通过 立管排放的恶臭气体没有经过处理，恶臭气味严重。 72 号气田水池的恶臭治理方案包含 3 个方面，一是减少转水期间水体振荡状 态下的硫化氢产生量；二是减小水体与空气的接触面积，通过减小硫化氢的挥发 通道减少挥发量；三是对少量挥发出的硫化氢气体进行处理。 2.4　工艺措施 根据治理方法原理，复合型气体治理技术的工艺措施主要包括进水管优化、 亲水表面隔绝和干法脱硫 3 个方面。图 1 为复合型气体治理技术原理示意图。 脱硫装置 放散管 呼吸孔 进水管 排水管 挡水板 涂有表面活性剂的泡沫 图 1　复合型气体治理技术原理示意图 （1）进水管优化 为杜绝水流直接与空气接触，将进水管延长，保证进水管出口淹没在水中， 从而避免水流进入水池过程中挥发恶臭气体。同时进水管出口上端设置有挡水板， 减弱进水对池内水体的冲击，降低振荡，避免恶臭气体挥发。 （2）亲水表面隔绝 用亲水剂喷涂在 PE 泡沫上形成亲水表面，亲水表面与水池周边墙面不完全接 触，漂浮在水面上。亲水表面遮挡水池表面积的 98% 以上，形成隔绝层，堵住了 气体进入空气的通道，从而大幅度减少恶臭气体的逸出量。 134 小学科学 + 生活融合实践研究 （3）余气净化 本次实验治理的对象是气田水池中挥发出的硫化氢气体，净化装置的作用是 通过工艺措施消除硫化氢气体，采用了干法脱硫工艺，其反应方程式如下。 Fe2O3·H2O+3H2S ＝＝＝＝Fe2S3·H2O+3H2O 池体表面用水泥板密封，设置气体放散管，放散管接入净化装置。净化装置 设置 3 个独立的存储腔，存储腔内填充有脱硫剂，通过化学反应达到消除硫化氢 的目的。旋转净化装置可以让不同的存储腔与放散管连接，在持续脱硫的同时实 现更换脱硫剂作业。净化装置各个腔室与放散管连接部分采用充气式软密封装置， 具有较好的密封效果。 3　实验过程 2019 年 5 月形成了技术方案并绘制了净化装置的设计图纸，7 月完成了相关 物资和材料的准备，8 月进行了现场实验前的准备工作，并做了水池内和周边环境 空气的背景值监测，9 月开展了实验措施实施，10 月进行实验后气体监测。 3.1　实验准备 3.1.1　进水管优化改造 水池原有 3 根进水管，其中两根为金属材质、一根为 PV 管，分别距离池顶 20 cm。当水流进入水池时，水池在空气暴露时间长，恶臭气体产生量大。本次实 验将 3 根进水管分别延长到距池底 0.5 m 处。当实验进行时，正常水位高于 0.5 m， 从而保证进水管出水口低于液面，如图 2 所示。 图 2　进水管优化现场图 135 第四部分　学生论文 3.1.2　亲水表面的制作与安装 在长方体 PE 泡沫（200 cm×100 cm×5 cm）6 个表面均喷淋亲水处理剂并 晾干（喷淋不与水接触的表面是为了防止在黏接过程中出错），如图 3 所示。 图 3　亲水泡沫喷涂与晾晒 将晒干的泡沫拿到污水池内再粘贴为一个整体；为保证泡沫在水中不因水体 冲击造成粘接处脱落，在每块泡沫的连接处进行了拉筋处理，即在连接处上面位 置增加了宽 10 cm 的条状泡沫二次连接。 对水池各壁面有水管的位置进行测绘，在泡沫相应位置进行了标注，并用刀切 割了水管对应的位置，以保证泡沫与水池的完全吻合，从而保证泡沫承池内水位的变 化而上下浮动，实现泡沫与水体的绝对接触。如图 4 所示，拼接后的泡沫成整块状。 图 4　拼接后的亲水泡沫 3.1.3　净化装置的设计与安装 首先用 CAD 软件绘制了净化装置的详细加工图，通过机械厂加工为成品，如 图 5 所示。 136 小学科学 + 生活融合实践研究 图 5　净化装置成品图 当净化装置加工完成后，其上下端通过设置的法兰盘，下端连接水池放散管， 上端连接放空管线。当装置安装完成后，向装置内存储腔内填充了脱硫剂，保证 气体通过时消除硫化氢，如图 6 所示。 图 6　净化装置安装与填充脱硫剂 3.2　实验监测 监测分为两个阶段，第一个阶段为背景值监测，即在对水池没有任何改动的 情况下对水池内和环境空气中的硫化氢含量进行监测。第二个阶段为实验改造后 对水池内和环境空气中的硫化氢含量进行监测。 测量过程与结果 2019 年 10 月进行了实验后的池内和环境空气中硫化氢的监测，监测方法为 137 第四部分　学生论文 亚甲基蓝法。监测水池内硫化氢含量时，将大气采样器进样口连接的软管通过观 察孔伸入气田水池内进行气体采样。 监测环境空气中硫化氢含量时，以气田水池为主要污染源，根据主导风方向， 环境敏感点选择气田水池放散管下风向 25 m 处。实验前后各监测 3 组数据，监测 结果见表 1、表 2。 表 1　气田水池池内实验前后硫化氢监测结果 硫化氢含量 /（mg·m-3） 平均值 /（mg·m-3） 下降率 /% 备注 实验前 实验后 0.316 0.026 0.364 0.026 92.8 水体静止0.393 0.026 0.384 0.027 28.8 0.027 27.4 0.769 97.2 转水状态26.7 0.89 26.6 1.39 表 2　气田水池放散管下风向 25 m 处硫化氢监测结果 硫化氢含量 /（mg·m-3） 平均值 /（mg·m-3） 下降率 /% 备注 实验前 实验后 0.036 未检出 0.040 未检出 100 水体静止0.042 未检出 0.041 未检出 0.237 0.004 0.232 0.006 97.4 转水状态0.232 0.006 0.226 0.008 根据监测结果，实验前气田水池内硫化氢含量为 0.316~28.8 mg/m3，环 境空气中硫化氢含量为 0.036~0.237 mg/m3。实验后气田水池内部气体中硫 化氢含量为 0.026~1.39 mg/m3，环境空气中硫化氢含量最低未检出，最高为 0.008 mg/m3。根据实验人员现场反馈，实验前场站具有严重的恶臭气味，实验 后转水时具有轻微的恶臭气味，水池内水体相对静止时没有恶臭气味。 138 小学科学 + 生活融合实践研究 3.3　实验结论 ①技术设计合理，各类装置运行正常。选择的进水管优化和亲水表面覆盖方 法有很好的效果，降低了水池内的硫化氢挥发量，净化装置更换药剂方便。 ②技术除臭效果好，适用性强。该技术实现了气田水池产生的气体达标排放， 适用于各种浓度的气田水池。同时可以根据恶臭程度定制不同尺寸的净化装置， 该技术投资在 10 万元以内，无须人员值守和日常维护，具有很强的适应性，特别 适用于周边环境敏感的各类生活污水池和工业废水池。对于其他不同组分的恶臭 气体，通过在净化装置中填充不同的处理药剂，同样可以实现除臭的目的。 3.4　存在问题与原因 72 号气田水池开展实验后在水体动荡时仍有轻微的恶臭气味。一是恶臭气体 的组成较复杂，本次治理仅针对硫化氢等含硫物质，因而恶臭气体未能全部消除； 二是 72 号气田水池因其他原因未实现完全密封，部分气体通过缝隙挥发到大气中； 三是没有排风装置，排放速度慢，随着池内气体浓度的增大，恶臭气体通过缝隙 到达地面，环境空气中的恶臭程度增加。 3.5　改进措施 为保证消除多种物质组成的恶臭气体，对净化装置进行优化，将装置腔室在 纵向上进行分层，增加活性炭和其他可以消除恶臭物质的多孔吸附介质，最大程 度减少恶臭物质的外排；除气田水池观察孔采取软密封外，其他区域均采取混凝 土和复合材料密封；在净化装置前端设置管道排气扇，以保证排水时将恶臭气体 引入处理装置。 4　收获与总结 通过本课题的研究，让我对具体问题的分析与解决能力有了较大的提升。同 时也极大地加深了我对环境保护的认识和了解。我们的生活与环境有密切的联系， 在以后的生活中要爱护环境、实现与环境的和谐共处。 回顾本课题涉及的工艺措施，亲水表面隔绝是成熟的技术措施。本课题的创 新在于对亲水管的优化和余气净化，其中进水管的优化是为了杜绝水进入水池阶 段的气体挥发，实验证明具有可行性。余气净化是在对气田水池周围空气质量仔 139 第四部分　学生论文 细分析后，结合硫化氢气体的特点提出来的，实验证明实施该措施后具有较好的 效果。 但是由于气田水池中恶臭气体的组分复杂，加之实验条件的不完善，因此实 验结果并不是 100% 的理想，这也正是科学研究吸引人的地方。只有通过不断地 分析和完善，才能真正地解决问题。也只有通过不断的努力探索，才能不断提高 自己的理论水平和解决实际问题的能力。在科学研究的大道上，我们有太长的路 要走。 5　致谢 感谢重庆环境节能监测中心提供了 72 号气田水池的技术资料和监测技术服务， 提供中国知网的论文下载、场地和物资投入。感谢老师们的支持和指导，让我们 顺利完成了课题设计并形成了技术方案，协助我们完成了净化装置设计。感谢爸 爸妈妈，是他们的支持和鼓舞给了我足够的信心完成整个课题研究。 参考文献： ［1］赵宏，张明鑫，罗倩，等 . 气田水池恶臭治理技术优选及效果评价［J］. 油气田环境保护，2016，26（2）：23-26. ［2］ 张洪 . 污水处理厂的恶臭污染控制技术［J］. 污染防治技术，2008，21（4）： 81-83. ［3］宋彬，李静，高晓根 . 含硫气田水闪蒸气处理工艺评述［J］. 天然气工业， 2018，38（10）：107-113. ［4］马兴冠，马莹 . 含硫恶臭气体处理方法的研究进展［J］. 辽宁化工， 2011，40（3）：249-251，256. （第 35 届重庆市青少年科技创新大赛江北区选拔赛研究论文三等奖， 指导教师：张文静）