污水处理厂微生物气溶胶释放与减排控制研究

20250116

水利、环境和公共设施管理业

本研究搭建卡鲁塞尔氧化沟小试平台，探究污水生物处理过程中微生物气溶胶的关键影响因子。研究目标设置为污水处理过程中释放的细菌、真菌和金黄色葡萄球菌气溶胶，影响因子包括曝气强度（1.5 L/min，2.0 L/min，2.5 L/min）、污泥浓度（2000 mg/L，3000 mg/L，4000 mg/L）和水力停留时间HRT（18 h，24 h，30 h），并设置两个采样高度，分别为距离氧化沟水面0.1m和1.0m，探究不同运行参数微生物气溶胶的释放规律，然后利用响应曲面法计算最优运行参数和气溶胶释放公式，对污水处理工艺提出基于过程减量的最佳运行参数范围和操作要求。 通过微生物气溶胶的单因素试验和响应面Box-Behnken中心组合试验，得到了细菌和真菌气溶胶浓度随曝气强度、污泥浓度和水力停留时间HRT的变化规律和释放公式，并且可以得到一定影响因子范围内细菌和真菌气溶胶的实测最值和模拟最值。研究发现，细菌气溶胶浓度实测和模拟的最小值处曝气强度和HRT的取值存在较大差异，但在最大值处各影响因子取值相差不大且模拟值可信度达100%，说明细菌气溶胶模型在较小的曝气强度和HRT范围内对于细菌气溶胶的影响不显著，该模型更适用于在曝气强度和HRT较大时使用。因此，对于污水处理过程中氧化沟工艺控制细菌气溶胶释放的建议运行参数选取实测最小值时的数据，即曝气强度2.0L/min（即对于单位污水曝气量为20 L·min-1·m-3），污泥浓度2000mg/L,水力停留时间HRT18h。真菌气溶胶浓度实测与模拟的最小值处HRT存在较大差异，最大值则曝气强度存在较大差异，因此根据单因素试验规律，氧化沟工艺控制真菌气溶胶释放的建议运行参数为曝气强度1.5L/min（即对于单位污水曝气量为15L·min-1·m-3），污泥浓度2000mg/L,水力停留时间HRT18h。 通过试验获得控制微生物气溶胶释放的最佳运行参数，这对污水处理厂保证污染物去除效果的同时控制微生物气溶胶污染具有重要意义。例如当细菌气溶胶浓度忽然升高时，可以通过检查曝气强度和污泥浓度进行溯源，并通过调整曝气量和回流污泥量控制细菌气溶胶释放。但值得注意的是，本研究是基于一定范围内曝气强度、污泥浓度和水力停留时间HRT建立模型函数获得了最优运行参数，对于更大范围和其它工艺微生物气溶胶释放的解释目前具有普适性，因此后续需要扩大研究范围和影响因素进一步试验，目前科技成果转化仍处于研发阶段。

本研究团队在污水处理厂微生物气溶胶过程减量上取得了阶段性成果，具体体现在兼顾污水处理系统效率、经济性和微生物气溶胶释放量最低的同时，提出基于过程减量的最佳运行参数范围和操作要求。我们相信，通过合理的资源配置和科学的产业化路径，该项成果将在水资源保护和大气污染控制方面带来深远影响。为了实现科技成果的成功转化，我们需要从资金、场地、设备、人员等多方面获得支持。以下是我们的具体需求。 1．资金需求，资金是推动科技成果转化的关键动力。我们预计项目在未来三年内的总投资需求为30万元。资金主要用于以下几个方面： （1）技术优化与适配：包括技术细化、原型设计与实验，占总投资的40%； （2）生产建设：用于生产线的建立和完善，包括设备购置与安装、运行工艺调试等，占总投资的30%； （3）人才引进和培养：约占总投资的30%。 我们希望合作方能够提供必要的资金支持，形式可以包括直接投资、联合申请政府资金支持、协助融资等。我们也愿意就具体的股权结构、利润分配等问题进行深入讨论，以确保双方利益的平衡。 2.场地需求，科技成果的产业化需要适宜的场地支持。我们对于场地的具体要求如下： （1）研发与中试场地：面积约为60平方米，用于技术的中试、验证和优化； （2）办公场地：面积约为20平方米，用于中试运行和项目研发。 我们希望合作方能提供符合要求的场地，或者协助我们寻找合适的场地资源，确保场地具备水、电、气等基础设施。 3．设备需求，先进的设备是确保生产效率和产品质量的基础。我们对设备的主要需求包括： （1）研发设备：用于支持样品采集和技术开发的专业仪器，如大气颗粒物采样器、菌落计数仪等； （2）生产设备：包括水质检测仪器、气态污染物检测仪器等，符合行业标准和生产需求。 我们希望合作方能在设备方面提供支持或协助采购，确保设备能够满足生产和研发的需要。 4.人员需求，高素质的人才是推动科技成果转化的关键。我们期待与合作方在人员方面展开合作，具体需求包括： （1）生产管理人员：熟悉生产管理和质量控制，确保研发的顺利进行； （2）行政管理人员：支持项目的日常运营和管理协调。 我们希望合作方能够协助招聘或派遣相关专业人员，与我们的团队共同组成一个高效的合作团队。

仅限国内转让

本科技成果转化项目预期将在多个方面产生显著的综合效益，为经济发展、社会进步、环境保护和科技创新做出重要贡献。首先，就经济效益而言，项目有望实现可观的直接经济回报。通过优化工艺运行参数，可以节约工艺运行消耗的能源和电源，同时降低了末端除臭压力，进而降低除臭费用。 在社会效益方面，项目将为就业做出重要贡献。能够创造就业岗位，间接带动就业人数。更重要的是，项目将成为高素质人才培养的重要平台，通过高校合作、开展职业培训等方式，提升从业人员的专业技能和创新能力。此外，项目还将在改善民生方面发挥积极作用。降低空气污染的同时降低了污水处理厂工人和周边居民的健康风险。 环境效益是本项目的一个重要亮点。通过优化工艺参数，每年都可以节约能源，减少电源消耗。在污染物减排方面，项目将实现微生物气溶胶减排，进一步实现COD降解和脱氮除磷，满足国家和行业标准。更重要的是，项目的实施将推动整个行业向绿色、节能方向转型，对改善区域生态环境、应对新污染物威胁具有示范意义。 在科技创新方面，本项目将在微生物气溶胶原位控制技术上取得多项关键技术突破，填补国内空白，部分技术有望达到国际领先水平。预期申请发明专利5项，其中2项有望获得授权。这些创新成果将极大地提升我国在该领域的技术实力和话语权。同时，项目成果有望补全小尺度空间微生物气溶胶排放标准的空白，引领行业技术进步。通过产学研合作，项目还将促进科研成果的转化和应用，打造产学研一体化的创新生态系统。 展望未来，本项目具有良好的可持续发展能力。一方面，项目建立了持续创新的机制，将不断推出新技术、新方案，保持市场竞争力。另一方面，项目注重人才培养和技术积累，为长期发展奠定基础。 综上所述，本科技成果转化项目预期将在经济、社会、环境和科技创新等多个维度产生积极深远的影响。它不仅将为企业带来可观的经济回报，也将为行业发展、民生改善和环境保护做出重要贡献。我们相信，随着项目的成功实施和持续发展，它将成为蓝天碧水保卫战的重要力量，为推动科技创新、促进经济社会可持续发展贡献力量。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本课题针对城市污水处理厂微生物气溶胶污染问题进行探究，通过Andersen采样器和大气颗粒物采样器对北京市四座典型工艺（A/O、SBR、氧化沟和地下式多级A/O）城市污水处理厂各处理单元微生物气溶胶释放情况进行了长期监测。深入分析时间和空间尺度上微生物气溶胶浓度释放特征、粒径释放特征和菌群释放特征发现，污水处理厂微生物气溶胶空间释放特征表现为预处理单元＞生物处理单元＞深度处理单元、污泥处理单元＞生物处理单元，即随着污水处理的逐渐深入，总微生物气溶胶浓度逐渐减少；对于微生物气溶胶年平均粒径分布情况为，真菌气溶胶粒径集中于1.10~4.70 μm，而细菌和放线菌气溶胶粒径分布无明显规律；污水处理厂各处理单元微生物气溶胶浓度在时间尺度上表现为春夏季节高于秋冬季节，并且冬季对于微生物气溶胶的削减效果较为明显；污水处理厂微生物气溶胶中检测到多种致病菌属，如不动杆菌属（Acinetobacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）等。通过暴露风险评价模型对人体健康风险进行了评估，发现呼吸吸入是污水处理厂微生物气溶胶威胁人体健康主要暴露途径，且成年男性暴露风险高于成年女性。 针对典型生物处理过程，通过小试探究了影响微生物气溶胶释放的关键运行参数，构建了释放公式。通过响应面分析确定了污泥浓度对微生物气溶胶释放的影响最为显著（P＜0.0001），并且通过模型得到了微生物气溶胶释放浓度最低时运行参数的最优解。本研究为城市污水处理厂微生物气溶胶污染特征和影响因子研究提供基础数据，为原位调控运行参数控制微生物气溶胶释放提供策略。