Следующим шагом становится определение списка целевых пахучих веществ, их концентраций, массового выброса и необходимой степени очистки. В мире существуют разные подходы. Например, многие страны используют ольфактометрию, в которой определяется необходимая степень разбавления воздуха для полного исчезновения запаха. Данный метод не позволяет определить состав газа и концентрацию каждого вещества, а определяет лишь степень разбавления газа до уровня, при котором запах не ощущается. Концентрация запаха измеряется в единицах запаха на 1 м³ (odour unit/m³, OU/m³). Для таких измерений уровня запаха используются полевые или лабораторные ольфактометры. Полевые ольфактометры обеспечивают разбавление измеряемого воздуха чистым непосредственно на сооружениях, но точность в этом случае небольшая. Такой подход популярен в Северной Америке. В то же время в США на федеральном уровне ольфактометры не признаются в качестве нормативной методики, и их применение относится к компетенции отдельных штатов. В Европе более популярны лабораторные ольфактометры, работающие с заранее отобранными образцами и тестируемые контрольной группой людей, специально отобранной с расчетом на их средний уровень обоняния. Эта методика принята в качестве норматива в странах Евросоюза. Использование данной методики позволяет точно измерить уровень запаха, однако этот подход имеет ряд недостатков. В частности, измерение определяет лишь наличие запаха и не говорит о его качестве. Например, использование одорантов, маскирующих запах, на практике может помочь снизить жалобы населения. Но с точки зрения ольфактометрии уровень запаха не изменится. Таким образом, ольфактометрия остается предметом дискуссий, и в настоящее время разные страны решают вопрос, исходя из текущей ситуации на объектах и вокруг них. В Российской Федерации в настоящее время измерение уровня запаха ольфактометрическим способом нормируется ГОСТ 32673-2014 «Правила установления нормативов и контроля выбросов дурнопахнущих веществ в атмосферу», но на практике из-за сложности трактовки результатов используют контроль согласно нормам предельно-допустимых выбросов по конкретным веществам, способы измерения концентраций которых гораздо более просты и очевидны.
В случае очистки хозяйственно-бытовых стоков состав дурнопахнущих веществ относительно стабилен, и в качестве индикаторного показателя могут выступать концентрации сероводорода, аммиака и меркаптанов. Если система газоочистки хорошо удаляет эти вещества до принимаемого в каждом конкретном случае уровня, то это соответствует отсутствию дурнопахнущих веществ в целом на границе санитарно-защитной зоны. При этом технические решения очистки воздуха должны быть комплексными и многостадийными [3].
На действующих очистных сооружениях перед выбором систем очистки воздуха обязательно проводятся замеры концентрации сероводорода, аммиака и других целевых веществ. Поскольку в течение дня концентрация растворенных в воде ДПВ сильно меняется, измерения должны проводиться непрерывно в течение нескольких суток. Это делается для определения среднесуточного массового выброса, а также максимальных пиковых и средних значений концентрации ДПВ. Особую сложность представляют замеры на еще не перекрытых участках сооружений, так как после перекрытия более ранних по схеме участков обработки стоков концентрация ДПВ на следующих открытых участках может вырасти более чем в 10 раз. Для эффективного измерения эмиссии с открытых источников рекомендуется применение ветрового тоннеля или аналогичных систем, позволяющих перекрыть часть поверхности источника, подавать туда с определенной кратностью чистый воздух и определять концентрацию ДПВ на выбросе из «тоннеля» [4].
После определения необходимых расходов воздуха и концентраций ДПВ выбирают оптимальную технологию газоочистки. Широко распространена очистка воздуха адсорбентами на основе активированных углей (АУ), позволяющими удалять широкий спектр органических и неорганических загрязнений практически до нуля в начальный период. Пропитка углей импрегнирующими добавками позволяет увеличить адсорбционную способность по конкретным целевым веществам. Универсальных импрегнантов не существует, поэтому производители предлагают широкий ряд адсорбентов, предназначенных для удаления конкретных веществ: сероводорода, аммиака, других кислых или щелочных газов, формальдегида, ртути. При этом емкость угля по другим, не целевым веществам, снижается, поскольку импрегнант занимает часть поверхности угля.
Широкое применение активированного угля ограничено его высокой стоимостью. Типичная емкость по сероводороду обычного активированного угля (АУ) составляет до 10% по массе (1 кг засыпки может поглотить до 100 г сероводорода). Для импрегнированного угля она составляет до 20% по массе. Кроме этого, некоторые производители предлагают адсорбционные засыпки повышенной емкости (до 50%) по массе, изготовленные с добавлением перманганата калия, оксида алюминия и других веществ. Стоимость таких засыпок в 5-10 раз выше, чем у обычного АУ, но их применение позволяет реже обслуживать адсорберы. Также нужно учитывать, что в условиях очистных сооружениях в воздухе присутствует не только сероводород, но и органические загрязнители. Их концентрация обычно в 2-3 раза выше, чем концентрация сероводорода, поэтому их поглощение снижает адсорбционную способность АУ по сероводороду в 2-3 раза. При этом известно, что утилизация загрязненного вредными и дурнопахнущими веществами активированного угля зачастую становится проблемой для эксплуатирующих организаций.
Высокая эффективность адсорбции пахучих веществ на активированном угле часто делает его оптимальным решением для финишной очистки или доочистки воздуха (с концентрациями сероводорода до нескольких мг/м³) или для работы при небольших расходах воздуха (менее 300-1000 м³/ч). Однако при больших концентрациях ДПВ традиционно используются более дешевые технологии грубой предварительной очистки воздуха. Классическим решением данной задачи являются химические скрубберы. Хотя и реакции в скруббере идут относительно медленно, что приводит к значительным габаритным размерам установки. Очищаемый воздух последовательно пропускается через кислотное и щелочное орошение для удаления разных типов ДПВ, что делает оборудование весьма громоздким. Типичная эффективность очистки воздуха скруббером составляет 50-70%. В условиях умеренного климата с отрицательными зимними температурами воздуха обязательно требуется подогрев линий водоснабжения и водоотведения скруббера.
Вариантом реализации химических скрубберов являются перекисные скрубберы для удаления сероводорода. В этом случае в щелочной скруббер добавляется перекись водорода, что позволяет увеличить скорость реакции и уменьшить размеры реактора. Кроме того, продуктом реакции в данном случае становится сульфат натрия, который проще утилизировать, нежели традиционный сульфид натрия. Такие установки, например, испытывались в Австрии [5]. Скрубберы эффективно работали, однако расходы на их содержание (реагенты) оказались достаточно высоки и технология не получила широкого распространения. Кроме того, используемая перекись водорода пожароопасна и требует специальных условий хранения (температура окружающего воздуха не выше 30°С, что требует дополнительных мер предосторожности в летний период). Поэтому данный метод не получил широкого распространения.
Скрубберная технология хорошо отработана и известна в мире. Главным недостатком данного подхода остается высокий расход химических реагентов, который приводит к значительным эксплуатационным затратам, и утилизация шлама становится все дороже по мере ужесточения экологических требований. Также в скрубберной технологии предъявляются высокие требования к квалификации обслуживающего персонала, к поддержанию сложного реагентного хозяйства. Все эти причины в совокупности с невысокой эффективностью очистки приводят к постепенному вытеснению химических скрубберов более современными технологическими подходами.
Примером совместного использования скрубберной и адсорбционной технологии являются очистные сооружения канализации г. Нью-Йорка (США). В Нью-Йорке в 1990-х годах была проведена программа модернизации, в рамках которой очистные сооружения оборудовались химическими скрубберами и адсорберами. Всего для Нью-Йорка было установлено 109 адсорберов, размещенных на 12 станциях очистки сточных вод. Рассмотрим типичную схему, использованную на очистных сооружениях North River Water Pollution Control Plant (рис. 3). Данные сооружения спроектированы на расход воды 640 тыс. м³/сут.
Общий расход очищаемого воздуха на сооружениях North River составляет 1 млн. м³/ч. Система очистки воздуха разделена на три группы, каждая из которых обслуживает часть сооружений. Например, Северная группа рассчитана до 500 тыс. м³/ч воздуха. Эта группа состоит из восьми блоков, причем в штатном режиме шесть блоков работают, а два остаются в резерве.
Каждый блок очистки воздуха на очистных сооружениях North River состоит из предварительной очистки щелочным скруббером и доочистки активированным углем. В скруббере происходит реакция сероводорода с гипохлоритом натрия. Для повышения pH среды добавляется гидроксид натрия. Ежедневный расход раствора гидроксида натрия зависит от концентрации ДПВ и составляет от 1,5 м³ до более чем 8 м³ в сутки только для Северной группы. При этом гидроксид натрия в основном расходуется на побочную реакцию с углекислым газом. Закупка реагентов для скруббера вносит существенный вклад в общие эксплуатационные расходы на содержание всей станции.
Адсорберы для финишной очистки воздуха установлены после щелочных скрубберов. Каждый адсорбер рассчитан на расход воздуха 20 тыс. м³/ч и содержит 11 тонн активированного угля. Диаметр адсорбера — 3,7 м, высота — около 4 м. Засыпка разделена на два слоя высотой по 0,9 м каждый. Очищаемый воздух подается посередине между слоями. Половина потока воздуха идет через верхний слой, а половина через нижний для снижения потерь напора. Количество поглощенного углем сероводорода составило не более 3% от веса засыпки после 3,5 лет эксплуатации [6]. Средняя концентрация сероводорода на входе в адсорбер составляла 0,2 мг/м³, что почти в 100 раз ниже концентраций, характерных для ОСК в России и странах СНГ (такая высокая производительность по очищаемому воздуху — 1 млн. м³/ч и низкие концентрации сероводорода, по всей видимости, связаны с тем, что воздух рабочих зон смешивается с общим объемом воздуха над всеми закрытыми сооружениями (см. рис.3).
Низкая концентрация сероводорода позволила производить замену активированного угля 1 раз в 4-6 лет. Обычно же на подобных адсорберах замена угля производится гораздо чаще: от одного до четырех раз в год.