城市固體廢物處理處置設施惡臭污染評估指標體系研究

趙 巖,陸文靜,王洪濤,段振菡(1.北京師范大學環境學院,北京 100875；.清華大學環境學院,北京100084)

城市固體廢物處理處置設施惡臭污染評估指標體系研究

趙 巖1*,陸文靜2,王洪濤2,段振菡2(1.北京師范大學環境學院,北京 100875；2.清華大學環境學院,北京100084)

基于惡臭物質的嗅閾值,建立了針對城市固體廢物處理處置設施的惡臭污染評估指標體系,重點包括基于閾稀釋倍數的理論臭氣濃度及其計算方法,指標惡臭物質的篩選方法,以及反映嗅覺感受的臭氣指數及其計算方法等.并通過生活垃圾填埋場和中轉站惡臭物質監測結果,展示了該指標體系在固體廢物處理設施惡臭污染評估中的應用,為惡臭污染的預測,模擬與評估提供了定量化的科學方法.

惡臭污染；評估指標；閾稀釋倍數；嗅閾值；固體廢物處理

我國城市固體廢物的產生量逐年增加,2011年全國城市生活垃圾清運量為1.64億t[1],而餐廚廢物年產生量已達到3000萬t以上,污水廠污泥每年產生量也近4000萬t(含水率80%).這些城市固體廢物通常具有有機物含量高、含水率高等特點,特別是含有淀粉、蛋白、油脂等易腐敗的有機質,在收集、轉運、貯存、生化處理、填埋等處理處置過程中均會產生大量惡臭氣體.

惡臭是各種氣味(異味)的總稱,凡是能產生令人不愉快感覺的氣體通稱惡臭氣體.惡臭氣體是對人體健康和感官刺激產生直接影響的重要污染物,嚴重影響人群感受、人體健康和環境安全[2].垃圾中轉站、填埋場、堆肥廠、含焚燒廠的綜合處理場及污水廠污泥處理設施等,均是城市惡臭的重要污染源,屢遭公眾投訴甚至造成公眾事件,也是惡臭相關研究的重點[3-5].

我國現行的《惡臭污染物排放標準(GB 14554-1993)》[6]控制的惡臭物質只有8種,即氨、三甲胺、硫化氫、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳、苯乙烯.但相關研究表明,生活垃圾產生的惡臭物質多達4000余種,分為含硫化合物、含氮化合物、鹵素及衍生物等五大類.Schuetz等[7]和Dincer等[8]分別在生活垃圾填埋場中檢出37種和 53種惡臭物質,王連生等[9]在生活垃圾轉運站、焚燒廠、填埋場等不同處理設施檢測出的嗅味物質多達 94種.張紅玉等[10]在生活垃圾堆肥過程中檢測到50種惡臭物質.

鑒于惡臭污染帶來的不良影響,日本、美國等發達國家均投入了對惡臭檢測、控制、評價、法規等方面的研究.目前,惡臭污染方面的研究大多針對污水處理廠、垃圾填埋場及家禽養殖場屠宰廠等場所的惡臭污染,重點考慮其對周邊居民及環境的影響[11-14].

惡臭物質種類眾多,影響程度不一,對其進行監測、控制和影響評估帶來了極大困難.對惡臭污染進行科學評估,是更有針對性地建立其監測和控制技術的重要前提,國內研究者在這一領域也開展了大量工作,但尚未形成系統科學的評估方法[15-16].固體廢物處理處置設施惡臭物質種類更加復雜、影響人群更大,對其進行定量化評估更加困難.本研究針對城市固體廢物處理處置設施,建立其惡臭污染評估指標體系,能夠為相關設施的惡臭污染評估、監測、模擬和控制奠定理論基礎.

1 惡臭污染的表征參數

惡臭物質主要刺激人的嗅覺器官,主要有以下幾項基本參數對其進行表征,是惡臭污染評估指標體系建立的基礎.

1.1 嗅閾值

針對某種惡臭物質,能夠引起嗅覺的最小物質濃度稱為嗅閾值.一般分為以下兩種:檢知閾值:是指能夠勉強感到有氣味而很難辨別種類時的物質濃度;確認閾值:是指能夠準確辨別出是什么氣味時的物質濃度.如非特別指明,通常所說的嗅閾值是指檢知閾值.

本研究調研總結了美國環保署(US EPA)和日本環保署(JP MOE)對惡臭物質嗅閾值的研究成果[17-18],明確了262種常見惡臭物質的嗅閾值,篇幅所限在表1中列出其中有代表性的32種惡臭物質的嗅閾值.可以看出,美國環保署和日本環保署提供的部分惡臭物質的嗅閾值數據存在一定差異,主要由于其分別采用嗅覺分析儀和三點比較式臭袋法.由于我國對惡臭物質標準分析方法與日本相同,因此在嗅閾值有差異時推薦使用日本環保署的測定值.

1.2 臭氣濃度與臭氣強度

臭氣濃度是指用清潔空氣稀釋惡臭樣品直至樣品無味時所需的稀釋倍數.臭氣濃度與惡臭物質的濃度不同,前者采用稀釋倍數的方法表征惡臭污染對人的嗅覺刺激程度;而惡臭物質濃度是表征單位體積空氣中惡臭物質質量的物理量.

臭氣強度指惡臭氣體在未經稀釋時對人體嗅覺器官的刺激程度,我國一般采用六級強度測試法,表示數字為0～5,其中0級為無臭,臭氣越濃烈,數字越大[2].

表1 典型惡臭物質的嗅閾值Table 1 Odor threshold of typical odorants

1.3 閾稀釋倍數

閾稀釋倍數是指惡臭氣體中某種惡臭物質的物質濃度除以該成分的嗅閾值濃度所得結果.閾稀釋倍數的意義在于:混合惡臭氣體中,惡臭物質的閾稀釋倍數越高,其在臭氣中的貢獻值就越大,因此,造成該臭氣污染的主要物質不是物質濃度最高的惡臭物質,而是閾稀釋倍數最大的惡臭物質.

2 惡臭污染的評估指標體系

關于臭氣濃度與閾稀釋倍數的關系,目前有兩種計算方法:一是認為惡臭氣體的臭氣濃度,等于各成分的閾稀釋倍數的總和,簡稱總和模型法,臭氣濃度=Σ(各成分閾稀釋倍數);另一種認為惡臭氣體的臭氣濃度等于各成分的閾稀釋倍數的最大值,簡稱最大值模型法,臭氣濃度=Max(各成分閾稀釋倍數).通常在惡臭污染控制工程中,更關注后者.

由于臭氣濃度是嗅覺方法判定的物理指標,受測試人員等不確定因素影響較大,但能夠更直接地反映嗅覺感受;而閾稀釋倍數是通過數學計算的物理指標,科學性和準確性更高,但可能與嗅覺感受不完全一致.臭氣濃度需實際采樣并測定,難以直接應用于相關預測、模擬或評估;而閾稀釋倍數則可基于嗅閾值建立其與物質的濃度間的線性關系,能夠應用于惡臭物質的產生、遷移、擴散的預測、模擬和評估.因此,本研究提出建立基于閾稀釋倍數的惡臭污染評估指標體系.

2.1 惡臭污染評估指標

本研究提出,采用閾稀釋倍數作為單一惡臭物質的污染評估指標,其計算方法如式(1):

式中:iD為第 i種惡臭物質的閾稀釋倍數,無量綱;iC為第 i種惡臭物質的物質濃度,×10-6或 mg/L;為第i種惡臭物質的嗅閾值, ×10-6或 mg/L.

采用基于閾稀釋倍數的理論臭氣濃度作為惡臭污染的綜合評估指標,其計算方法綜合了總和模型法和最大值模型法,具體方法如下:

(1) 對于某樣品中的全部惡臭物質,記為m種,分別測定其物質濃度 Ci;

(3) 忽略閾稀釋倍數 Di<1的惡臭物質,大量研究表明閾稀釋倍數低于 1的物質幾乎不造成惡臭污染;

(4) 對于閾稀釋倍數 Di≥1的惡臭物質,按照閾稀釋倍數由大到小排序,分別記為 D1～ Dm;

(5) 從閾稀釋倍數最大值 D1開始,比較相鄰惡臭物質的閾稀釋倍數 Di與 Di+1,直至n+1項與第n項比值<5%時停止;

(6) 對前n項惡臭物質的閾稀釋倍數做總和模型法,如式(2)所示,即得到樣品的理論臭氣濃度 OUT.

利用這一方法確定的理論臭氣濃度,一方面考慮了閾稀釋倍數較大的惡臭物質對惡臭污染的貢獻,另一方面其與惡臭物質的濃度呈線性關系,可替代數十甚至上百種惡臭物質的濃度,參與惡臭污染的遷移、擴散等預測與模擬的計算.此外,作為一項惡臭污染的綜合評估指標,能夠實現不同樣品間惡臭污染水平的定量化比較,為惡臭污染的對比評估提供科學依據.

2.2 指標惡臭物質

除對惡臭污染的貢獻之外,污染物的濃度與健康毒性也是惡臭污染評估的重要方面,因此,以對惡臭污染的貢獻作為確定核心指標惡臭物質的依據,而以物質的濃度和健康毒性作為確定輔助指標惡臭物質的依據,從而全面覆蓋相關的重要污染物.

2.2.1 核心指標惡臭物質 對于單一臭氣樣品,確定其核心指標惡臭物質的方法與理論臭氣濃度計算方法的1～5步相同,選定的前n項惡臭物質即為該樣品的核心指標惡臭物質.

而對于確定某城市固體廢物處理處置設施的核心指標惡臭物質,本研究提出如下方法:

(1) 對該處理設施的惡臭污染源進行具有統計意義的采樣或在線監測(如一年內四季各 1次,每次3組樣品);

(2) 利用前文所述方法確定每組樣品的指標惡臭物質;

(3) 統計全部樣品中核心指標惡臭物質的出現頻次iP,并由大到小排序,選擇出現頻次最高的j種惡臭物質(通常可令j≤6,特殊情況j≤10),作為該設施的核心惡臭物質.

2.2.2 輔助指標惡臭物質 輔助指標惡臭物質主要包括物質濃度和健康毒性兩方面.

物質濃度方面,與核心指標惡臭物質篩選方法類似,對于單一臭氣樣品,選定物質濃度由大到小的前10項惡臭物質作為該樣品的濃度指標惡臭物質;對于某固體廢物處理處置設施,在樣品監測基礎上,選定濃度指標惡臭物質出現頻次最高的j種惡臭物質(通常可令j≤6,特殊情況j≤10),作為該設施的濃度指標惡臭物質.

健康毒性方面,對于單一臭氣樣品,選擇檢出物質中被列入《國家污染物環境健康風險名錄》[19]中的惡臭物質作為該樣品的毒性指標惡臭物質;對于某固體廢物處理處置設施,在樣品監測基礎上,選定毒性指標惡臭物質出現頻次最高的 j種惡臭物質(通常可令 j≤6,特殊情況 j≤10),作為該設施的毒性指標惡臭物質.

在確定了某類固體廢物處理處置設施的核心和輔助指標惡臭物質后,一方面可以指導該設施后期運行更有針對性的開展惡臭污染物監測,另一方面能夠為同類處理處置設施的惡臭污染預測與預評估提供定量化參考.

2.3 綜合臭氣指數

根據韋伯—費希納公式,人的嗅覺感覺與惡臭物質的刺激量的對數成正比[2],如式(3).

式中: S為感覺強度; R為刺激強度; k為常數.

因此,本研究提出,將2.1節計算獲得的理論臭氣濃度進行指數化,以反映惡臭污染對人類嗅覺感覺的影響.綜合臭氣指數(N)的計算方法如式(4):

綜合臭氣指數一方面可以減少以理論臭氣濃度作為評估指標時的數值誤差,另一方面更適合反映人類對惡臭污染的嗅覺感覺.

3 惡臭污染評估指標體系在固體廢物處理處置設施中的應用實例

以某生活垃圾衛生填埋場和某生活垃圾中轉站為例,通過對其作業面和卸料坑采樣,并利用氣相色譜—質譜聯用儀分析測定各樣品中惡臭物質的濃度.其中,現場采樣利用 SOC-01 型采樣裝置和聚酯材料采樣袋進行“肺法”采樣,樣品分析委托國家環境保護惡臭污染控制重點實驗室(天津)利用氣相色譜—質譜聯用儀分析,包括Entench7100型預濃縮儀、Agilent7890A型氣相色譜儀和 Agilent5975C 型質譜儀,搭配DB-5ms,60m×0.32mm×1.0μm型色譜柱,可獲得119種惡臭物質的定性分析和物質濃度的定量結果.進而基于 1.1節提供的嗅閾值,計算其閾稀釋倍數,并根據2.1～2.3節提出的評估指標體系進行惡臭污染評估,分別作為單一樣品和處理設施的應用實例.

3.1 某生活垃圾填埋場單一樣品惡臭污染評估

對某生活垃圾衛生填埋場作業面的惡臭物質進行了全年采樣監測,以其中春季某樣品監測結果為例,其惡臭物質濃度以及相應物質的嗅閾值和閾稀釋倍數如表2所示.由表2可以看出,在該填埋場作業面上共檢出30種惡臭物質,其中2-甲基丁烷、丁烷等物質的濃度雖然較高,但由于其嗅閾值也較高(分別為 1.5×10-6和 1200× 10-6),其閾稀釋倍數均<1.根據閾稀釋倍數由大到小排序,閾稀釋倍數>1的物質共有4種,分別為甲硫醇、硫化氫、二甲二硫醚和二甲基硫醚,根據2.1節提出的篩選方法,4種物質相鄰兩者的閾稀釋倍數相差均>5%.因此,四者均為該樣品的核心指標惡臭物質,根據式(2)四者閾稀釋倍數之和即作為該樣品的理論臭氣濃度,其值為 1223.454,根據式(4)該樣品的臭氣指數為 30.876.根據惡臭物質的濃度排序,確定該樣品的濃度指標惡臭物質包括:2-甲基丁烷、丁烷、丙烯、二甲二硫醚、硫化氫、甲硫醇、甲苯、2-丁酮、二甲基硫醚、乙酸乙酯.對比《國家污染物環境健康風險名錄》[19],確定該樣品的毒性指標惡臭物質包括:甲苯、二氯甲烷、間二甲苯、乙苯、苯、四氯乙烯、鄰二甲苯、對二甲苯、對-二氯苯、三氯乙烯.

表2 某填埋場作業面惡臭物質濃度及閾稀釋倍數Table 2 Concentrations and dilution multiples of odorants from a landfill

根據監測結果可以看出,因硫化物的嗅閾值通常較低,且在填埋場作業面有一定濃度的釋放,成為造成填埋場作業面惡臭污染的主要污染物.各種苯系物雖然總體釋放濃度相對較低,但由于其具有一定人體毒性,也應作為填埋場作業面的重點關注污染物.

3.2 某生活垃圾中轉站長期惡臭污染評估

對某生活垃圾中轉站各工藝環節的惡臭物質進行了全年采樣監測,四季各一次,監測與樣品分析方法同前.每次采樣點包括垃圾傾倒車、卸料坑、壓縮車間、壓縮出口、垃圾運輸車等工藝環節,共獲得 20組監測數據.以其中冬季卸料坑監測結果為例,其惡臭物質濃度以及相應物質的嗅閾值和閾稀釋倍數如表3所示.

表3 某中轉站卸料坑惡臭物質濃度及閾稀釋倍數Table 3 Concentrations and dilution multiples of odorants from a dumping pit in a transfer station

根據監測結果,該樣品中共檢測出50種惡臭物質(僅列出30種),其中根據閾稀釋倍數篩選的核心指標惡臭物質為乙硫醚、二甲二硫醚、乙醇、甲硫醚、檸檬烯和α蒎烯六種物質,根據式(2)確定其理論臭氣濃度為 122.961,根據式(4)該樣品的臭氣指數為 20.885.上述結果與 3.1節填埋場某樣品評估結果相比可以看出,在中轉站該樣品中核心指標惡臭物質種類更多,但并未檢出甲硫醇、硫化氫等填埋場常見惡臭物質,而是以乙硫醚、乙醇、檸檬烯等替代.同時填埋場樣品的理論臭氣濃度約為中轉站樣品的10倍,表明其惡臭污染相對更加嚴重,但臭氣指數僅為 1.5倍,在人類嗅覺感覺上的差異相對較小.上述結果表明不同垃圾處理設施在惡臭物質排放特征上存在明顯差異,收集與中轉運輸進行于生活垃圾的初期降解階段,且尚未達到完全厭氧條件,垃圾降解中的污染物釋放表現了濃度較低、種類更多的特點

,

本研究提出的固體廢物處理處置設施惡臭污染評估指標體系,為惡臭污染的預測與評估提供了定量化的科學方法.基于嗅閾值建立的物質濃度和閾稀釋倍數的線性關系,反映了不同物質對惡臭污染貢獻程度的差異,以理論臭氣濃度作為綜合指標替代數十甚至上百種的物質濃度,能夠直接應用于惡臭物質遷移擴散的預測、模擬和評估,實現了不同惡臭污染水平的定量化比較.同時利用臭氣指數反映惡臭污染的嗅覺感受水平,并提供了篩選核心和輔助指標惡臭物質的方法,為指導相關設施的惡臭污染預測和監測提供了重要的科學支撐.

然而,本研究提出的惡臭污染評估指標體系仍有部分問題有待討論.首先,理論臭氣濃度的計算方法綜合了最大值模型法和總和模型法,忽略了不同惡臭物質之間存在的協同或拮抗作用.但已有研究表明,惡臭物質之間的協同和拮抗作用過于復雜,目前尚無可靠的科學規律或結論,因此本研究中以最大值線性疊加為基本假設是可以接受的.

其次,本研究提出的理論臭氣濃度與國標(GB/T 14675-93)規定的三點比較式臭袋法[20]測定的臭氣濃度存在一定差異.一方面理論臭氣濃度由物質濃度直接計算獲得,較嗅辨人員辨識更加客觀;另一方面根據韋伯—費希納理論,人的嗅覺感覺與惡臭物質的刺激量的對數成正比,在本研究中提出以臭氣指數作為嗅覺指標,更貼近人類嗅覺感覺.

最后,本研究提出的指標體系,有賴于科學的惡臭物質嗅閾值數據清單,除美國及日本環保署但以乙硫醚、二甲二硫醚為代表的硫化物仍是重點污染物.

此外,生活垃圾處理處置設施的惡臭污染釋放與氣候條件有關,利用對中轉站不同季節不同工藝環節監測獲得的20組數據,可根據2.2節提出的指標惡臭物質確定方法,篩選出該固體廢物處理設施的核心和輔助指標惡臭物質,列入表4.

表4 某生活垃圾中轉站核心與輔助指標惡臭物質Table 4 Primary and auxiliary indicators of odorants from a municipal solid waste transfer station

對20組樣品中濃度最高的物質出現頻次進行排序,明確丙烷、乙醇、丁烷等物質為濃度指標物質,是生活垃圾中轉站中釋放頻率和濃度相對較高的惡臭物質.然而,由于其嗅閾值不同,其對惡臭污染的貢獻也不同.對閾稀釋倍數>1的惡臭物質出現頻次進行排序,明確二甲二硫醚、乙醇、乙硫醚、甲硫醚等物質作為核心指標物質,是生活垃圾中轉站中釋放頻率和惡臭貢獻相對較高的重點物質,可以作為該類生活垃圾處理處置設施惡臭污染常年監測的指導.而填埋場中主要釋放的甲硫醇、硫化氫,并不是中轉站惡臭污染的核心指標物質.

此外,對于列入《國家污染物環境健康風險名錄》[19]的有毒有害物質,僅有少量甲苯、二氯甲烷、苯、萘等被檢出.綜合上述分析可見,生活垃圾中轉站應重點關注有機硫化物、乙醇和小分子烷烴等物質的產生與釋放.

4 關于惡臭污染控制指標的討論

之外,我國國家環境保護惡臭污染控制重點實驗室也在嗅閾值測定方面開展了大量工作,能夠為惡臭污染評估指標體系的應用提供有力支撐.

5 結論

本研究基于惡臭物質的嗅閾值,建立了針對城市固體廢物處理處置設施的惡臭污染評估指標體系.該指標體系由基于閾稀釋倍數的理論臭氣濃度及其計算方法、指標惡臭物質的篩選方法、以及反映嗅覺感受的臭氣指數及其計算方法等構成.利用該指標體系對生活垃圾填埋場和中轉站惡臭物質監測結果進行研究,明確了不同處理處置設施惡臭污染水平及指標惡臭物質,證明了其在固體廢物處理設施惡臭污染評估中的適用性,為惡臭污染的預測、模擬與評估提供了定量化的科學方法.

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致謝：本研究工作獲得天津市環境保護科學研究院及國家環境保護惡臭污染控制重點實驗室多位工程師的支持與幫助,在此表示衷心感謝.

Evaluation index system of odor pollution for municipal solid waste treatment facilities.

ZHAO Yan1*, LU Wen-jing2,

WANG Hong-tao2, DUAN Zhen-han2(1.School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China; 2.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2014,34(7)：1804～1810

On the basis of odor thresholds of odorants, an evaluation index system of odor pollution was established for municipal solid waste treatment facilities. The index system mainly includes theoretical odor concentration and its calculation method based on dilution multiples, screening method for odorant indicators, as well as the odor index together with its calculation method for olfaction evaluation. Monitoring results of odor pollution from a municipal solid waste landfill and a transfer station are provided and analyzed, explaining the application of this index system. This research and the corresponding index system provide a quantitative and scientific method for modeling and evaluating odor pollution from municipal solid waste treatment facilities.

odor pollution；evaluation index；dilution multiple；odor threshold；solid waste treatment

X512

A

1000-6923(2014)07-1804-07

趙 巖(1982-),男,河北石家莊人,講師,博士,主要從事固體廢物處理處置技術與管理研究.發表論文30余篇.

2013-10-12

環保公益性行業科研專項項目(201209022);高等學校博士學科點專項科研基金項目(20120003120028);固體廢物處理與環境安全教育部重點實驗室開放基金課題(SWMES2011-11)

* 責任作者, 講師, yanzhao@bnu.edu.cn