城市固體廢物生物除臭技術研究與應用進展*

袁宗勝 袁 月 劉 芳 潘 輝*

(1.閩江學院地理與海洋學院，福建 福州 350108;2.南昌大學生命科學學院，江西 南昌 330047;3.福建農林大學生命科學學院，福建 福州 350002)

1 概述

城市固體廢物即城市生活垃圾，主要來自居民家庭、商業(yè)、餐飲業(yè)、旅館業(yè)、旅游業(yè)、市政設施與園林環(huán)衛(wèi)、交通運輸、市政生活、工業(yè)企業(yè)單位及給排水處理污泥等[1]。隨著我國經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，人民物質生活水平日益提高，在一定程度增加了城市固體廢物的產(chǎn)生量，其收運、處理過程中產(chǎn)生的惡臭問題，嚴重影響了城市的生態(tài)環(huán)境。為貫徹落實可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，應充分重視城市固體廢物臭氣的治理工作。目前城市固體廢物臭氣的治理措施主要有物理除臭、化學除臭和生物除臭技術，其中生物除臭技術因除臭效果明顯且對環(huán)境條件要求低，運行成本低，環(huán)境負荷低，維護管理方便，不會產(chǎn)生二次污染而得到快速發(fā)展。

2 城市固體廢物臭氣

2.1 城市固體廢物臭氣的產(chǎn)生及危害

城市固體廢物中生活廢棄物居多，比如白色垃圾塑料袋、廚余垃圾、出行垃圾、飲食垃圾等[1]。城市固體廢物從產(chǎn)生源到廢棄物收集、轉運加工和分類處置等過程中產(chǎn)生出來的惡臭氣體在很大程度上影響著城市居民的身心健康和城市環(huán)境質量。城市固體廢物主要通過垃圾桶等容器進行收集,但由于垃圾桶、壓縮包裝設備、運輸車輛等密封性不足，造成垃圾臭氣源污染[2]。在垃圾運輸路徑附近的空氣品質與運輸車輛的運輸頻率有顯著的相關性，在卸料、壓縮時也會產(chǎn)生很大的刺激性氣味；在大型垃圾轉運站，污水處理室、滲瀝液收集處理室、儲液設備敞開處等都是產(chǎn)生難聞氣味的主要因素。城市固體廢物中有機物含量較高，垃圾中的微生物在好氧和厭氧作用下產(chǎn)生惡臭氣體，長時間大量接觸會導致許多人體部位出現(xiàn)劇烈不適,影響心肺、肝臟、大腦等主要器官的健康[3-4]，并且對城市的生態(tài)環(huán)境造成一定影響。

2.2 城市固體廢物臭氣的成分

城市固體廢物中含有大量有機物質，包括單糖、淀粉、蛋白質、脂肪、纖維素和木質素。有氧環(huán)境中，在微生物的作用下，產(chǎn)生NH3等刺激性氣體。氧氣不足時，可以分解成揮發(fā)性低的分子脂肪醇、胺、酸等[5]。采用氣相色譜、氣相色譜-質譜聯(lián)用技術，通過高效液相色譜和 DOAS等儀器對其組成進行分析得知，臭味成分包括無機氣體、鹵素、碳氫化合物、芳香化合物、揮發(fā)性脂肪酸、酯、醛類、酮類、含硫組分、含氮組分等。

3 城市固體廢物臭氣治理技術概況

目前，國內外有關惡臭氣體的治理技術主要有物理除臭、化學除臭和生物除臭。物理除臭技術是通過吸收劑和遮蔽劑吸附、掩蓋臭味，從而達到除臭的目的。當前，物理除臭法中廣泛被使用的是吸附法[6]和掩蔽法[7]。化學除臭技術是通過用添加化學物質的特定化學成分去與帶有惡臭性質的有毒物質等發(fā)生化學反應，從而達到除臭的目的,包括氧化還原法除臭和生物催化氧化還原法除臭[8]。化學除臭劑是一種很好的除臭方法，但是由于成本高、反應復雜、二次污染等，不易被推廣使用。生物除臭技術是指由某些微生物根據(jù)自身獨特的新陳代謝及其作用，把各種臭氣物質分解氧化成無味、無害性質的最終產(chǎn)物,如H2O、CO2氣體等，從而達到分解除臭作用的目的[9]。例如，微生物除臭劑具有良好的除臭性，所以其在環(huán)保和資源化利用上有很大的發(fā)展空間[10]。生物除臭技術由于其對環(huán)境的要求較低、運行費用較低、對環(huán)境的污染小、維護和管理簡單等特點，已成為我國城市固體廢物臭氣治理的一個重要發(fā)展方向。

4 生物除臭技術研究進展

隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，生物技術和環(huán)境治理技術的相互滲透和結合，產(chǎn)生了一種新的臭氣治理模式——生物除臭[11]。生物除臭技術是通過微生物的生理代謝對已處理的惡臭物質進行降解、清除，從而達到控制臭氣的目的。微生物除臭基本上分為三個過程：將部分臭氣由氣相轉變?yōu)橐合嗟膫髻|過程；溶解于水的臭氣會被微生物的細胞壁及細胞膜所吸附，難于水的臭氣首先會粘附在其表面，然后被其分泌物分解成可溶性的物質，然后進入到細胞內；臭氣進入細胞后，在體內作為營養(yǎng)物質被微生物所分解、利用，從而消除異味[12]。

除了生物降解過程外，除臭凈化技術本身還需要通過吸附分解和生物吸收，使這些惡臭污染物迅速進入微生物細胞內部進行高效生物降解。常見的方法有生物過濾法、生物洗滌法和生物滴濾法等[13]。

4.1 生物過濾法

生物過濾系統(tǒng)是生物過濾法除臭技術應用的關鍵，而生物過濾系統(tǒng)的技術核心是微生物/填料層[14]。其作用機理為：①微生物與填料結合，形成生物膜，形成微生物/填料復合體；②當惡臭氣體通過微生物/填料層時被吸附、吸收，再經(jīng)由一些微生物降解使其成為基本無害的小分子，以達到消除惡臭的目的；③當噴灑液體通過微生物/填料層時，可以清洗分解的產(chǎn)物和分離的生物膜，并調整微生物/填料層的周圍環(huán)境狀況，從而保證微生物/填料層的除臭性。

雖然生物濾池占地面積大，填料又要被頻繁清洗更換，除臭反應過程不易控制,但其處理成本低,處理的效果好，仍被廣泛所使用。有關研究顯示，為氣味降解而設計和操作的生物過濾器，在入口濃度較高的前提下也可以實現(xiàn)廢氣中生物氣溶膠的顯著減少——煙曲霉減少70%，總真菌減少71%，總嗜溫細菌減少68%，革蘭氏陰性菌減少50%[15]。Han等[16]用兩相流生物過濾塔處理二氯乙烯廢氣，裝置連續(xù)運行200d，去除效率始終保持在85%以上。

4.2 生物滴濾法

生物滴濾器使用的填料具有良好的保水性能，例如爐渣、碎石、陶粒、珍珠巖等，這些都是惰性填料，不能供給養(yǎng)分。這種多孔填料可作為生物生長的載體，其填料孔隙率也比其它生物濾池的大，使用全壽命長，阻力比較小，可大大防止填料堵塞的填料壓實、短流漏和填料損失大等污染問題；通過加入回流的液體，可以同時達到保存營養(yǎng)物質和微生物緩沖劑的兩種目的；通過用倒流后的液體可以除去微生物形成的代謝物[17]。生物滴濾池的污染物負荷比生物過濾池大，同時它還具有一定的緩沖性，處理鹵化物、硫化物和含氮化合物會產(chǎn)生酸的污染物，采用生物滴濾系統(tǒng)可以調整pH值。因此，采用生物滴濾法對含鹵化物、硫化物、氮化物等有害氣體的治理具有較好的效果。關于生物滴濾降解VOCs的研究較多，Yang等[18]制備了小試規(guī)模及中試規(guī)模的生物滴濾池，將其應用于VOCs治理，當停留時間為59 s時，這兩種不同規(guī)模的裝置對VOCs的降解效率高于90%，是一種經(jīng)濟、高效的VOCs降解裝置。Hosoglu等[19]研究發(fā)現(xiàn)，膜生物反應器和生物滴濾器對垃圾填埋中產(chǎn)生的檸檬烯的最大去除能力分別為17g/m3·h和31.3g/m3·h，對甲烷的去除效率分別為11%和18%。

4.3 生物洗滌法

生物洗滌法[20](也可稱為“生物吸收法”)的基本原則是將主要的臭氣成分轉移到液相，再利用活性污泥方法對這些含有難聞成分的廢水進行處理。目前按氣液接觸方式，生物洗滌法有曝氣式和洗滌式。洗滌式脫臭法一般分為吸收塔和活性污泥塔兩部分。與生物濾池相比，生物洗滌法的液相并不是固定的，而是流動的。這樣能夠很好地控制反應條件，便于添加緩沖劑等。該工藝能處理大量惡臭，且運行條件簡單、占地面積少，在實踐中應用廣泛。

5 生物除臭技術在城市固體廢物的應用

我國生物除臭技術廣泛應用在污水處理中[21-22]。隨著城市化進程的加快，城市固體廢物數(shù)量日益增多，由此產(chǎn)生的惡臭污染問題引起了人們的關注。從源頭到收集、轉運再到處理廠最終回收處置，每一個流通環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生各種惡臭，而生物除臭技術由于其投資少、效率高、操作維護簡便、基本不會產(chǎn)生二次污染等優(yōu)勢，逐步被用于城市生活垃圾的處理。在此，針對城市生活垃圾的惡臭污染從源頭、轉運、處置等方面分別給出了不同的處理方案。

5.1 源頭除臭技術

在日常生活在隨處可見的垃圾桶為人們提供了方便，但也使周圍環(huán)境受到了臭氣污染，尤其是廚余垃圾腐爛、發(fā)酵所產(chǎn)生的臭氣，給人們的生活造成了極大的影響。對于這種情況，相關部門可以對垃圾桶加蓋處理并配合使用微生物除臭劑。吳義誠等[23]從垃圾填埋場的滲濾液中分離得到3個脫臭菌，并研制出了一種新型的微生物除臭劑，該產(chǎn)品對生活垃圾中的氨氣、硫化氫和芳香性臭氣的凈化效果明顯。結果顯示，在新鮮的生活垃圾中，用除臭劑進行10分鐘處理，其脫臭率可達到90%。同時，含有微生物的水霧又會同時在幾個不同臭氣源表面發(fā)生沉積,在各個有機物、臭氣分子之間進行不斷地滲透分解，能快速、有效地抑制蚊蠅繁殖。這種生物除臭劑產(chǎn)品還能快速改變微環(huán)境，不會再造成二次污染，不會對人類及動植物造成不良影響。Hong等[24]研究了生活垃圾中NH3和臭氣濃度的去除效果。結果表明，在垃圾車內噴灑除臭劑后，NH3濃度下降90.9 %，臭氣濃度下降92.8 %。

5.2 過程除臭技術

5.3 末端除臭技術

垃圾處理場建設是垃圾綜合處理工程系統(tǒng)規(guī)劃最核心的組成部分。我國目前的城市固體廢物產(chǎn)生的大量環(huán)境問題，其中最突出的是惡臭。垃圾填埋場散發(fā)的惡臭對人類健康產(chǎn)生了巨大威脅[31]。近年來，國內外許多學者對利用生物脫臭技術進行了大量的探索。

Yun[32]將蚯蚓糞便與泥土混合料涂于垃圾填埋場，結果表明，對垃圾填埋場的硫化氫、甲硫醇、甲硫醚和二甲基二硫濃度影響最大，其脫除率均超過91%。研究人員開發(fā)出一種替代填埋場覆蓋土的產(chǎn)品，它是一種由無紡布和微生物固定載體構成的生物復合材料，其除臭效果好，脫臭性能穩(wěn)定[33]。Liu等[34]采用具有生物曝氣區(qū)和生物過濾區(qū)的全尺寸組合生物反應器來處理垃圾填埋場排放的臭氣、揮發(fā)性有機化合物和氣溶膠，在穩(wěn)定運行期間，H2S、NH3、VOCs、可培養(yǎng)細菌和真菌的平均去除率分別為97.21%、98.89%、92.44%、73.12%和81.89%。特別是，水溶性離子的濃度，通過組合式生物反應器顯著降低。

除以上生物覆蓋物的研究外，生物除臭劑、生物濾池等也已被應用于處理堆填區(qū)的臭氣問題。呂丹丹等[35]采用4種實驗模擬方式，設置4種不同環(huán)境，發(fā)現(xiàn)用微生物除臭劑可大幅度降低臭氣濃度，處置效果較好。Li等[36]利用生物濾池處理垃圾填埋場的滲濾液，在穩(wěn)態(tài)條件下，夏季的硫化氫總的脫除率大于90%，冬季大于80%。

6 結束語

惡臭是一種特有的空氣污染，其物質組成和成分相當復雜，形成原因多樣,具有高度季節(jié)性、復雜性和個體耐受性強等特征。生物脫臭技術具有傳統(tǒng)脫臭工藝無法比擬的優(yōu)點，對高濃度、高流量的惡臭氣體有很好的治理作用。由于其具有高效、操作簡單、成本低廉等顯著特點，原位生物脫臭劑處理除臭技術在實踐中越來越受到社會的認可和應用。目前我國具備自主研發(fā)知識產(chǎn)權的微生物除脫臭劑廠家較少，在生產(chǎn)實際與應用研究中普遍存在著適應性問題[37]。

生物除臭殺菌技術在世界上的普遍應用顯然也有極其大局限性，某些微生物也僅能對具有特定性質的有毒惡臭物質等進行降解，除臭微生物的生長效果可能還同時受到臭菌劑及其添加劑量、環(huán)境、pH條件等因素的影響。因此，如何進一步確保微生物發(fā)揮除臭滅菌劑應有的環(huán)境生長適應優(yōu)勢，分離選育出具有較好的生物環(huán)境適應性的菌株并合理選擇和搭配優(yōu)化，還需要進一步探討。