我國惡臭污染防治研究進展

呼佳寧,張鋼鋒,林子吟,費波

(上海市環(huán)境科學(xué)研究院,上海 200233)

惡臭是各種引起不愉快感覺氣體(異味)的總稱[1],惡臭污染會對居民正常生活造成不良影響,嚴重時甚至危害身體健康。據(jù)2018～2020年全國生態(tài)環(huán)境信訪投訴數(shù)據(jù)分析,惡臭/異味投訴是當(dāng)前公眾投訴最強烈的環(huán)境問題之一[2]。隨著我國生活水平顯著提高,居民對美好生活的向往更加強烈,加大惡臭異味污染治理力度已經(jīng)成為現(xiàn)階段我國打好污染防治攻堅戰(zhàn)、改善生態(tài)環(huán)境、增強人民群眾獲得感的重要舉措。

目前,我國關(guān)于惡臭污染的研究主要集中惡臭監(jiān)測評估與治理技術(shù)兩大領(lǐng)域。在惡臭監(jiān)測與評估領(lǐng)域,基于嗅覺感官的三點比較式臭袋法測定臭氣濃度的方法有廣泛研究與應(yīng)用[3],GC-MS是測試揮發(fā)性有機物(VOCs)惡臭組分的主要檢測技術(shù)手段[4-6]。由于惡臭污染不同于其他大氣污染的特殊性,利用物質(zhì)的檢測濃度與嗅閾值的比值[7]作為惡臭污染的評估方式最常見。隨著研究不斷深入,以異味的愉悅度、厭惡度為評價指標的研究也日益豐富[8],電子鼻、離子質(zhì)譜儀等先進監(jiān)測技術(shù)也逐漸擴大。在惡臭治理技術(shù)研究領(lǐng)域,生物技術(shù)一直以來是惡臭污染治理的主要研究熱點。早在1997年,有學(xué)者發(fā)現(xiàn)生物脫臭法在除臭領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[9],隨后的近30年時間里生物除臭法也一直活躍于學(xué)術(shù)界和除臭工程實際應(yīng)用領(lǐng)域[10]。近年來隨著大氣污染防治工作中VOCs污染物減排的重點推進,等離子催化法、光氧化法、吸附法等治理技術(shù)也在除臭領(lǐng)域也有了相關(guān)應(yīng)用與推廣[11]。

隨著我國大氣污染防治工作精細化發(fā)展,居民生活感受勢必將成為重點關(guān)注對象,由于投訴導(dǎo)致的惡臭異味污染治理工作也必將成為熱點方向和研究領(lǐng)域。但是面臨異味污染與嗅覺息息相關(guān)、惡臭物質(zhì)種類繁多、異味源廣泛等[1]特征,可能出現(xiàn)“達標擾民”、異味污染溯源困難、嗅覺感官差異大、異味治理效果欠佳等諸多實際困擾,鮮有文獻資料報道。因此,本研究重點以我國惡臭污染相關(guān)研究及政策標準為基礎(chǔ),系統(tǒng)梳理分析我國惡臭污染控制領(lǐng)域的總體研究趨勢及主要研究內(nèi)容,以及分析存在的主要困難,進一步提出我國惡臭污染未來研究建議。

1 我國惡臭污染研究發(fā)展歷程

對我國CNKI期刊數(shù)據(jù)庫中的大氣污染防治領(lǐng)域的惡臭研究領(lǐng)域期刊論文和學(xué)位論文的發(fā)表數(shù)量進行統(tǒng)計并分析變化趨勢,結(jié)果見圖1。

圖1 我國惡臭污染研究歷程Fig.1 Research history of odor in China

由圖1可知,我國惡臭污染研究領(lǐng)域研究總體呈明顯上升趨勢。尤其是2000年以來,相關(guān)論文的數(shù)量顯著增多。根據(jù)不同時段研究內(nèi)容的差異以及相關(guān)領(lǐng)域法律法規(guī)、政策的變化(見表1),將我國惡臭污染研究歷程初步劃分為三個階段,依次分別為基礎(chǔ)探索期、應(yīng)用發(fā)展期和研究爆發(fā)期。

表1 我國惡臭污染法規(guī)政策及排放控制標準匯總Table 1 Summary of odor control policies and emission control standards in China

(1)基礎(chǔ)探索期(1990～1999年):本階段我國頒布了惡臭污染排放國標,其中臭氣濃度測試方法和惡臭污染控制思路主要參考借鑒了國外的尤其是日本治理經(jīng)驗。重點探討了臭氣濃度的測定方法與標準制定,例如臭氣濃度的測試方法-三點比較式臭袋法的技術(shù)討論等[12]。同時畜牧養(yǎng)殖業(yè)突出惡臭問題也在該階段引起重視,例如日本畜牧業(yè)糞便惡臭污染的現(xiàn)狀和控制對策[13]研究以及養(yǎng)雞場惡臭污染[14]研究。該階段奠定了我國惡臭污染管理與控制的基本思路,后續(xù)的30年里我國惡臭領(lǐng)域的標準制定和管理也是本階段的持續(xù)延伸與發(fā)展。

(2)應(yīng)用發(fā)展期(2000～2009年):本階段呈現(xiàn)出典型惡臭行業(yè)治理應(yīng)用高速發(fā)展趨勢,在污水處理、垃圾、畜牧,工業(yè)等典型領(lǐng)域的研究大幅增加。與揮發(fā)性有機物(VOCs)共同出現(xiàn)的頻次明顯增多,一方面因為大部分的VOCs物種具有刺激性氣味[15],例如低濃度的苯、甲苯、苯乙烯、多環(huán)芳烴等VOCs物質(zhì)帶有異味(香或臭均屬于異味);另一方面也得益于2010年前后我國發(fā)布關(guān)于VOCs管控的專門性文件,VOCs研究開始進入活躍階段[16]。同時期,“十一五”期間我國城鎮(zhèn)污水處理能力顯著提高[17],隨之而來污水處理造成的惡臭問題也被環(huán)境領(lǐng)域?qū)W者廣泛關(guān)注,例如針對城市污水處理廠惡臭污染排放特征、污染現(xiàn)狀的研究[18]。除此之外,生物法除臭、等離子體除臭技術(shù)、光催化氧化法除臭等內(nèi)容均有相關(guān)研究,并且本階段內(nèi)首次對植物型除臭劑具體品牌的應(yīng)用效果開展測試研究[19],也進一步加速了我國除臭劑產(chǎn)品的應(yīng)用研發(fā)工作。

(3)研究爆發(fā)期(2010年至今):本階段研究更加重視致臭機理、惡臭污染監(jiān)測與科學(xué)評估,在原有污水惡臭、生物治理等熱門領(lǐng)域之外,研究范圍更加廣泛、研究深度大幅提高,與VOCs研究的相關(guān)性更加突出,一方面我國科研人員與科研力量快速增強,另一方面自主創(chuàng)新的監(jiān)測和治理技術(shù)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展。例如利用實驗?zāi)M方法針對城市生活垃圾的初期降解過程產(chǎn)生VOCs的釋放特征[20]、利用指紋圖譜識別出主要惡臭物質(zhì)[21]。本階段內(nèi)隨著2015年《水污染防治行動計劃》(簡稱“水十條”)的頒布,關(guān)于黑臭水體的相關(guān)惡臭研究呈現(xiàn)爆發(fā)式增長,我國城市水體污染現(xiàn)狀、黑臭污染問題分析、富營養(yǎng)化水體黑臭污染治理技術(shù)等均有研究。同時“十三五”以來,我國在大氣污染防治方面的政策推進不斷增強,工業(yè)領(lǐng)域的大氣污染防治工作進入深水區(qū),各省、直轄市也陸續(xù)發(fā)布了惡臭污染相關(guān)的地方標準,與惡臭相關(guān)的工業(yè)源廢氣VOCs的污染研究也大幅增加。除此之外,關(guān)于惡臭國標的適用性、使用情況也有學(xué)者開展多次討論研究[22]。

2 我國惡臭污染主要研究內(nèi)容

2.1 主要惡臭成分

針對我國發(fā)表論文中主要惡臭物質(zhì)關(guān)鍵詞進行梳理分析,見圖2、圖3,惡臭成分的研究主要有硫化氫、VOCs、硫醇類、氨、硫化物、胺類、苯系物、硫醚類和醛酮類為主。其中硫化氫研究關(guān)注程度最高,硫化氫和氨都是垃圾污水處理、畜禽養(yǎng)殖等過程典型惡臭無機物,由于其低嗅閾值、廣泛的分布特征,一直是惡臭污染防治領(lǐng)域重點對象[23]。VOCs研究熱點僅次于硫化氫,VOCs種類繁多、來源廣泛,苯系物、醛酮、硫醇、硫醚等都是VOCs典型的惡臭物質(zhì),與惡臭相關(guān)的VOCs研究從2015年到2019年迅猛發(fā)展,出現(xiàn)頻次上升6.5倍,這也進一步可以看出我國惡臭污染研究在VOCs方面呈現(xiàn)激增態(tài)勢。但是惡臭污染多為復(fù)合型臭氣,由多種物質(zhì)組成,是各類物質(zhì)之間抑制、促進、協(xié)同等多重作用的結(jié)果[1],有些物質(zhì)低濃度和高濃度狀態(tài)下的味道也千差萬別,因此各類惡臭污染情形下的主要惡臭成分、致臭機理值得持續(xù)深入研究。

圖2 我國論文中研究的主要惡臭物質(zhì)Fig.2 Main malodorous substance studied in China

圖3 主要惡臭物質(zhì)出現(xiàn)頻次變化趨勢Fig.3 Trend of major malodorous substances occurrence frequency

2.2 主要惡臭監(jiān)測方法

針對我國論文研究方法中的測試方法進行梳理分析,惡臭污染從檢測機理角度劃分成3大類,見表2。

表2 惡臭污染監(jiān)測技術(shù)分類Table 2 Classification of odor pollution monitoring technology

第一類是基于人體感官系統(tǒng)的測試方法,該類型測試方法也是與其他類型大氣污染例如VOCs、顆粒物等的最主要區(qū)別,臭氣強度、臭氣濃度等也是判斷是否產(chǎn)生惡臭污染的重要指標。第二類是基于儀器分析類測試方法,主要開展惡臭成分的定量檢測工作,例如GC-MS等技術(shù)一直是主要定量分析技術(shù)。第三類是基于傳感器技術(shù)的監(jiān)測分析方法,以電子鼻為首的傳感器檢測技術(shù)成為感官測試和儀器分析法的重要補充,傳感器檢測技術(shù)可以快速、實時的開展監(jiān)測與分析,并且測試成本低,缺點是測試結(jié)果有較大的局限性,面對復(fù)雜惡臭成分污染、惡臭場景轉(zhuǎn)變等情形下難以發(fā)揮穩(wěn)定作用。

每類型技術(shù)在研究中的出現(xiàn)頻次見圖4。

圖4 我國論文研究中主要測試技術(shù)Fig.4 Main detection techniques in the paper in China

由圖4可知,三點比較式臭袋法研究頻次最高,約為動態(tài)稀釋嗅覺測試法研究頻次的3倍。儀器分析類中GC-MS和氣相色譜法占有絕對優(yōu)勢,兩者之和遠高于其他儀器分析方法,主要由于這兩類技術(shù)分析范圍廣泛,可以測試大多數(shù)有機物種、硫化物等惡臭物質(zhì)。傳感器分析方法中電子鼻監(jiān)測是主要的研究方法,近年來在惡臭監(jiān)測領(lǐng)域也呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢。

2.3 主要惡臭污染治理技術(shù)

我國研究論文中各類惡臭污染治理技術(shù)的出現(xiàn)頻次見圖5,技術(shù)應(yīng)用常見場景及效果見表3。總體來看,我國惡臭污染治理技術(shù)主要集中于微生物處理法、吸附法、吸收法、等離子催化法、催化氧化/燃燒法、光催化法和除臭劑應(yīng)用等幾大類。從研究熱度來看,微生物處理相關(guān)技術(shù)在惡臭污染治理技術(shù)中占有主導(dǎo)地位,相關(guān)研究論文超過300篇,一方面由于微生物可以從土壤、污水等環(huán)境中提取馴化,惡臭氣體能為微生物所分解吸收其中有機成分可作為微生物生命活動的能量,并且在低濃度臭氣中有較好的應(yīng)用效果;另一方面微生物處理技術(shù)相對于其他治理技術(shù)成本低、安全性能好、基本沒有二次污染[29],成為惡臭污染研究的最重要的控制技術(shù),但缺點是調(diào)試時間長、菌種對環(huán)境要求高。除此之外吸附法、吸收法的研究熱度旗鼓相當(dāng),吸附法中利用活性炭吸附研究占比超過60%以上,是最主要的吸附材料;吸收法主要利用水、氧化劑等材料對惡臭成分進行吸收去除,例如實際應(yīng)用工程中洗滌塔處理臭氣工藝廣泛存在,實際應(yīng)用效果“因氣而異”。催化燃燒法處理技術(shù)對于惡臭有很好的去除效果,但其運行成本高,常用于VOCs廢氣治理,同時也可有效去除部分異味污染。除了幾個常見的廢氣治理技術(shù)以外,除臭劑是惡臭污染治理行業(yè)不同于其他大氣污染防治的一類典型技術(shù),其應(yīng)用一般指利用化學(xué)型、微生物型或者植物型除臭劑等成分對惡臭氣體進行吸附、吸收、降解等作用,除臭劑在無組織排放、廢氣洗滌等場景有著廣泛的應(yīng)用,但在實際應(yīng)用過程中接觸時間、藥劑用量、使用范圍等多影響因素作用下,除臭劑的實際應(yīng)用效果可能并不如意,例如我國一些垃圾填埋廠、污水處理廠等廠界惡臭污染指標依然高于標準值[30]。

表3 惡臭治理技術(shù)常見應(yīng)用場景及效果Table 3 Common application scenarios and effects of odor treatment technology

圖5 主要惡臭治理技術(shù)關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次Fig.5 Frequency of the main odor treatment technology keywords

同時對惡臭污染治理的主流技術(shù)隨時間發(fā)展趨勢梳理分析見圖6,圖中圓點面積大小代表了治理技術(shù)關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次大小。由圖可知,微生物處理法研究開展最早,且每年的研究熱度均最高,在各類惡臭氣體污染治理中均有廣泛研究和應(yīng)用;等離子催化法、光催化法應(yīng)用研究相對較晚,約在2000年左右出現(xiàn),伴隨VOCs治理技術(shù)的發(fā)展被關(guān)注;吸收法和除臭劑應(yīng)用法近年來呈現(xiàn)逐步上升趨勢。

圖6 不同惡臭治理技術(shù)研究發(fā)展趨勢Fig.6 Research trend in different odor treatment technologies

2.4 現(xiàn)有困難

綜合分析惡臭污染管理與污染防治推進工作,一方面,近年來我國惡臭相關(guān)研究的爆發(fā)有可能是借“VOCs政策東風(fēng)”,由于我國VOCs污染防治工作是近年來環(huán)保工作的重點之一,VOCs的減排可能也會帶動大量惡臭污染問題的緩解。然而,這也導(dǎo)致很多學(xué)者、環(huán)保工作者對異味污染防治的研究工作依然停留在“VOCs治理”,難以更深層次、更全面系統(tǒng)的研究異味污染的產(chǎn)生機理與針對性治理技術(shù)。另一方面,由于異味投訴成因涉及技術(shù)、社會、個人等多種因素,排放標準與居民感官感受往往也不相一致,且異味污染經(jīng)常呈現(xiàn)跨區(qū)域性質(zhì),多方管理部門的職責(zé)銜接與交叉導(dǎo)致的管理缺位問題也普遍存在,這些都是目前異味污染相關(guān)研究的主要困擾與難點。

從惡臭監(jiān)測與治理技術(shù)角度分析,由于異味感受程度與人體密切相關(guān),人對氣味的感受程度和刺激程度之間的關(guān)系符合韋伯-費希納定律[1],即指物質(zhì)濃度以幾何級數(shù)增加時,感覺強度以算術(shù)級數(shù)增加,判斷是否有異味也因人而異,面對居民的惡臭投訴問題,往往需要降低數(shù)十倍惡臭污染物濃度才可能有效緩解投訴,但目前的惡臭物質(zhì)監(jiān)測技術(shù)、惡臭污染排放標準限值、管控手段難以達到嗅閾值水平,也進一步導(dǎo)致“排放達標、但還是臭”的現(xiàn)象難以根治,惡臭污染治理對于人體感官的明顯改善依然存在不小的壓力。

3 結(jié)論與展望

研究發(fā)現(xiàn),我國惡臭污染整體研究歷程可以分為3個階段,分別為起步期、發(fā)展期和爆發(fā)期,其中起步期主要與國家惡臭標準相關(guān),發(fā)展期和爆發(fā)期的出現(xiàn)與我國相關(guān)政策推動密切相關(guān)。我國惡臭污染領(lǐng)域典型代表物質(zhì)有硫化氫、VOCs、含硫有機物、氨、胺類、苯系物等分布廣泛、低嗅閾值成分。惡臭污染主要監(jiān)測技術(shù)有三點比較式臭袋法、GC-MS、電子鼻傳感器測試等。我國惡臭污染治理技術(shù)主要集中于微生物處理法、吸附法、吸收法、等離子催化法、催化氧化/燃燒法、光催化法和除臭劑應(yīng)用等技術(shù),其中微生物處理技術(shù)一直是惡臭污染治理領(lǐng)域的主流技術(shù),等離子催化法、光氧化法、吸附吸收法伴隨VOCs的快速發(fā)展在2000年之后受到關(guān)注,除臭劑應(yīng)用作為惡臭污染典型治理技術(shù)有著廣泛應(yīng)用。

結(jié)合已有研究和現(xiàn)有困難,主要從以下兩方面提出未來研究建議。

(1)政策管理研究方面。目前,國家層面尚未出臺惡臭污染防治相關(guān)的專項行動或攻堅任務(wù),地方省市例如天津市已有惡臭分級管理等相關(guān)政策,國家惡臭排放標準依然停留在1993年版本,修訂版本遲遲未出,已無法滿足現(xiàn)有惡臭污染形勢的管理要求。建議可從高密度居住環(huán)境下廠群異味矛盾解決、異味擾民引發(fā)的“國標”與“民標”衡量限值的平衡問題、異味投訴綜合成因分析方法及應(yīng)對策略、跨區(qū)域異味污染的多方監(jiān)管等層面開展研究,為國家政策標準的制定提供技術(shù)與理論支撐。

(2)技術(shù)研究方面。面對惡臭物質(zhì)成分復(fù)雜、關(guān)鍵致臭物質(zhì)識別難等問題,建議研究制定適合我國實際情形的異味污染關(guān)鍵致臭物質(zhì)識別技術(shù)方法體系,深入完善我國異味物質(zhì)嗅閾值數(shù)據(jù)庫、逐步減少國外嗅閾值信息使用頻次、研究各類物質(zhì)致臭機理、探索各類異味識別與溯源方法等技術(shù)路徑。惡臭污染治理技術(shù)方面,可持續(xù)關(guān)注有組織臭氣的高效去除、無組織臭氣的有效管控等角度,借助VOCs治理技術(shù)現(xiàn)狀,開展各行業(yè)惡臭特征建立適宜的更針對性除臭的最佳可行技術(shù)路徑的研究,為企業(yè)管控提供參考依據(jù)。