城市固体废物生物除臭技术研究与应用进展*

袁宗胜 袁 月 刘 芳 潘 辉*

(1.闽江学院地理与海洋学院，福建 福州 350108;2.南昌大学生命科学学院，江西 南昌 330047;3.福建农林大学生命科学学院，福建 福州 350002)

城市固体废物即城市生活垃圾，主要来自居民家庭、商业、餐饮业、旅馆业、旅游业、市政设施与园林环卫、交通运输、市政生活、工业企业单位及给排水处理污泥等[1]。随着我国经济社会的高速发展，人民物质生活水平日益提高，在一定程度增加了城市固体废物的产生量，其收运、处理过程中产生的恶臭问题，严重影响了城市的生态环境。为贯彻落实可持续发展战略，应充分重视城市固体废物臭气的治理工作。目前城市固体废物臭气的治理措施主要有物理除臭、化学除臭和生物除臭技术，其中生物除臭技术因除臭效果明显且对环境条件要求低，运行成本低，环境负荷低，维护管理方便，不会产生二次污染而得到快速发展。

2.1 城市固体废物臭气的产生及危害

城市固体废物中生活废弃物居多，比如白色垃圾塑料袋、厨余垃圾、出行垃圾、饮食垃圾等[1]。城市固体废物从产生源到废弃物收集、转运加工和分类处置等过程中产生出来的恶臭气体在很大程度上影响着城市居民的身心健康和城市环境质量。城市固体废物主要通过垃圾桶等容器进行收集,但由于垃圾桶、压缩包装设备、运输车辆等密封性不足，造成垃圾臭气源污染[2]。在垃圾运输路径附近的空气品质与运输车辆的运输频率有显著的相关性，在卸料、压缩时也会产生很大的刺激性气味；
在大型垃圾转运站，污水处理室、渗沥液收集处理室、储液设备敞开处等都是产生难闻气味的主要因素。城市固体废物中有机物含量较高，垃圾中的微生物在好氧和厌氧作用下产生恶臭气体，长时间大量接触会导致许多人体部位出现剧烈不适,影响心肺、肝脏、大脑等主要器官的健康[3-4]，并且对城市的生态环境造成一定影响。

2.2 城市固体废物臭气的成分

城市固体废物中含有大量有机物质，包括单糖、淀粉、蛋白质、脂肪、纤维素和木质素。有氧环境中，在微生物的作用下，产生NH3等刺激性气体。氧气不足时，可以分解成挥发性低的分子脂肪醇、胺、酸等[5]。采用气相色谱、气相色谱-质谱联用技术，通过高效液相色谱和 DOAS等仪器对其组成进行分析得知，臭味成分包括无机气体、卤素、碳氢化合物、芳香化合物、挥发性脂肪酸、酯、醛类、酮类、含硫组分、含氮组分等。

目前，国内外有关恶臭气体的治理技术主要有物理除臭、化学除臭和生物除臭。物理除臭技术是通过吸收剂和遮蔽剂吸附、掩盖臭味，从而达到除臭的目的。当前，物理除臭法中广泛被使用的是吸附法[6]和掩蔽法[7]。化学除臭技术是通过用添加化学物质的特定化学成分去与带有恶臭性质的有毒物质等发生化学反应，从而达到除臭的目的,包括氧化还原法除臭和生物催化氧化还原法除臭[8]。化学除臭剂是一种很好的除臭方法，但是由于成本高、反应复杂、二次污染等，不易被推广使用。生物除臭技术是指由某些微生物根据自身独特的新陈代谢及其作用，把各种臭气物质分解氧化成无味、无害性质的最终产物,如H2O、CO2气体等，从而达到分解除臭作用的目的[9]。例如，微生物除臭剂具有良好的除臭性，所以其在环保和资源化利用上有很大的发展空间[10]。生物除臭技术由于其对环境的要求较低、运行费用较低、对环境的污染小、维护和管理简单等特点，已成为我国城市固体废物臭气治理的一个重要发展方向。

随着现代科学技术的飞速发展，生物技术和环境治理技术的相互渗透和结合，产生了一种新的臭气治理模式——生物除臭[11]。生物除臭技术是通过微生物的生理代谢对已处理的恶臭物质进行降解、清除，从而达到控制臭气的目的。微生物除臭基本上分为三个过程：将部分臭气由气相转变为液相的传质过程；
溶解于水的臭气会被微生物的细胞壁及细胞膜所吸附，难于水的臭气首先会粘附在其表面，然后被其分泌物分解成可溶性的物质，然后进入到细胞内；
臭气进入细胞后，在体内作为营养物质被微生物所分解、利用，从而消除异味[12]。

除了生物降解过程外，除臭净化技术本身还需要通过吸附分解和生物吸收，使这些恶臭污染物迅速进入微生物细胞内部进行高效生物降解。常见的方法有生物过滤法、生物洗涤法和生物滴滤法等[13]。

4.1 生物过滤法

生物过滤系统是生物过滤法除臭技术应用的关键，而生物过滤系统的技术核心是微生物/填料层[14]。其作用机理为：①微生物与填料结合，形成生物膜，形成微生物/填料复合体；
②当恶臭气体通过微生物/填料层时被吸附、吸收，再经由一些微生物降解使其成为基本无害的小分子，以达到消除恶臭的目的；
③当喷洒液体通过微生物/填料层时，可以清洗分解的产物和分离的生物膜，并调整微生物/填料层的周围环境状况，从而保证微生物/填料层的除臭性。

虽然生物滤池占地面积大，填料又要被频繁清洗更换，除臭反应过程不易控制,但其处理成本低,处理的效果好，仍被广泛所使用。有关研究显示，为气味降解而设计和操作的生物过滤器，在入口浓度较高的前提下也可以实现废气中生物气溶胶的显著减少——烟曲霉减少70%，总真菌减少71%，总嗜温细菌减少68%，革兰氏阴性菌减少50%[15]。Han等[16]用两相流生物过滤塔处理二氯乙烯废气，装置连续运行200d，去除效率始终保持在85%以上。

4.2 生物滴滤法

生物滴滤器使用的填料具有良好的保水性能，例如炉渣、碎石、陶粒、珍珠岩等，这些都是惰性填料，不能供给养分。这种多孔填料可作为生物生长的载体，其填料孔隙率也比其它生物滤池的大，使用全寿命长，阻力比较小，可大大防止填料堵塞的填料压实、短流漏和填料损失大等污染问题；
通过加入回流的液体，可以同时达到保存营养物质和微生物缓冲剂的两种目的；
通过用倒流后的液体可以除去微生物形成的代谢物[17]。生物滴滤池的污染物负荷比生物过滤池大，同时它还具有一定的缓冲性，处理卤化物、硫化物和含氮化合物会产生酸的污染物，采用生物滴滤系统可以调整pH值。因此，采用生物滴滤法对含卤化物、硫化物、氮化物等有害气体的治理具有较好的效果。关于生物滴滤降解VOCs的研究较多，Yang等[18]制备了小试规模及中试规模的生物滴滤池，将其应用于VOCs治理，当停留时间为59 s时，这两种不同规模的装置对VOCs的降解效率高于90%，是一种经济、高效的VOCs降解装置。Hosoglu等[19]研究发现，膜生物反应器和生物滴滤器对垃圾填埋中产生的柠檬烯的最大去除能力分别为17g/m3·h和31.3g/m3·h，对甲烷的去除效率分别为11%和18%。

4.3 生物洗涤法

生物洗涤法[20](也可称为“生物吸收法”)的基本原则是将主要的臭气成分转移到液相，再利用活性污泥方法对这些含有难闻成分的废水进行处理。目前按气液接触方式，生物洗涤法有曝气式和洗涤式。洗涤式脱臭法一般分为吸收塔和活性污泥塔两部分。与生物滤池相比，生物洗涤法的液相并不是固定的，而是流动的。这样能够很好地控制反应条件，便于添加缓冲剂等。该工艺能处理大量恶臭，且运行条件简单、占地面积少，在实践中应用广泛。

我国生物除臭技术广泛应用在污水处理中[21-22]。随着城市化进程的加快，城市固体废物数量日益增多，由此产生的恶臭污染问题引起了人们的关注。从源头到收集、转运再到处理厂最终回收处置，每一个流通环节都会产生各种恶臭，而生物除臭技术由于其投资少、效率高、操作维护简便、基本不会产生二次污染等优势，逐步被用于城市生活垃圾的处理。在此，针对城市生活垃圾的恶臭污染从源头、转运、处置等方面分别给出了不同的处理方案。

5.1 源头除臭技术

在日常生活在随处可见的垃圾桶为人们提供了方便，但也使周围环境受到了臭气污染，尤其是厨余垃圾腐烂、发酵所产生的臭气，给人们的生活造成了极大的影响。对于这种情况，相关部门可以对垃圾桶加盖处理并配合使用微生物除臭剂。吴义诚等[23]从垃圾填埋场的渗滤液中分离得到3个脱臭菌，并研制出了一种新型的微生物除臭剂，该产品对生活垃圾中的氨气、硫化氢和芳香性臭气的净化效果明显。结果显示，在新鲜的生活垃圾中，用除臭剂进行10分钟处理，其脱臭率可达到90%。同时，含有微生物的水雾又会同时在几个不同臭气源表面发生沉积,在各个有机物、臭气分子之间进行不断地渗透分解，能快速、有效地抑制蚊蝇繁殖。这种生物除臭剂产品还能快速改变微环境，不会再造成二次污染，不会对人类及动植物造成不良影响。Hong等[24]研究了生活垃圾中NH3和臭气浓度的去除效果。结果表明，在垃圾车内喷洒除臭剂后，NH3浓度下降90.9 %，臭气浓度下降92.8 %。

5.2 过程除臭技术

5.3 末端除臭技术

垃圾处理场建设是垃圾综合处理工程系统规划最核心的组成部分。我国目前的城市固体废物产生的大量环境问题，其中最突出的是恶臭。垃圾填埋场散发的恶臭对人类健康产生了巨大威胁[31]。近年来，国内外许多学者对利用生物脱臭技术进行了大量的探索。

Yun[32]将蚯蚓粪便与泥土混合料涂于垃圾填埋场，结果表明，对垃圾填埋场的硫化氢、甲硫醇、甲硫醚和二甲基二硫浓度影响最大，其脱除率均超过91%。研究人员开发出一种替代填埋场覆盖土的产品，它是一种由无纺布和微生物固定载体构成的生物复合材料，其除臭效果好，脱臭性能稳定[33]。Liu等[34]采用具有生物曝气区和生物过滤区的全尺寸组合生物反应器来处理垃圾填埋场排放的臭气、挥发性有机化合物和气溶胶，在稳定运行期间，H2S、NH3、VOCs、可培养细菌和真菌的平均去除率分别为97.21%、98.89%、92.44%、73.12%和81.89%。特别是，水溶性离子的浓度，通过组合式生物反应器显著降低。

除以上生物覆盖物的研究外，生物除臭剂、生物滤池等也已被应用于处理堆填区的臭气问题。吕丹丹等[35]采用4种实验模拟方式，设置4种不同环境，发现用微生物除臭剂可大幅度降低臭气浓度，处置效果较好。Li等[36]利用生物滤池处理垃圾填埋场的渗滤液，在稳态条件下，夏季的硫化氢总的脱除率大于90%，冬季大于80%。

恶臭是一种特有的空气污染，其物质组成和成分相当复杂，形成原因多样,具有高度季节性、复杂性和个体耐受性强等特征。生物脱臭技术具有传统脱臭工艺无法比拟的优点，对高浓度、高流量的恶臭气体有很好的治理作用。由于其具有高效、操作简单、成本低廉等显著特点，原位生物脱臭剂处理除臭技术在实践中越来越受到社会的认可和应用。目前我国具备自主研发知识产权的微生物除脱臭剂厂家较少，在生产实际与应用研究中普遍存在着适应性问题[37]。

生物除臭杀菌技术在世界上的普遍应用显然也有极其大局限性，某些微生物也仅能对具有特定性质的有毒恶臭物质等进行降解，除臭微生物的生长效果可能还同时受到臭菌剂及其添加剂量、环境、pH条件等因素的影响。因此，如何进一步确保微生物发挥除臭灭菌剂应有的环境生长适应优势，分离选育出具有较好的生物环境适应性的菌株并合理选择和搭配优化，还需要进一步探讨。

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