生物除臭菌劑除臭效能及其對微生物影響研究

唐 建，唐恒軍，司馬衛(wèi)平，梁 超，邱忠平

（1. 四川輕化工大學土木工程學院，四川 自貢 643000；2. 西南交通大學生命科學與工程學院，成都 610031）

引言

當前，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展以及城市化進程的不斷加速，生活垃圾產(chǎn)量不斷增加。而我國又是以衛(wèi)生填埋作為垃圾處理的主要方式，垃圾填埋場產(chǎn)生的惡臭已經(jīng)引起了人們的高度重視［1-5］。惡臭物質不僅會使人產(chǎn)生不快和厭惡感，還會危害人們的健康甚至生命，因而國外有些國家較早地開始了這方面的研究，對惡臭實行專項立法，把惡臭污染作為一種公害。

目前除臭方法主要有物理法、化學法和生物法［3,4,6-10］。物理法和化學法往往存在設備昂貴、運行費用高、持續(xù)時間長、有可能產(chǎn)生二次污染等問題［2-4,6-7,11-12］。生物法是利用微生物的新陳代謝將惡臭組分吸收、氧化分解成二氧化碳、水以及組成微生物細胞物質。由于其除臭效率高、運行成本低、不會產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點［4,7,13］，目前已經(jīng)成為除臭技術研究的熱點。孫杰分析了餐廚垃圾處理過程中，惡臭產(chǎn)生來源、成分及處理措施，通過采用投加復合生物菌種除臭，達到了理想的除臭效果［1］。黎青松等采用生物除臭劑對生活垃圾填埋場除臭效果進行試驗研究，結果發(fā)現(xiàn)添加生物除臭劑后能使氨氣濃度降低45%，硫化氫濃度降低60%，達到了良好的除臭效果［14］。

針對垃圾填埋場產(chǎn)生的臭氣問題和生物除臭法的優(yōu)點，通過從自然界中篩選具有除臭功能的優(yōu)勢菌種并制備成除臭菌劑，投加到準好氧型生物反應器填埋場中，探討優(yōu)勢除臭菌劑對硫化氫和氨氣的去除效果以及加速垃圾填埋場穩(wěn)定化進程的影響。在此基礎上，為垃圾填埋場生物除臭提供相關理論和應用依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本試驗裝置主要包括準好氧型生物反應器垃圾填埋區(qū)和滲濾液收集池兩個部分。試驗設置兩組反應器：投加復合生物除臭菌劑的準好氧生物反應器即試驗組（A+）、未投加復合生物除臭菌劑的準好氧生物反應器即對照組（A）。將準好氧型生物反應器裝置外部與大氣連通的通氣管閥門打開，通氣管實現(xiàn)與外界大氣連通，利用反應器內(nèi)外存在的氣壓差與溫壓差，形成大氣對流，從而實現(xiàn)向裝置內(nèi)填埋的垃圾體提供氧氣（圖1）。

圖1 試驗裝置圖

準好氧型生物反應器填埋裝置主體由聚氯乙烯（Poly Vinyl Chloride，PVC）材料制成（圖1），主要包括垃圾填埋區(qū)、滲濾液收集與回灌系統(tǒng)、自然通風系統(tǒng)、固體取樣孔及反應器底座等幾部分組成。準好氧型生物反應器總體高度為1000 mm，主要由底部滲濾液收集池和上部垃圾填埋區(qū)所組成，兩者之間有一活動的有空擋板，兩者的內(nèi)徑均為300 mm。底部滲濾液收集池高250 mm，底座支架高250 mm，上部的垃圾填埋區(qū)高500 mm。

1.2 氣體采樣裝置

氣體采樣裝置如圖2 所示，主要由氣體吸收管、流量計和采樣泵3 部分組成。采樣時將氣體進氣管放于反應器表面，調節(jié)好流量，然后啟動氣體采樣泵，氣體經(jīng)過氣體吸收管與液體時，被富集于液體中，本研究主要富集硫化氫和氨氣。

圖2 氣體采樣裝置

1.3 準好氧型生物反應器運行

本次試驗用的生活垃圾主要收集于城市居民生活小區(qū)和菜市場。垃圾裝填之前，先進行裝置清理與洗滌工作，并檢查通風孔、通風管道、水流管道及其閥門是否完好。待檢查完畢后，在反應器活動擋板上面鋪一個圓形的鐵絲網(wǎng)（20 目）作為格柵，防止堵塞，再鋪設一層厚度為30 mm ～50 mm 的小石子，該小石子主要對滲濾液中的固體殘渣起過濾作用。在小石子的上面進行垃圾填裝。為了保證一定的壓實度和垃圾均勻性，每次填裝5.0 kg 垃圾后分層壓實。垃圾填裝完畢后，在垃圾體上方鋪設一層厚度為30 mm ～50 mm 的小石子，作為填埋場的覆蓋層。裝填工作完成以后，將反應器的自然通風管閥門開啟，以保證垃圾體內(nèi)的通風管道與外界的大氣連通形成對流，從而達到準好氧的條件，相關的運行參數(shù)見表1。

表1 垃圾裝填及運行相關參數(shù)

1.4 復合生物除臭菌劑組成及其投加方式

研究采用的復合生物除臭菌劑是由2 株假單胞菌屬（Pseudomonassp.）、1 株畢氏酵母屬（Pichia Hansensp.）和1 株根霉屬（Rhizopussp.）組成的復合生物菌劑，經(jīng)過擴大培養(yǎng)后，按照垃圾質量的4.0% 噴灑于填滿垃圾的準好氧型生物反應器表面。

1.5 分析項目和方法

將氣體采樣器收集后的樣品進行分析［15］：氨氣采用次氯酸-水楊酸分光光度計法，硫化氫采用亞甲基藍分光光度計法；從反應器固體取樣孔采集固體垃圾樣品，然后分別接種于硫化細菌、反硫化細菌、氨化細菌、硝化細菌培養(yǎng)基中培養(yǎng)，然后采用計數(shù)測定法計數(shù)，研究復合生物除臭菌劑對微生物的影響。

2 結果與分析

2.1 復合生物除臭菌劑除臭效能研究

2.1.1 復合生物除臭菌劑對硫化氫去除效能研究

垃圾在降解過程中，在氧氣含量不足的條件下，含硫有機物和硫酸鹽等物質將轉化為硫化氫為主的臭氣組分［3,4,16-17］。通過監(jiān)測硫化氫的含量，便可以研究除臭菌劑對臭氣組分的去除效果。在試驗周期內(nèi)，監(jiān)測硫化氫濃度的變化趨勢如圖3所示。

從圖3 可以看出，加入除臭菌劑對臭氣組分中的硫化氫具有一定的去除效果，去除率的變化趨勢為：從試驗開始時的21.28% 到第10 d 時的42.27%，去除率一直處于上升狀態(tài)，這對于垃圾開始分解階段產(chǎn)生大量硫化氫氣體，非常有環(huán)保意義。另外從第47 d 到試驗結束時，去除率一直處于上升的趨勢，從35.42% 升高至70.70%。在整個試驗階段，試驗組共采集到硫化氫97.42 mg，對照組共采集到硫化氫151.04 mg，總去除率為35.50%。說明投加除臭菌劑能減少硫化氫的總釋放量?？傮w而言，在試驗周期內(nèi)，添加復合生物除臭菌劑有利于減少硫化氫氣體的釋放，這可能是因為硫化氫氣體被氧化為單質硫和硫酸鹽固定于垃圾填埋場中，減少了氣體硫化物的釋放。

圖3 硫化氫濃度變化及去除效能

2.1.2 復合生物除臭菌劑對氨氣去除效能研究

填埋場中的氨氣主要來源于動植物殘體中含氮有機化合物的分解，該過程主要由填埋場中的氨化細菌完成。氨化作用可以在好氧和厭氧條件下進行，但是以好氧微生物降解含氮有機化合物的速率最快［13-15,18］。在試驗周期內(nèi)監(jiān)測氨氣濃度變化趨勢如圖4所示。

圖4 氨氣濃度變化及去除效能

從圖4 可以看出，氨氣的去除率在試驗周期內(nèi)波動較大。氨氣的去除率從試驗剛開始時的24.93% 下降到第6 d 時18.77%，而后第10 d 升高到36.02%，去除率一直處于上升狀態(tài)，表明垃圾中的有機氮轉化成氨氮，有利于生活垃圾穩(wěn)定化加速。第12 d 又下降到20.64%。從第12 d 到第38 d 這段時期內(nèi)，氨氣去除率表現(xiàn)出較小幅度的上升階段，由第12 d 的20.64% 升高到第38 d的33.83%，說明該時期內(nèi)投加除臭菌劑對氨氣去除較穩(wěn)定。從第47 d 直至試驗結束時，氨氣的去除率都維持較 高 水 平。 從 第47 d 的23.45% 升 高 至 第58 d 的78.70%。這可能是因為含氮有機物分解殆盡。在整個試驗階段，試驗組共采集到氨氣196.07 mg，對照組共采集到氨氣285.40 mg，總去除率為31.30%。這表明硝化細菌將氨轉化成亞硝酸鹽和硝酸鹽，減少了氨氣的揮發(fā)。因此投加除臭菌劑能減少氨氣的釋放量，具有較好的除臭效果。

2.2 復合生物除臭菌劑對微生物影響研究

通過投加優(yōu)勢除臭菌劑，能夠增加與臭氣轉化相關微生物的數(shù)量，加快對硫化氫和氨氣的代謝過程，從而使硫化氫和氨氣的釋放量減少。除臭菌劑后投加后對準好氧型生物反應器填埋場中與硫元素和氮元素轉化相關微生物的影響進行了研究。可以確定相關微生物的數(shù)量變化，從而有利于進一步研究微生物除臭機理。

2.2.1 硫化細菌

硫化細菌能將還原態(tài)的硫化物（硫化氫、硫代硫酸鹽等）氧化為硫單質，再經(jīng)過氧化生成硫酸鹽，從而達到去除臭氣的目的［1,8,11,19-20］。因此，分析填埋場內(nèi)的硫化細菌數(shù)量非常重要。在試驗周期內(nèi)，監(jiān)測硫化細菌數(shù)量變化趨勢，如圖5所示。

圖5 硫化細菌數(shù)量變化

從圖5可以看出，在試驗進行的117 d中，試驗組和對照組硫化細菌數(shù)量變化趨勢基本一致，都是先增多，后減少。試驗前期，試驗組硫化細菌數(shù)量由試驗開始時的4.4 × 106快速增加，第21 d 時達到整個試驗周期的峰值2.1 × 108個。這表明試驗周期的前21 d，硫化細菌數(shù)量呈現(xiàn)快速上升的趨勢，硫化細菌將硫化氫轉化為硫單質，固定于垃圾介質中，有利于硫化氫氣體的減少。而后直至試驗結束，硫化細菌數(shù)量一直處于下降的趨勢，到試驗結束時，試驗組硫化細菌的數(shù)量為1.2 × 104個。對于對照組，硫化細菌數(shù)量由試驗開始時的3.9 × 105個快速上升到峰值6.8 × 107個，之后直到試驗結束時，硫化細菌數(shù)量為2.5 × 103個。與對照組的硫化細菌數(shù)量相比，在整個試驗階段試驗組硫化細菌數(shù)量具有明顯的優(yōu)勢。到試驗后期，硫化細菌可利用的底物（硫化氫、硫代硫酸鹽等）以及垃圾填埋場內(nèi)可供微生物降解物質不斷減少，造成硫化細菌進入內(nèi)源呼吸期，數(shù)量不斷減少。

2.2.2 反硫化細菌

反硫化細菌在厭氧條件下將硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽和次亞硫酸鹽還原為硫化氫的過程稱為反硫化作用［2,6,21］。在此反應中，微生物利用硫酸鹽等硫化物中的氧作為最終電子受體，將有機物分解獲得能量。小部分被還原的硫用于合成微生物細胞物質，大部分以硫化氫氣體的形式釋放到微生物細胞體外。在試驗周期內(nèi)監(jiān)測反硫化細菌數(shù)量，變化趨勢如圖6所示。

圖6 反硫化細菌數(shù)量

從圖6 可以看出，在整個試驗周期內(nèi)試驗組和對照組反硫化細菌數(shù)量變化趨勢基本一致，都是先增多，后減少。這可能是因為試驗前期垃圾組分中有機物質被微生物大量分解，為反硫化細菌生長提供大量營養(yǎng)物質，同時利用硫酸鹽作為電子受體將硫元素還原為硫化氫氣體，這與試驗前期監(jiān)測到的硫化氫濃度快速升高相符合，反硫化細菌在該段試驗周期內(nèi)增長速度較快，造成硫化氫釋放量增加，使試驗初期監(jiān)測到硫化氫濃度呈現(xiàn)快速增長的趨勢。試驗進行到第14 d 以后，反硫化細菌數(shù)量快速下降。這是因為到試驗中后期，營養(yǎng)物質基本消耗完畢，反硫化細菌進入內(nèi)源呼吸期，造成反硫化細菌數(shù)量快速下降。針對試驗組和對照組具體分析，從試驗剛開始到試驗第14 d 試驗組與對照組反硫化菌數(shù)量快速上升，這表明試驗周期的前14 d，反硫化細菌一直處于增長的趨勢，有利于與硫元素轉化相關微生物生長繁殖，促進生活垃圾中硫元素的循環(huán)。從第14 d 以后直至試驗結束，反硫化細菌數(shù)量一直處于下降趨勢，試驗結束時試驗組反硫化細菌的數(shù)量為4.2 × 103個，對照組反硫化細菌的數(shù)量為2.6 × 102個。在整個試驗周期內(nèi)，試驗組反硫化細菌數(shù)量比對照組反硫化細菌數(shù)量多，這說明投加反硫化細菌，有利于垃圾填埋場中硫元素的循環(huán)。

2.2.3 氨化細菌

垃圾填埋場中動植物殘體中含有大量含氮有機物，這些含氮有機物在氨化細菌的作用下，將含氮有機化合物分解后產(chǎn)生氨氣，其中一部分釋放，一部分氨氣溶于水即形成滲濾液氨氮［4,7,16-17,22］。因此研究反應器內(nèi)的氨化細菌數(shù)量對臭氣的控制具有重要的意義。監(jiān)測氨化細菌數(shù)量變化趨勢如圖7所示。

圖7 氨化細菌數(shù)量

圖7 中，在試驗周期內(nèi)，試驗組和對照組氨化細菌數(shù)量變化趨勢基本相同，先升高，后降低。由試驗剛開始到第15 d 氨化細菌數(shù)量迅速增加，這表明在試驗周期前15 d，氨化細菌在垃圾中大量積累，將垃圾中的有機氮（蛋白質、胺類、氨基酸等）經(jīng)過氨化過程轉化成氨氮，造成試驗初期釋放氨氮量增加。此后直到試驗結束時，一直維持下降的趨勢。到試驗結束時，試驗組氨化細菌數(shù)量為2.5 × 103個，對照組氨化細菌數(shù)量為1.2 × 103個。試驗初期，氨化細菌增加的主要原因是垃圾填埋過程中進入大量氧氣，垃圾中含氮大分子有機物不斷地降解為小分子有機物，為好氧型氨化細菌提供生長繁殖所需的營養(yǎng)物質，表現(xiàn)為氨化作用不斷增強，同時監(jiān)測到氨氣釋放量和滲濾液中氨氮濃度也不斷增加。氨氣測定結果表明，試驗組和對照組在第10 d 氨氣釋放量達到峰值，分別為12.17 mg、19.03 mg。隨著含氮物質不斷減少和含碳有機物不斷分解、氧氣的不斷消耗，以及滲濾液中氨氮含量不斷升高，氨化細菌的活性受到抑制，表現(xiàn)為氨化細菌數(shù)量不斷的減少。在試驗周期內(nèi)，試驗組氨化細菌數(shù)量大于對照組，氨化細菌將含氮有機物轉化成氨氮溶于滲濾液中，減少了固體垃圾中氨氮釋放量。

2.2.4 硝化細菌

臭氣組分中的氨氣在亞硝化細菌和硝化細菌的共同作用下完成硝化作用，硝化作用分為兩個步驟：氨氣首先經(jīng)過亞硝化細菌的亞硝化作用將氨氣氧化為亞硝酸鹽，再經(jīng)過硝化細菌的硝化作用氧化為硝酸鹽，在這一過程中需要大量的氧［2,6,12-13,21］。硝化細菌數(shù)量變化如圖8所示。

圖8 硝化細菌數(shù)量

從圖8 可以看出，在試驗周期內(nèi)試驗組和對照組硝化細菌數(shù)量的變化趨勢基本趨于一致，先升高，后下降，再升高，再下降的趨勢。從試驗剛開始到試驗第15 d硝化細菌數(shù)量快速上升，硝化細菌利用氨化細菌產(chǎn)生的氨作為底物將氨氧化成硝酸鹽和亞硝酸鹽，從而減少氨氣的釋放，達到除臭的目的。隨著氨氮的不斷消耗，硝化細菌可利用的底物減少，造成硝化細菌數(shù)量在試驗后期呈現(xiàn)快速下降的趨勢。第40 d 達到試驗周期的峰值以后，直至試驗結束，硝化細菌數(shù)量一直處于快速下降的趨勢，到試驗結束時試驗組硝化細菌數(shù)量為4.8 × 104個，對照組硝化細菌數(shù)量為4.9 × 103個。試驗前期，由于含氮有機物（蛋白質、脲、核酸、胺）在微生物分泌酶的水解下，形成小分子氨，在底物充足的條件下，硝化作用快速增強，有利于硝化細菌快速繁殖，所以試驗前期硝化細菌數(shù)量增長較快。試驗后期，由于底物、氧氣不斷消耗，造成硝化細菌數(shù)量下降。

3 結束語

通過分析試驗組和對照組氨氣和硫化氫濃度的變化規(guī)律及與這兩種氣體轉化相關的微生物的數(shù)量變化，研究復合生物除臭菌劑對氨氣、硫化氫去除效能及其微生物的影響。結果發(fā)現(xiàn)投加優(yōu)勢菌種能夠增加反應器內(nèi)微生物的數(shù)量，減少硫化氫和氨氣的釋放量，抑制填埋場臭氣的產(chǎn)生。通過投加復合生物除臭菌劑硫化氫總去除率為35.50%，氨氣總去除率為31.30%。