生活垃圾填埋場惡臭污染的測定與控制技術(shù)研究進展

周正偉， 張椰鳴， 夏金雨， 姚鳳根， 朱水元

(1.常州大學 環(huán)境與安全工程學院， 江蘇 常州 213164; 2.蘇州市環(huán)境衛(wèi)生管理處， 江蘇 蘇州 215007)

近年來，惡臭異味污染已經(jīng)成為中國環(huán)境投訴的一個焦點問題，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2018年惡臭投訴占到所有環(huán)境投訴的23%，成為僅次于噪聲污染的第二大投訴源[1]。作為大氣中惡臭氣體的重要來源之一，長久以來，生活垃圾填埋場產(chǎn)生的惡臭氣體污染嚴重影響了周邊的大氣環(huán)境質(zhì)量，以及填埋場工作人員與周邊居民的身心健康[2-4]，成為激化“鄰避效應”的主要原因之一。根據(jù)中國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《2018年城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》顯示，2018年中國存在無害化處理廠(場)1 091座，其中衛(wèi)生填埋場1 091座；無害化處理能力766 195 t/d，其中衛(wèi)生填埋373 498 t/d；無害化處理量為22 565.36萬t，其中衛(wèi)生填埋11 706.02萬t[5]?？梢姡m然近些年來占比有所下降，但填埋仍是中國生活垃圾無害化處理的主要手段。因此，針對生活垃圾填埋場惡臭污染測定和控制技術(shù)的研究已成為中國環(huán)境保護的一項重要內(nèi)容。

1 生活垃圾填埋場惡臭污染來源

2 生活垃圾填埋場惡臭污染分析與測定

垃圾填埋場惡臭氣體產(chǎn)生過程復雜，種類繁多，一般可分為含氮化合物、含硫化合物、芳香烴、飽和與非飽和烴、鹵代物、酸性烴等6大類[19]。垃圾填埋場惡臭氣體的組分和濃度受到垃圾成分、填埋工藝、填埋時間、地形、季節(jié)、氣象條件等諸多因素的影響[20-23]，且多數(shù)惡臭物質(zhì)的嗅閾值較低[24]。因此，對垃圾填埋場惡臭污染的分析與測定是一項重要且復雜的工作?？傮w上，惡臭污染的分析與測定技術(shù)可以分為感官分析法、儀器分析法以及儀器與感官分析相結(jié)合的方法等3大類(表1)。

表1 惡臭污染常用的分析和測定方法Table 1 Commonly used analytical methods for odorous pollution

2.1 感官分析法

惡臭作為一種感官污染，通常以人的嗅覺感知作為判斷標準，主要包括臭氣的強度和濃度2個指標。臭氣強度是指惡臭氣體在未經(jīng)稀釋的情況下對人體嗅覺器官的刺激程度。目前，中國采用的6級臭氣強度表示法將臭氣強度分為0～5級，其中0級為無臭，臭味越強烈，數(shù)字越大[34-35]，但0～5級并不呈現(xiàn)線性關(guān)系[36]。臭氣強度測定法具有簡便、直觀、無需儀器等優(yōu)點，但也存在著主觀性強，不適用于高濃度惡臭氣體的判定等缺點。

不同于臭氣強度對惡臭污染簡單的感官描述，臭氣濃度是對惡臭氣體污染的一種數(shù)量化的表示方法。臭氣濃度測定方法主要有靜態(tài)稀釋法(三點比較式臭袋法)和動態(tài)稀釋法(動態(tài)嗅覺儀測定法)2種。中國主要采用靜態(tài)稀釋法，即依據(jù)《空氣質(zhì)量 惡臭的測定 三點比較式臭袋法》(GB/T 14675—1993)來進行臭氣濃度的測定[37]。動態(tài)稀釋法在歐美國家應用較多，它與靜態(tài)稀釋法的主要區(qū)別在于其采用動態(tài)稀釋儀對臭氣樣品進行連續(xù)稀釋，因而在自動化程度和實驗質(zhì)量控制等方面具有一定的優(yōu)越性[38-39]。

臭氣強度和臭氣濃度等感官分析指標對惡臭氣體的分析是一種表面化、綜合化的描述，為了更好地研究惡臭氣體的物質(zhì)組成、濃度、分布以及擴散特征，近些年來儀器分析法被較多地應用于惡臭氣體的測定和組分鑒別。

2.2 儀器分析法

儀器測定法包括采用氣體傳感器(即電子鼻)進行臭氣濃度的監(jiān)測，以及使用氣相色譜儀(GC)和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)等分析儀器測定惡臭氣體的組分與濃度2類。電子鼻使用方便，可以實現(xiàn)臭氣濃度的在線連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測不同區(qū)域內(nèi)臭氣濃度的時空變化[40]。GC和GC-MS則可以提供惡臭氣體中化合物的組成與濃度相關(guān)方面的信息，在理解惡臭污染的機理以及采取針對性的防控措施等方面具有優(yōu)勢。尤其是近年來在氣體采樣、預處理、濃縮和檢測等技術(shù)上的進步，使用GC和GC-MS在填埋場周邊大氣中檢測出的化合物已多達上百種。表2比較了中國部分地區(qū)垃圾填埋場惡臭氣體中化合物的組分和濃度，可見含硫化合物(如H2S)、含氮化合物(如NH3)和芳香烴類化合物(如BETX，即苯、甲苯、乙基苯和二甲苯等)是填埋場惡臭氣體中3類主要的惡臭物質(zhì)，這也是中國填埋場惡臭氣體控制的重點污染物。

表2 中國部分地區(qū)生活垃圾填埋場惡臭氣體的組分與濃度對比Table 2 The comparison of contents and concentrations of odorous gases detected in some MSW landfills of China

但是，GC和GC/MS測定技術(shù)無法提供人類的嗅覺感知信息，因此無法提供量化物質(zhì)嗅覺刺激的線性相關(guān)性[41]。其中一種改進方法是采用GC-MS/O技術(shù)，即在使用GC-MS測量加上嗅覺檢測，原理與GC/MS相同，區(qū)別在于氣體經(jīng)過GC分離有一半的氣流由嗅辨員進行感官檢測，這種方法兼?zhèn)銰C的分離能力和人類嗅覺的高度敏感及辨別能力，能夠更好地分析惡臭氣體的污染程度。

3 垃圾填埋場惡臭污染控制技術(shù)

傳統(tǒng)的惡臭污染控制技術(shù)主要包括吸收法、吸附法、生物除臭法、燃燒法等，不同的惡臭控制技術(shù)適用范圍不同，治理效果也受到惡臭物質(zhì)組分、濃度、排放參數(shù)等因素的影響。對生活垃圾源的惡臭污染控制而言，目前普遍認為應對垃圾從收運至末端處置的全流程進行控制，控制手段主要包括垃圾收集源頭惡臭減量、垃圾中轉(zhuǎn)和運輸過程的惡臭控制、填埋場惡臭控制與處理3個方面[47]。具體到垃圾填埋場的末端控制，需要加強填埋場日常運行的精細化管理，例如最小作業(yè)面控制、進場道路平整、場區(qū)環(huán)境清潔等，垃圾填埋場目前采用較多的惡臭控制技術(shù)包括覆蓋法、噴藥除臭法和燃燒凈化法3大類。

3.1 覆蓋法

覆蓋法是在垃圾堆體上覆蓋天然或人工合成材料以達到吸收、降解或阻隔惡臭氣體的方法，通常包括日覆蓋、中場覆蓋和封場覆蓋。黏土是一種使用最為廣泛的天然覆蓋材料。高密度聚乙烯(HDPE)膜除了作為封場的覆蓋材料外，近些年來也常被用作填埋場最小作業(yè)面控制的覆蓋材料，即在每日作業(yè)完畢時使用HDPE膜對作業(yè)面進行覆蓋，以達到阻隔或減緩惡臭氣體擴散的目的。吳傳東等[48]研究了北京某生活垃圾填埋場作業(yè)面覆膜的效果，結(jié)果表明，相比于裸露的作業(yè)區(qū)域，覆膜區(qū)在夏、秋和冬季的氣體污染物總化學含量分別減少了12.4%，30.7%和43.6%，臭氣含量同比分別下降了61.8%，62.1%和78.6%。不過，需要注意的是，填埋場作業(yè)面夜間覆膜后，會發(fā)生惡臭氣體在膜下不斷集聚，繼而在次日作業(yè)啟動時集中釋放惡臭氣體的現(xiàn)象[49]。因此，在作業(yè)區(qū)域覆膜的同時，如果配合膜下穿孔管負壓抽氣并進行臭氣處理，則可以更好地控制填埋場作業(yè)面的臭氣釋放。

近些年來，一些利用廢物進行資源化的生物覆蓋材料被較多地用作填埋場替代覆蓋材料的研究，例如垃圾堆肥產(chǎn)物[50]、礦化垃圾[51-53]、蚯蚓糞[54]、剩余活性污泥處理產(chǎn)物及與其他材料的混合物[55-57]等。生物覆蓋材料內(nèi)部一般富含微生物菌群，對部分惡臭物質(zhì)具有較好的降解效果[58-60]。DING等[61]比較了添加生物炭的剩余污泥堆肥產(chǎn)物、礦化垃圾和黏土作為覆蓋材料對削減填埋場H2S效果的實驗和現(xiàn)場試驗，結(jié)果顯示添加木炭的剩余污泥堆肥產(chǎn)物效果最好，對H2S的削減量分別達到88%(實驗室)和82%(現(xiàn)場試驗)。進一步試驗表明，添加生物炭的剩余污泥堆肥產(chǎn)物作為填埋場覆蓋材料時，對NH3和含硫揮發(fā)性有機物同樣具有較好處理效果，最高可以削減80%以上[62]。

對生物覆蓋材料中微生物菌種進行鑒別與測定對理解其削減惡臭氣體組分的機理具有重要意義。LEE等[63]模擬了生物覆蓋材料(m(托勃莫來石型硅酸鈣)∶m(黏土)∶m(蚯蚓糞)=2∶1∶1)在抑制甲烷、三甲胺和二甲基硫醚中微生物的組成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雖然覆蓋層上層甲烷菌的組成基本沒有變化，但是覆蓋層的中下部分對三甲胺和二甲基硫醚有關(guān)的微生物含量增多。繼而，LEE等[64]采用一種生物覆蓋材料(V(黏土)∶V(珍珠巖)∶V(蚯蚓糞)∶V(堆肥產(chǎn)物)=6∶2∶1∶1)的中試裝置，相比于常規(guī)填埋覆土，其對惡臭氣體的削減量可達85%以上，相應的臭氣強度也大幅降低。XIA等[60]研究了填埋場H2S去除與覆蓋材料中微生物菌群的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與普通覆土相比，生物覆土材料中硫代謝細菌(Ochrobactrum,Paracoccus,Comamonas,Pseudomonas和Acinetobacter)占主導，其對H2S的去除率也較高。DING等[62]的研究也發(fā)現(xiàn)Alicyclobacillus和Tuberibacillus與H2S、芳香烴、有機硫化物、有機酸的去除呈正相關(guān)，而Rhodanobacter，Gemmatimonas，F(xiàn)lavisolibacter和Sphingomonas與NH3去除的相關(guān)性較強?？傮w而言，關(guān)于生物覆蓋材料中微生物菌種與惡臭物質(zhì)削減之間聯(lián)系的研究仍處于起步階段，且選擇的目標污染物仍集中于NH3，H2S和部分芳香烴等惡臭物質(zhì)，對于其他惡臭物質(zhì)特征降解菌群的分離與鑒別也有待研究。

3.2 噴藥除臭法

通過噴灑除臭劑可以對垃圾填埋場的惡臭氣體起到掩蔽、中和、吸收或降解的作用，從而削減或消除惡臭污染。除臭劑包括化學除臭劑、植物除臭劑、微生物除臭劑以及復合除臭劑等。其中，植物除臭劑是從天然植物中提取汁液，經(jīng)微乳化后和水形成的一種無毒無污染試劑，對酸性、堿性和中性惡臭氣體均起作用，是一種環(huán)境友好的除臭劑[65]。植物提取液的原料來源廣泛，除臭機理主要是提取液中的活性成分可以與惡臭物質(zhì)發(fā)生加成反應、降解反應、氫鍵吸附或物理吸附反應[66]，從而實現(xiàn)惡臭污染的削減及去除。例如，茶葉提取液中的表兒茶素(EC)、沒食子表倍兒茶素酸酯(EGCg)、表倍兒茶素(EGC)等活性成分[67-68]，對甲硫醇等含硫化合物就具有較好的去除效果。

噴藥除臭法應用范圍廣，可以在垃圾的傾卸過程、道路兩側(cè)、填埋氣導氣管出口、作業(yè)面以及填埋場廠界等區(qū)域進行噴灑。除臭液噴灑的方式也多種多樣，可以進行人工噴灑，或采用噴霧立桿，以及使用固定式或移動式的風炮車等工具進行噴灑。張彥敏等[69]在深圳市下坪生活垃圾填埋場作業(yè)面進行試驗，選用某微生物型除臭劑，采用長管車噴灑，噴灑后，周邊監(jiān)測點區(qū)域H2S和NH3含量分別降低78.2%～92.9%和38.5%～58.3%，效果較好。上海市老港填埋場將除臭藥劑通過輸藥管線輸送到各個噴頭，經(jīng)專用噴嘴或霧化器噴灑成霧狀，在場區(qū)邊界形成一道“水幕”來截斷臭氣的傳播與擴散[70]。杭州天子嶺垃圾填埋場對場區(qū)各工段、道路、污水處理區(qū)等采用智能化設(shè)備于工作時間內(nèi)不間斷噴灑除臭藥劑，同時，在填埋區(qū)也設(shè)置大功率除臭風炮，場區(qū)的監(jiān)測人員與嗅辨員會實時根據(jù)場區(qū)的實際惡臭污染情況調(diào)整藥劑的用量，除臭效果較為顯著[71]。

總體而言，噴藥除臭法使用方便、應用方式靈活、除臭效果較好，是一種垃圾異味氣體的全流程控制技術(shù)。目前，對于除臭藥劑除臭機理的研究仍集中于少數(shù)常見的惡臭物質(zhì)，其與以苯系物為代表的揮發(fā)性有機物(VOCs)，以及與多種惡臭物質(zhì)的協(xié)同與拮抗作用等過程的機理仍有待研究。

3.3 燃燒凈化法

燃燒凈化法是將填埋場收集的惡臭氣體通過燃燒氧化的方式，將有害物質(zhì)氣化燃燒或高溫分解，轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)的方法，通常需要燃料油(氣)進行輔助燃燒。燃燒法主要包括直接燃燒法、催化燃燒法和蓄熱燃燒法(RTO)，目前應用較多的主要是直接燃燒法。其中，作為一種敞開式直接燃燒法，火炬燃燒法工藝簡單、凈化效率高，但是存在運行成本高、不能回收熱力資源以及二次污染的問題，已不被推薦為惡臭污染的治理技術(shù)。RTO技術(shù)通常應用于工業(yè)源VOCs氣體的治理，在控制垃圾填埋場惡臭氣體方面仍處于初始階段。RTO技術(shù)除臭的原理是將臭氣升溫至850 ℃以上，停留時間1 s，其中的有機可燃組分被氧化分解為CO2和H2O，而氧化產(chǎn)生的熱量用于預熱系統(tǒng)中新進入的臭氣，從而可以節(jié)省燃料消耗，降低運行成本。上海老港綜合填埋場建設(shè)了處理量為3 000 m3/h的RTO示范工程，用于處理作業(yè)面表層覆膜后收集的惡臭氣體，凈化效果一般可達90%[72]。

燃燒凈化法凈化效率高，惡臭物質(zhì)可以被完全燃燒分解，主要適用于中高濃度有機惡臭氣體的處理。但是，燃燒法凈化設(shè)備投資大，一般需要添加助燃燃料，處理成本高，且容易形成二次污染。因此，垃圾填埋場惡臭氣體控制的重點應集中在實行垃圾分類的基礎(chǔ)上，優(yōu)化填埋工藝，在源頭減少惡臭物質(zhì)的產(chǎn)生，并結(jié)合填埋場精細化管理，從而實現(xiàn)對垃圾填埋場惡臭污染的有效管控。

4 垃圾填埋場惡臭物質(zhì)排放標準

作為世界上較早制定惡臭排放標準的國家，日本于1966年發(fā)布了以食鹽水平衡法測定惡臭濃度為基礎(chǔ)的《宮城公害防止條例》，而后在1971年頒布了《惡臭防止法》，規(guī)定了5種常見惡臭污染物的排放標準；1995年，《三點比較式臭袋法》被正式寫入《惡臭防止法》，惡臭物質(zhì)監(jiān)管對象也增加至22種。美國于1971年頒布了《清潔空氣法》，之后全美各州陸續(xù)規(guī)定了各自的法律法規(guī)。在歐洲，荷蘭于1971年發(fā)布了《空氣質(zhì)量大綱》，該法是歐盟國家的第一個國家級臭氣排放標準。德國于1980年制訂出臺了《聯(lián)邦侵害防治法》和《有關(guān)空氣質(zhì)量的控制的技術(shù)指針》，對惡臭污染物質(zhì)的排放濃度進行了限制。2003年4月，歐盟頒布EN 13725:2003標準，以替代以往歐盟各國的國家惡臭環(huán)境標準。目前，西方發(fā)達國家已經(jīng)建立了包括國家和地方法規(guī)、測試方法、操作人員認證制度和質(zhì)量控制標準的一套完整的惡臭控制體系。

中國目前涉及惡臭污染控制的法律法規(guī)主要是2018年修訂的《中華人民共和國大氣污染防治法》，以及1993年頒布的《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—1993)和1996年頒布的《大氣污染物綜合排放標準》(GB 16297—1996) 2項國家標準。其中，作為惡臭污染物質(zhì)監(jiān)測和排放主要依據(jù)的《惡臭污染物排放標準》僅規(guī)定了氨、硫化氫、三甲胺、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳和苯乙烯共8種惡臭物質(zhì)的排放限值。隨著人們對環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，其已不能完全適應中國當前和今后生態(tài)環(huán)境保護的需要。2018年，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《惡臭污染物排放標準(征求意見稿)》，加嚴了惡臭污染物的排放限值和周界濃度限值，完善了污染物排放控制要求和監(jiān)測要求，并強化了惡臭污染物排放單位的主體責任。隨著惡臭污染物監(jiān)測和控制技術(shù)的不斷提高，并按照新修訂的標準限值要求，生活垃圾填埋場運營和管理單位通過“源頭削減、過程控制、末端治理”等措施，可以實現(xiàn)對填埋場惡臭氣體排放的有效管理。

5 總 結(jié)

生活垃圾填埋場的惡臭污染會嚴重影響周邊的大氣環(huán)境質(zhì)量，容易引發(fā)“鄰避效應”。填埋場臭氣污染狀況受到諸如環(huán)境、地形、氣候等多方面因素的影響，對其的監(jiān)測與控制是一項綜合性、系統(tǒng)性的工程。

1) 需要研究填埋場惡臭氣體的排放和擴散規(guī)律，開發(fā)可靠性和精確度較高的現(xiàn)場監(jiān)測體系，建立垃圾填埋場惡臭污染預警機制，并完善針對惡臭污染的應急處置方案，從而減少垃圾填埋場惡臭氣體對周邊大氣環(huán)境的影響。

2) 在對垃圾填埋場實現(xiàn)精細化管理和惡臭污染末端治理的基礎(chǔ)上，需要進一步將惡臭污染控制措施前移，注重在垃圾收運、中轉(zhuǎn)和運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的惡臭污染控制，從而實現(xiàn)生活垃圾惡臭控制的全流程管理。

3) 中國的《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—1993)中僅對氨、甲硫醇等8種惡臭污染物進行了控制，而《大氣污染物綜合排放標準》(GB 16297—1996)中規(guī)定的部分惡臭物質(zhì)的控制限值也不完全符合人們對惡臭物質(zhì)的嗅覺感知，因此會出現(xiàn)惡臭物質(zhì)的排放達標，但仍被附近居民投訴的現(xiàn)象。隨著《惡臭污染物排放標準(征求意見稿)》的發(fā)布，結(jié)合惡臭污染監(jiān)測能力的提升和生活垃圾全流程管理理念的執(zhí)行，生活垃圾填埋場惡臭污染物的控制水平將得到穩(wěn)步提升，并進一步減少對周邊環(huán)境的影響。