惡臭污染治理的研究進(jìn)展及展望

陳 敢，高子慧，何 拓，牛冬杰

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

惡臭污染屬于大氣污染范疇，作為世界七大環(huán)境公害之一，已經(jīng)成為環(huán)境污染的熱點(diǎn)問題，也是公眾生活中日益突出的社會問題．惡臭主要來源于石油化工、制藥、橡膠、造紙等工業(yè)企業(yè)的點(diǎn)源污染，以及污水處理廠、固廢處理廠、畜牧養(yǎng)殖、垃圾收運(yùn)等線、面源污染，涉及行業(yè)眾多．惡臭成因和氣體組分復(fù)雜，存在時效性和不確定性，并且易與環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)造成二次污染．

近年來，隨著我國對惡臭污染的逐漸重視，惡臭污染識別、評價、監(jiān)管和治理工作方面已有積極進(jìn)展[1-3]，但與水污染治理相比還存在較大差距，仍面臨難題．惡臭污染治理領(lǐng)域的綜述報道較少，缺乏該領(lǐng)域文獻(xiàn)的宏觀層面分析．CiteSpace軟件是由陳超美教授團(tuán)隊開發(fā)的一個Java應(yīng)用程序，以視覺圖表形式交互探索研究熱點(diǎn)及前沿主題，已被應(yīng)用于分析眾多科學(xué)研究領(lǐng)域的演變情況，是目前最具影響力的文獻(xiàn)計量可視化工具之一[4]．本文基于文獻(xiàn)計量學(xué)的分析方法，應(yīng)用CiteSpace軟件，對我國2001—2021年惡臭污染治理研究領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析，從宏觀層面展示該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，分析其研究熱點(diǎn)及研究主題．在此基礎(chǔ)上，提出了惡臭污染治理策略，以期為未來惡臭污染治理提供支撐．

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文以中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(CNKI)為文獻(xiàn)檢索平臺，數(shù)據(jù)庫設(shè)定檢索式為：(主題=惡臭+臭氣)AND(治理+處理+控制+去除+評價+測定+分析+指標(biāo)+污染+物質(zhì))，文章類型設(shè)定為核心期刊，檢索時間跨度為2001—2021年，得到942個檢索結(jié)果，對檢索結(jié)果進(jìn)行逐條篩選，剔除不相關(guān)或重復(fù)文獻(xiàn)，得到713篇有效文獻(xiàn)，將篩選后的文獻(xiàn)導(dǎo)出，作為數(shù)據(jù)樣本．

1.2 研究方法

本文運(yùn)用CiteSpace 6.1.R3進(jìn)行可視化分析，對所篩選的文獻(xiàn)進(jìn)行計量研究．在CiteSpace軟件中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型選擇關(guān)鍵詞，時間跨度為2001—2021年，時間切片均選擇一年，在每個切片中選擇g-index的比例因子K=25進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，運(yùn)行軟件得到惡臭污染治理研究領(lǐng)域的可視化圖譜．

2 結(jié)果與分析

2.1 研究熱點(diǎn)分析

關(guān)鍵詞是對文章主題的高度概括，通過對關(guān)鍵詞的分析可以了解領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)．圖1為關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖．基于圖1，對文獻(xiàn)關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)分析，其中圓圈越大，表示此關(guān)鍵詞出現(xiàn)的度中心性越高；顏色越淺，表示該關(guān)鍵詞出現(xiàn)的文獻(xiàn)年份越近，顏色越深，年份越遠(yuǎn)；節(jié)點(diǎn)之間的連線表明關(guān)鍵詞之間的共現(xiàn)關(guān)系，線條的顏色深淺對應(yīng)出現(xiàn)聯(lián)系的年份．

圖1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖Fig.1 Keyword co-occurrence chart

由于顯示的名稱有限，圖1中出現(xiàn)名字的節(jié)點(diǎn)為出現(xiàn)頻次較多、突現(xiàn)或具有較高中心性的關(guān)鍵詞．結(jié)合惡臭污染治理領(lǐng)域的研究內(nèi)容，剔除“惡臭”“惡臭氣體”“臭氣”“除臭”“惡臭污染”“惡臭物質(zhì)”“惡臭控制”等寬泛的關(guān)鍵詞后，按出現(xiàn)頻次排名前10的關(guān)鍵詞，如表1所示．

表1 詞頻前十的關(guān)鍵詞Tab.1 Top 10 keywords in word frequency

“硫化氫”“氨氣”的出現(xiàn)頻次名列前茅，揭示了我國對惡臭污染源氣體中的硫化氫和氨氣的研究關(guān)注度高．“生物除臭”“生物濾池”“微生物”等方法出現(xiàn)頻次高，生物處理的關(guān)鍵詞存在高度中心性，表明在該領(lǐng)域惡臭污染處理技術(shù)的研究側(cè)重于生物處理方面．

突現(xiàn)關(guān)鍵詞是某一時間階段內(nèi)出現(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞，突現(xiàn)強(qiáng)度可以表明關(guān)鍵詞的熱點(diǎn)程度，可反映該階段研究領(lǐng)域的前沿．由表2可得，不同時間階段的研究前沿存在一定的區(qū)別，其中突現(xiàn)關(guān)鍵詞生物脫臭的突現(xiàn)強(qiáng)度最高，強(qiáng)度值為4.66，表明其研究熱點(diǎn)程度最高．突現(xiàn)關(guān)鍵詞以2004年為時間界限，前后出現(xiàn)兩個明顯特征：一是基礎(chǔ)研究階段，突現(xiàn)關(guān)鍵詞有生物脫臭、生物處理，科研工作者主要是對臭氣的生物脫臭處理進(jìn)行研究；二是拓展研究階段，突現(xiàn)關(guān)鍵詞有廢氣處理、生物除臭、污泥、餐廚垃圾、污水處理，表明在該階段，科研工作者延續(xù)前一階段的生物處理除臭研究，并在此基礎(chǔ)上以污泥、廢氣、污水、餐廚垃圾惡臭污染源為研究熱點(diǎn)，進(jìn)行深入研究．

表2 突現(xiàn)關(guān)鍵詞信息表Tab.2 Information table of emergent keywords

2.2 研究主題分析

對關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)可以分析研究熱點(diǎn)，但是對于該領(lǐng)域的綜合分析不夠．因此，對關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類，將相似的關(guān)鍵詞組合在一起，可以更好地描繪研究主題，8個聚類結(jié)果如圖2所示．一般認(rèn)為，聚類名稱數(shù)字越小，包含的關(guān)鍵詞越豐富．圖譜模塊值Q=0.594 6>0.3時，可以認(rèn)為聚類結(jié)構(gòu)清晰；平均輪廓值S=0.89>0.5，可以認(rèn)為聚類劃分合理．

圖2 關(guān)鍵詞聚類Fig.2 Keyword clustering

對上述8個聚類主題進(jìn)行判別分析，最終我國惡臭污染治理研究可以進(jìn)一步歸納總結(jié)為3個研究主題，如表3所示．

表3 研究主題及其內(nèi)容Tab.3 Research topics and contents

2.2.1 惡臭污染源

惡臭污染源分布廣泛，排放復(fù)雜．眾多學(xué)者對不同的惡臭污染源展開了調(diào)查識別研究，并已取得一定進(jìn)展．污水廠、填埋場由于建設(shè)規(guī)模需求，占用了大量的土地，對周邊環(huán)境的惡臭影響程度大，成為研究人員的關(guān)注熱點(diǎn)．趙茹涵等[5]對鄭州某污水處理廠各處理單元釋放的VSCs進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果表明，H2S濃度最高且氣味貢獻(xiàn)最大，主要集中在預(yù)處理單元和污泥處理單元．張濤等[6]在河北某生活垃圾填埋場共檢出57種非甲烷有機(jī)物(NMOCs)，其中丙烯和正丁烯濃度最高．此外，研究人員對堆肥廠、垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站等數(shù)量較少或建設(shè)規(guī)模較小的惡臭源也產(chǎn)生了興趣．趙珊等[7]對堆肥廠惡臭氣體進(jìn)行測定，結(jié)果表明，堆肥廠典型惡臭物質(zhì)為氨氣、甲硫醚和二甲二硫．蘆會杰[8]在北京某垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站共檢測出41種惡臭物質(zhì)，其中硫化氫、丁醛、二甲二硫醚等為典型惡臭物質(zhì)．

目前惡臭污染源氣體排放研究僅聚焦探究惡臭源污染特征中的若干種典型物質(zhì)，缺乏深入的形成機(jī)理解析研究．對于復(fù)雜惡臭污染源物質(zhì)，人工調(diào)查和常規(guī)儀器識別較困難．人工調(diào)查僅能對來源作定性分析，常規(guī)儀器分析僅能對惡臭濃度和物化性質(zhì)進(jìn)行測定，且測定結(jié)果的分辨率低、檢出限高，同時此類離線檢測手段需要較大的人力成本、時效性差．

惡臭污染源物質(zhì)的形成機(jī)理目前仍不明晰，惡臭物質(zhì)、濃度和強(qiáng)度未徹底摸清，對惡臭的時間和空間分布規(guī)律的相關(guān)研究缺乏．當(dāng)突然性惡臭污染事故發(fā)生時，人們也很難快速、準(zhǔn)確地辨別惡臭物質(zhì)，找到污染源，因此采取治理措施的盲目性大．

2.2.2 惡臭污染評價

由于惡臭污染多為局部無組織排放，分布廣泛，擴(kuò)散方式復(fù)雜，尚未有公認(rèn)的惡臭評價方法．Zhang等[9]基于中國餐廚垃圾處理過程中氣味排放特征的調(diào)查基礎(chǔ)，建立了廚余垃圾處理設(shè)施氣味污染檢測評價體系．Zhao等[10]通過對生活垃圾填埋場和中轉(zhuǎn)站進(jìn)行惡臭物質(zhì)檢測，體現(xiàn)了評價指標(biāo)體系在固體廢物處理中惡臭污染評估的應(yīng)用，為惡臭污染的預(yù)測、模擬與評估提供了定量化的科學(xué)方法．Fang等[11]通過現(xiàn)場采樣檢測，依據(jù)惡臭污染物的分布特征，評估了生活垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)場所對暴露人員產(chǎn)生的健康風(fēng)險，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生活垃圾散裝運(yùn)輸操作方式對作業(yè)人員和周邊人群可能造成較大健康影響，而且散裝碼頭處惡臭污染導(dǎo)致的致癌和非致癌風(fēng)險值最高．此外，我國地域廣闊，自然環(huán)境、地理條件、城市規(guī)劃布局、生產(chǎn)水平、居民生活水平等諸多方面差異，造成了不同區(qū)域的惡臭污染情況不同，區(qū)域間存在明顯差異．

目前，研究者提出的惡臭評價方法主要是圍繞臭氣濃度、臭氣強(qiáng)度、臭氣厭惡度等嗅覺方法判斷的物理指標(biāo)建立起來的，受人為因素影響大，且需要實際監(jiān)測的采樣數(shù)據(jù)確定，尚缺乏客觀可行的標(biāo)準(zhǔn)和基于區(qū)域性特點(diǎn)的惡臭問題診斷、控制和評價方法，惡臭污染評價的預(yù)測、評估和模擬并不完善．

2.2.3 惡臭污染處理技術(shù)

惡臭污染處理技術(shù)主要是物理處理、化學(xué)處理和生物處理．其中，物理處理是指在不改變惡臭分子自身化學(xué)性質(zhì)的情況下，使惡臭得到削減或轉(zhuǎn)移．該方法主要包括掩蔽法、稀釋擴(kuò)散法和吸附法等，大多操作簡便，技術(shù)成熟，但除臭效果一般，且部分技術(shù)操作成本偏高[12]．化學(xué)處理是加入化學(xué)藥劑與惡臭分子反應(yīng)，從而使惡臭分子結(jié)構(gòu)被破壞．該方法主要包括化學(xué)吸收法、氧化法、催化燃燒法等，除臭效率較高，效果穩(wěn)定且處理時間短，但運(yùn)行成本相對較高，可能產(chǎn)生二次污染[13]．生物處理是利用微生物新陳代謝活動對惡臭進(jìn)行直接或間接處理，主要包括生物過濾法、生物吸收法、生物填料法等.生物脫臭效果較好且運(yùn)行成本低，但處理時間較長，易受環(huán)境影響而效果不穩(wěn)定[14-16]．

為解決傳統(tǒng)工藝存在的處理規(guī)模小、效率低或可能產(chǎn)生二次污染等問題，工程中常采用組合工藝對惡臭進(jìn)行處理．彭明江等[17]采用生物洗滌和化學(xué)吸收雙塔系統(tǒng)組合工藝對H2S和NH3進(jìn)行去除，效果良好，達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)．齊國慶等[18]采用生物洗滌和生物滴濾組合工藝處理煉油污水廠惡臭氣體，處理后的H2S質(zhì)量濃度小于6×10-5mg·L-1，NH3質(zhì)量濃度小于1.5×10-3mg·L-1，CH3SH質(zhì)量濃度小于4×10-6mg·L-1，臭氣濃度小于20，達(dá)到《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554-93)規(guī)定的一級廠界要求．劉建偉等[19]采用組合式生物除臭技術(shù)對某餐廚垃圾處理站產(chǎn)生的惡臭氣體進(jìn)行處理，在工程穩(wěn)定運(yùn)行期間，H2S和NH3的去除率分別達(dá)99%和98%．此外，金圣等[20]利用脈沖電暈法研究二硫化碳廢氣降解，脫除率達(dá)97%.丁琳等[21]采用不同介質(zhì)等離子減臭設(shè)備對豬場臭氣進(jìn)行減排，臭氣濃度削減可達(dá)98%．肖先念等[22]將生物濾池單工藝改造為等離子法、氣動乳化法和生物法組合的新工藝，結(jié)果表明改造后的新工藝除臭范圍廣，處理效率高且穩(wěn)定．

吸附法僅能降低嗅覺對惡臭的感知程度，無法徹底消除惡臭氣體物質(zhì)，常作為一種輔助的除臭手段．催化燃燒或其他化學(xué)試劑氧化，可以徹底破壞惡臭物質(zhì)結(jié)構(gòu)，使之轉(zhuǎn)化為無臭或低臭物質(zhì)，是一種有效的惡臭處理技術(shù)，但操作復(fù)雜，成本較高，化學(xué)試劑也可能帶來二次污染風(fēng)險．填料法利用負(fù)載在填料上的微生物將惡臭物質(zhì)吸收和降解，操作簡便，成本較低，無二次污染，是較主流的方法．組合工藝可以通過技術(shù)協(xié)同聯(lián)用，提高除臭效率，在工程上應(yīng)用較多．新型惡臭治理技術(shù)如脈沖電暈、等離子體法脫臭效果好，但由于技術(shù)復(fù)雜，成本較高，實際應(yīng)用成功經(jīng)驗較缺乏．

3 惡臭污染治理策略

3.1 提高檢測分析手段以實現(xiàn)在線監(jiān)測和溯源防控

目前，惡臭污染的技術(shù)瓶頸主要是監(jiān)測難、收集難、溯源難．采用人工調(diào)查定性分析和多種儀器檢測方法定量分析惡臭物質(zhì)的種類和含量，建立人工嗅辨和電子鼻等儀器結(jié)合的惡臭在線監(jiān)測方法，對有組織排放的空氣惡臭的物質(zhì)進(jìn)行實時監(jiān)測，以證實和分析惡臭污染源．同時，采用惡臭污染源溯源技術(shù)，摸清惡臭源擴(kuò)散基本特征．通過擴(kuò)展監(jiān)測和溯源手段，精準(zhǔn)排查惡臭風(fēng)險源，實現(xiàn)對惡臭污染的動態(tài)監(jiān)測和管控，構(gòu)建惡臭污染源數(shù)據(jù)庫、惡臭污染預(yù)警和應(yīng)急管理系統(tǒng)，布局針對性的防控措施，從而更好地解決復(fù)雜的惡臭污染源問題．

3.2 建立和完善基于區(qū)域特點(diǎn)的惡臭污染評價方法

依據(jù)區(qū)域內(nèi)的惡臭污染水平、特點(diǎn)等因素，在充分調(diào)查和了解惡臭源污染形成原因的基礎(chǔ)上，結(jié)合原有的嗅閾值、臭氣濃度和臭氣強(qiáng)度等指標(biāo)因子，進(jìn)一步完善惡臭污染評價方法，健全評價體系．構(gòu)建惡臭物質(zhì)濃度的定量評價、閾稀釋倍數(shù)的惡臭致臭貢獻(xiàn)評價、大氣活性評價、健康風(fēng)險評價、社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境影響評價等方面的多元評價方法，建立基于區(qū)域特點(diǎn)的惡臭源污染評價方法，完善符合我國國情的惡臭治理評價方法，為惡臭治理的決策提供更科學(xué)、更準(zhǔn)確的依據(jù)．

3.3 優(yōu)化、組合和創(chuàng)新惡臭污染處理技術(shù)

針對不同的惡臭污染源、地域和惡臭組分，如何選擇惡臭污染處理技術(shù)，進(jìn)行技術(shù)的優(yōu)化、組合和創(chuàng)新是至關(guān)重要的．對于惡臭治理方法如物理法、化學(xué)法等，今后應(yīng)優(yōu)化工藝設(shè)備、降低成本、提高處理效率．主流的生物法應(yīng)重點(diǎn)提高微生物活性、馴化復(fù)合菌種、優(yōu)化技術(shù)參數(shù)．對復(fù)雜性的惡臭污染，單一工藝處理惡臭氣體能力有限，通過組合技術(shù)工藝協(xié)同治理，可以很好地提高惡臭凈化效率．新興技術(shù)亟待開發(fā)和應(yīng)用，脈沖電暈、低溫等離子凈化法脫臭效率高，但實現(xiàn)完全工業(yè)化應(yīng)用還有一定距離，惡臭污染處理技術(shù)的科技創(chuàng)新以及新技術(shù)的應(yīng)用仍是解決惡臭污染治理急、難問題的關(guān)鍵．

4 結(jié)論與展望

(1)我國對惡臭氣體的硫化氫和氨氣的關(guān)注熱度高，惡臭氣體處理研究側(cè)重生物脫臭技術(shù)方面．

(2)惡臭污染治理研究主題圍繞惡臭污染源、惡臭污染評價、惡臭污染處理技術(shù)．研究內(nèi)容主要是污水處理廠、填埋場、健康風(fēng)險、檢測評價、吸附、生物脫臭、填料、催化燃燒．

(3)未來，惡臭污染治理策略不僅要提高檢測分析手段，實現(xiàn)在線監(jiān)測和溯源防控，建立和完善基于區(qū)域特點(diǎn)的惡臭污染評價方法，更要優(yōu)化、組合和創(chuàng)新惡臭污染處理技術(shù)．