我國惡臭污染防治研究進展

呼佳寧,張鋼鋒,林子吟,費波

(上海市環境科學研究院,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2018～2020年全國生態環境信訪投訴數據分析,惡臭/異味投訴是當前公眾投訴最強烈的環境問題之一[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成為現階段我國打好污染防治攻堅戰、改善生態環境、增強人民群眾獲得感的重要舉措。

目前,我國關于惡臭污染的研究主要集中惡臭監測評估與治理技術兩大領域。在惡臭監測與評估領域,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用[3],GC-MS是測試揮發性有機物(VOCs)惡臭組分的主要檢測技術手段[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、離子質譜儀等先進監測技術也逐漸擴大。在惡臭治理技術研究領域,生物技術一直以來是惡臭污染治理的主要研究熱點。早在1997年,有學者發現生物脫臭法在除臭領域有廣泛應用[9],隨后的近30年時間里生物除臭法也一直活躍于學術界和除臭工程實際應用領域[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、吸附法等治理技術也在除臭領域也有了相關應用與推廣[11]。

隨著我國大氣污染防治工作精細化發展,居民生活感受勢必將成為重點關注對象,由于投訴導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域。但是面臨異味污染與嗅覺息息相關、惡臭物質種類繁多、異味源廣泛等[1]特征,可能出現“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研究及政策標準為基礎,系統梳理分析我國惡臭污染控制領域的總體研究趨勢及主要研究內容,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展歷程

對我國CNKI期刊數據庫中的大氣污染防治領域的惡臭研究領域期刊論文和學位論文的發表數量進行統計并分析變化趨勢,結果見圖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域研究總體呈明顯上升趨勢。尤其是2000年以來,相關論文的數量顯著增多。根據不同時段研究內容的差異以及相關領域法律法規、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,依次分別為基礎探索期、應用發展期和研究爆發期。

表1 我國惡臭污染法規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討論等[12]。同時畜牧養殖業突出惡臭問題也在該階段引起重視,例如日本畜牧業糞便惡臭污染的現狀和控制對策[13]研究以及養雞場惡臭污染[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,后續的30年里我國惡臭領域的標準制定和管理也是本階段的持續延伸與發展。

(2)應用發展期(2000～2009年):本階段呈現出典型惡臭行業治理應用高速發展趨勢,在污水處理、垃圾、畜牧,工業等典型領域的研究大幅增加。與揮發性有機物(VOCs)共同出現的頻次明顯增多,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、多環芳烴等VOCs物質帶有異味(香或臭均屬于異味);另一方面也得益于2010年前后我國發布關于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境領域學者廣泛關注,例如針對城市污水處理廠惡臭污染排放特征、污染現狀的研究[18]。除此之外,生物法除臭、等離子體除臭技術、光催化氧化法除臭等內容均有相關研究,并且本階段內首次對植物型除臭劑具體品牌的應用效果開展測試研究[19],也進一步加速了我國除臭劑產品的應用研發工作。

(3)研究爆發期(2010年至今):本階段研究更加重視致臭機理、惡臭污染監測與科學評估,在原有污水惡臭、生物治理等熱門領域之外,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,另一方面自主創新的監測和治理技術呈現蓬勃發展。例如利用實驗模擬方法針對城市生活垃圾的初期降解過程產生VOCs的釋放特征[20]、利用指紋圖譜識別出主要惡臭物質[21]。本階段內隨著2015年《水污染防治行動計劃》(簡稱“水十條”)的頒布,關于黑臭水體的相關惡臭研究呈現爆發式增長,我國城市水體污染現狀、黑臭污染問題分析、富營養化水體黑臭污染治理技術等均有研究。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,工業領域的大氣污染防治工作進入深水區,各省、直轄市也陸續發布了惡臭污染相關的地方標準,與惡臭相關的工業源廢氣VOCs的污染研究也大幅增加。除此之外,關于惡臭國標的適用性、使用情況也有學者開展多次討論研究[22]。

2 我國惡臭污染主要研究內容

2.1 主要惡臭成分

針對我國發表論文中主要惡臭物質關鍵詞進行梳理分析,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。其中硫化氫研究關注程度最高,硫化氫和氨都是垃圾污水處理、畜禽養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,與惡臭相關的VOCs研究從2015年到2019年迅猛發展,出現頻次上升6.5倍,這也進一步可以看出我國惡臭污染研究在VOCs方面呈現激增態勢。但是惡臭污染多為復合型臭氣,由多種物質組成,是各類物質之間抑制、促進、協同等多重作用的結果[1],有些物質低濃度和高濃度狀態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、致臭機理值得持續深入研究。

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

圖3 主要惡臭物質出現頻次變化趨勢Fig.3 Trend of major malodorous substances occurrence frequency

2.2 主要惡臭監測方法

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 惡臭污染監測技術分類Table 2 Classification of odor pollution monitoring technology

第一類是基于人體感官系統的測試方法,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別,臭氣強度、臭氣濃度等也是判斷是否產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等技術一直是主要定量分析技術。第三類是基于傳感器技術的監測分析方法,以電子鼻為首的傳感器檢測技術成為感官測試和儀器分析法的重要補充,傳感器檢測技術可以快速、實時的開展監測與分析,并且測試成本低,缺點是測試結果有較大的局限性,面對復雜惡臭成分污染、惡臭場景轉變等情形下難以發揮穩定作用。

每類型技術在研究中的出現頻次見圖4。

圖4 我國論文研究中主要測試技術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分析范圍廣泛,可以測試大多數有機物種、硫化物等惡臭物質。傳感器分析方法中電子鼻監測是主要的研究方法,近年來在惡臭監測領域也呈現蓬勃發展態勢。

2.3 主要惡臭污染治理技術

我國研究論文中各類惡臭污染治理技術的出現頻次見圖5,技術應用常見場景及效果見表3?？傮w來看,我國惡臭污染治理技術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用等幾大類。從研究熱度來看,微生物處理相關技術在惡臭污染治理技術中占有主導地位,相關研究論文超過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用效果;另一方面微生物處理技術相對于其他治理技術成本低、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,但缺點是調試時間長、菌種對環境要求高。除此之外吸附法、吸收法的研究熱度旗鼓相當,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,例如實際應用工程中洗滌塔處理臭氣工藝廣泛存在,實際應用效果“因氣而異”。催化燃燒法處理技術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以外,除臭劑是惡臭污染治理行業不同于其他大氣污染防治的一類典型技術,其應用一般指利用化學型、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用,但在實際應用過程中接觸時間、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 惡臭治理技術常見應用場景及效果Table 3 Common application scenarios and effects of odor treatment technology

圖5 主要惡臭治理技術關鍵詞出現頻次Fig.5 Frequency of the main odor treatment technology keywords

同時對惡臭污染治理的主流技術隨時間發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關鍵詞出現頻次大小。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用;等離子催化法、光催化法應用研究相對較晚,約在2000年左右出現,伴隨VOCs治理技術的發展被關注;吸收法和除臭劑應用法近年來呈現逐步上升趨勢。

圖6 不同惡臭治理技術研究發展趨勢Fig.6 Research trend in different odor treatment technologies

2.4 現有困難

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研究的爆發有可能是借“VOCs政策東風”,由于我國VOCs污染防治工作是近年來環保工作的重點之一,VOCs的減排可能也會帶動大量惡臭污染問題的緩解。然而,這也導致很多學者、環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、更全面系統的研究異味污染的產生機理與針對性治理技術。另一方面,由于異味投訴成因涉及技術、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,且異味污染經常呈現跨區域性質,多方管理部門的職責銜接與交叉導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研究的主要困擾與難點。

從惡臭監測與治理技術角度分析,由于異味感受程度與人體密切相關,人對氣味的感受程度和刺激程度之間的關系符合韋伯-費希納定律[1],即指物質濃度以幾何級數增加時,感覺強度以算術級數增加,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,但目前的惡臭物質監測技術、惡臭污染排放標準限值、管控手段難以達到嗅閾值水平,也進一步導致“排放達標、但還是臭”的現象難以根治,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 結論與展望

研究發現,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、發展期和爆發期,其中起步期主要與國家惡臭標準相關,發展期和爆發期的出現與我國相關政策推動密切相關。我國惡臭污染領域典型代表物質有硫化氫、VOCs、含硫有機物、氨、胺類、苯系物等分布廣泛、低嗅閾值成分。惡臭污染主要監測技術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用等技術,其中微生物處理技術一直是惡臭污染治理領域的主流技術,等離子催化法、光氧化法、吸附吸收法伴隨VOCs的快速發展在2000年之后受到關注,除臭劑應用作為惡臭污染典型治理技術有著廣泛應用。

結合已有研究和現有困難,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的專項行動或攻堅任務,地方省市例如天津市已有惡臭分級管理等相關政策,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,已無法滿足現有惡臭污染形勢的管理要求。建議可從高密度居住環境下廠群異味矛盾解決、異味擾民引發的“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對策略、跨區域異味污染的多方監管等層面開展研究,為國家政策標準的制定提供技術與理論支撐。

(2)技術研究方面。面對惡臭物質成分復雜、關鍵致臭物質識別難等問題,建議研究制定適合我國實際情形的異味污染關鍵致臭物質識別技術方法體系,深入完善我國異味物質嗅閾值數據庫、逐步減少國外嗅閾值信息使用頻次、研究各類物質致臭機理、探索各類異味識別與溯源方法等技術路徑。惡臭污染治理技術方面,可持續關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治理技術現狀,開展各行業惡臭特征建立適宜的更針對性除臭的最佳可行技術路徑的研究,為企業管控提供參考依據。