城市生活垃圾填埋场恶臭污染特征和生物控制技术研究进展

李 玲，熊骏生，陶凌燕，叶灵波，秦雪艳，徐梦婷，丁 颖

（1.杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州310036；2.浙江省环境工程有限公司，浙江 杭州310012）

垃圾填埋场恶臭污染是指城市生活垃圾在填埋过程中微生物通过好氧或厌氧发酵产生的刺激性气体，其中大部分恶臭组分都带有毒性，长期接触会引发身体的不适甚至中毒.垃圾填埋场产生的恶臭污染严重危害到填埋场工人和周边居民的工作、生活和健康［1-2］.这些年，随着中国经济的腾飞，城市人口急剧增加，生活垃圾的产量也与日俱增，据国家统计局数据，2011年，全国生活垃圾年清运量已达1.64×108t，垃圾填埋场离居民区的距离随着城市的扩张越来越近，导致恶臭扰民事件频繁发生.城市生活垃圾填埋场恶臭污染问题已然引起了越来越多人的关注，如何有效又快速地控制恶臭的传播及其带来的负面影响，已成为垃圾填埋场污染综合治理的重要内容之一［3］.

垃圾填埋场能产生、释放多种恶臭物质，尤其垃圾填埋库区，处于集中敞开式的区域，作业过程中恶臭气体快速向周围扩散，具有产生量大、持续时间长、影响范围广的特点，对周围环境造成严重影响，不同季节和气候的垃圾填埋场恶臭气体种类和浓度也不尽相同，这增加了对垃圾填埋场恶臭污染研究的复杂性.随着各种新型恶臭控制技术的发展，城市垃圾填埋场恶臭污染的控制也逐渐迈上了新的台阶［4-5］.本文综述了垃圾填埋场恶臭组分的时空特征和生物控制技术的研究进展，探讨了不同来源和时空分布规律下生活垃圾填埋场的恶臭特点及其相应的控制技术，并对今后有关生活垃圾填埋场恶臭的研究提出展望.

1 垃圾填埋场恶臭污染特征研究

1.1 城市生活垃圾填埋恶臭气体来源和组成

垃圾填埋场的恶臭气体种类繁多，产生的这些垃圾填埋气体主要包括无机气体（如NH3和H2S）、卤代化合物（如氯苯和二氯乙烯）、芳香族化合物（如苯、甲苯、乙苯和二甲苯）、挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids，VFAs）（如甲酸和乙酸）、醛类（如丙醛和丁醛）、酮类（如环己酮）、酯（如甲酸丁酯）、碳氢化合物（如正己烷和辛烷）、含硫组分（如硫醇及硫醛类物质）及含氮组分（如胺类）等［6-11］.Fang等［7］在上海垃圾填埋场的填埋库区、渗滤液处理区和污泥区共检测到35种恶臭物质，主要有苯乙烯、甲苯、二甲苯、丙酮、甲硫醇（Methyl Mercaptan，MM）、正丁酮、正丁醛、乙酸、二甲基硫醚（Dimethyl Sulfide，DMS）、二甲基二硫醚（Dimethyl-Disulphide，DMDS）、二甲基三硫醚（Dimethyl-Trisulphide，DMTS）和NH3等.González等［8］在西班牙马略卡岛垃圾填埋场中明确检测到共36 种有机挥发性组分（Volatile Organic Compounds，VOCs），其中醛类、酮类、醇类和芳香族化合物的质量浓度均达到了60～100μg／m3左右.

1.2 填埋恶臭气体时空变化规律

由于微生物很容易受到外界环境的影响而改变群落结构或是代谢途径，从而导致恶臭气体组分和浓度的改变，给恶臭气体的治理带来了更多的挑战.近年来，研究者们探究了城市生活垃圾填埋场恶臭气体在不同气候、季节和不同地域、空间等条件下的变化情况，并总结出一些规律.

1.2.1 不同季节和气候垃圾填埋场恶臭污染的特征

就垃圾填埋场的季节和气候而言，不同季节产生的垃圾各组分体积分数并不一致，并且在不同气候条件下的微生物代谢也存在差异，通常在春夏两季垃圾填埋场的恶臭浓度会处于较高水平，而秋冬则相对有所减弱，并且在温度高的日子里，恶臭的污染情况会更加严重一些.Dincer等［12］针对春秋两季垃圾填埋场恶臭进行了研究，结果发现在五月份，不同致臭VOCs的质量浓度均或多或少高于九月份的数据，其中5月份的VOCs主要为酮类（25%）、芳香族（21%）、醛类（20%）、挥发性脂肪酸（17%）和卤代物（14%），9月份的VOCs主要为醛类（37%）、酮类（36%）、芳香族（13%）、卤代物（6%）和VFAs（5%），结果显示两个不同季节间的VOCs组分之间存在一定差距，由于不同季节下环境温度、湿度、垃圾成分等因素的改变，致使不同季节间恶臭浓度及其种类产生了差异.Ki-Hyun［9］的研究组对新旧垃圾填埋场废气中的还原态硫组分（Reduced Sulfur Compounds，RSCs）体积分数的四季变化进行了研究，结果发现已经封闭的垃圾填埋场RSCs体积分数很小，远远低于正在运行中的垃圾填埋场；另外在季节方面，RSCs组分的浓度具有春夏高、秋冬低的特征，其中MM 的浓度在春季最高，有0.073mmol／m3，是夏季的两倍多，是冬季的百倍多，但这种恶臭浓度春夏高、秋冬低的特征也有例外，如H2S的浓度在春季就处于最低值1.652 mmol／m3，而在其它季节则都大于5mmol／m3.Chiriac等［10］发现，5月末的VOC气体浓度较气候条件差异较大的4月有着明显的区别，低温的气候条件限制了VOC的扩散，而且风向及其强度也对开放性垃圾填埋场地的VOC浓度起着重要的影响.Christopher等［13］的调查研究也表明，垃圾填埋场的风速和风向对周边恶臭浓度有着重要的影响，当风向由垃圾填埋场刮向周边居民区时，就算低浓度的恶臭气体也能使周边居民感觉到明显的恶臭.除了季节和气候因素之外，正在进行填埋的垃圾填埋区域和运行一定时间的填埋区域也会有所差别，垃圾填埋场恶臭气体不同组分间浓度随垃圾填埋的时间发生一定规律的变化.Gonzalez等［8］针对小于1天、2至4周和大于3个月的不同时间段的垃圾填埋恶臭情况进行了研究，结果发现酮类和芳香族化合物在小于1天的垃圾填埋区域的质量浓度最大，但随着时间的推移会逐渐减少，而醇类则相反，由于微生物代谢的逐渐进行，醇类的质量浓度随时间的推移呈现上升趋势，就整体恶臭情况而言，小于1天的垃圾填埋区域恶臭情况最严重，其次为填埋3月以上区域，最低的是填埋时间为2至4周的区域.

1.2.2 填埋场内部不同区域恶臭污染的特征

对于城市生活垃圾填埋场的不同区域而言，恶臭气体的来源和种类也并不相同，表1列举了几处主要的恶臭发生源，可见垃圾填埋场的恶臭污染存在区域上的差别.Ding等［6］在对杭州天子岭生活垃圾填埋场的研究中发现，NH3和H2S在填埋垃圾倾泻区和渗滤液处理区的质量浓度处于很高水平，分别高达4000μg／m3和500μg／m3左右，另外在填埋垃圾倾泻区，芳香族化合物的质量浓度则要明显高于其他区域，约85μg／m3，而在办公区和填埋场边界区域中的恶臭污染物种类和质量浓度则与区域距离垃圾倾泻区域及渗滤液处理区域的远近程度有着密切关系.Fang等［7］探究了生活垃圾填埋场不同区域的恶臭主成因因素，结果发现在垃圾填埋库区、渗滤液储存处理区域和污泥填埋区域的典型恶臭污染成分为H2S、正丁醛和醋酸，而在垃圾填埋封闭区域的排气井口处的恶臭特征组分则为乙醛、乙苯、二甲苯、甲胺和二甲基甲酰胺，污泥储存及处理区域的恶臭特征也和其他区域不一样，主要为甲硫醇、戊酸以及异戊酸，另外，该研究采用封闭式的渗滤液收集罐，该区域检测到的恶臭情况也最轻，可见，封闭式处理是抑制恶臭传播的有效方法.垃圾的清运过程虽然不是恶臭的产生源，但却与周边恶臭的污染有着密切联系，Chiriac等［10］的研究指出，垃圾填埋运输车辆和填埋垃圾压缩过程是四氯乙烯、甲苯、庚烷检测浓度上升的主要原因，因此垃圾清运过程中的恶臭污染也应当被重视.

表1 城市生活垃圾填埋场恶臭发生源及其污染物种类Tab.1 Sources and compounds of odorous pollutants at MSW landfill site

2 垃圾填埋场恶臭生物控制技术及其研究进展

垃圾填埋场恶臭污染控制技术从最初的稀释扩散、水洗，发展到传统的液体吸收、固体吸附、燃烧，直到新兴的高级氧化法、等离子体分解技术和生物除臭等技术，通过物理、化学和生物的作用，使恶臭污染物的物相或物质结构发生变化，从而达到去除臭味的目的.实际操作中可视恶臭污染物的性质、种类、浓度、处理量、气体排放方式及当地的卫生要求和经济情况的不同，选取合适高效的处理方法［16］.相对于传统的物理化学方法，利用生物法处理恶臭气体是一种工艺简单、操作方便、去除效果好、无二次污染、有着广阔应用前景的污染控制新技术［3，17］

2.1 垃圾填埋场渗滤液的恶臭控制技术

城市生活垃圾填埋场产生的渗滤液是垃圾填埋场恶臭气体的主要来源之一，渗滤液是垃圾填埋场中垃圾自带水分和降水等与填埋垃圾生化降解产生的诸多有机组分混合形成的复杂液体［18］.渗滤液的恶臭主要来自其中有机组分的降解和厌氧发酵，其中以含硫化合物和氨氮类物质为代表.

对垃圾填埋场渗滤液恶臭处理方法主要以建立生物反应滤器为主，Lin等［19］研究了生物过滤器去除垃圾填埋场渗滤液中H2S的效果，结果显示生物过滤器能有效去除渗滤液中的H2S组分，去除率在进量达到10.5g／m3h之前能一直保持在85%以上.Bing等［20］发现，陈年垃圾生物反应器对渗滤液的总氮有着很好的去除效果，当反应器平均进氮速率在每天1146mg／L 以下时总氮的去除率能达到96.6%，当平均进氮速率由每天1200mg／L提高到每天1500mg／L时，总氮去除率下降至88.5%.

近年来，微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，MFCs）在垃圾填埋场渗滤液处理中应用的研究也逐渐增多，MFCs作为一种新型的生物电化学能源技术，可以将废弃的生物质能源转化成清洁的电能源，但MFCs在渗滤液处理中的应用还处于起步阶段，发电量还很低［21-22］.You等［23］首次将MFCs应用到对垃圾填埋场渗滤液的处理中，当渗滤液化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）低于100mg／L 时，该MFCs体系对COD 去除率高达98%，当COD 增加到2000 mg／L 时，COD 去除效率降低到70%左右.Krishnadas等［24］分别以活性炭和生物碳作为MFCs阳极材料，考察了其对垃圾填埋场渗滤液的去除效果，结果发现以活性炭为阳极材料的MFCs体系对渗滤液COD 的去除率达到74.7% ±5.5%，相比以生物碳为阳极材料的MFCs体系去除率28.6% ±8.9%高出了许多.目前关于MFCs体系对渗滤液处理的研究大多针对的是渗滤液的理化性质，对特定渗滤液恶臭组分研究的去除能力及效果还尚显不足.

2.2 垃圾填埋库区的恶臭控制技术

生活垃圾填埋场的垃圾填埋库区是恶臭气体的主要发生源，较为有效和环保的恶臭控制方法是对其进行生物原位控制.一般填埋场生物原位控制主要采用填埋覆土的方法，生物原位控制法利用了微生物的强大分解能力和快速繁殖的特点，在填埋垃圾表面覆土一方面抑制了恶臭气体的挥发，另一方面增大了微生物和恶臭气体的接触空间，使恶臭有效减少，总的来说，填埋垃圾恶臭生物原位控制技术具有就地处理、源头治理和减弱对周边环境造成的影响等优势.

填埋覆土层的材料选择直接关系到恶臭原位控制的效果.相比于传统的黏土和表层土覆盖，新型的覆土材料具有孔隙率更大、气体吸附能力更强、微生物承载量更多的特点［25］.近年来，对生活垃圾填埋场的覆土材料研究也很多，较为普遍的新型覆土材料有建筑废料、固化污泥和城市垃圾堆肥等.Solan等［26］对比了建筑材料粉末、工商业粉末和木屑同黏土之间的恶臭去除性能，结果发现，三种经济型的覆土材料都能很好减少恶臭排放，以50mm 建筑材料粉末和150mm 木屑组成的垃圾填埋材料有着超过50%的恶臭去除效果.Hyun等［27］对污水污泥进行了固化，并测试了以它作为填埋覆土材料在零度以下和高温条件下的表现，结果发现固化污泥有着很好的抗压强度，并且填埋材料在添加了混合污泥TS103后，超过95%的NH3都被吸附进污泥之中.Hurst等［28］用不同堆积密度的城市垃圾堆肥作为每日覆土材料，模拟了其在垃圾填埋场恶臭控制中的效果，结果发现堆积密度为740kg／m3的堆肥覆土对填埋场恶臭的去除率达97%，去除效果较堆积密度为590kg／m3的堆肥覆土去除效果更好.

垃圾填埋场覆土除臭的机理主要是通过聚集在覆土材料中的微生物群落来对垃圾填埋产生的VOCs和无机恶臭组分进行催化降解，而覆土层中的微生物群落是一个复杂的结构，会随着填埋场时间和空间而变化，其中与恶臭释放相关的大多是厌氧菌.了解垃圾填埋场覆土层的微生物群落结构能更好地改良覆土层降解效果，提升恶臭去除能力，因此对覆土材料中微生物群落多样性的研究和恶臭生化降解机制也是科学家们关注的焦点之一［29］.Dilly等［30］发现垃圾填埋覆土层的微生物量和活力会随着时间的推移有所增加.Jeongdae等［31］利用反转录聚合酶链反应（Reverse Transcription-Polymerase Chain Reaction，RTPCR）的方法对封闭多年的填埋场覆土层氨氧化微生物群落结构进行了分析，发现在封闭多年的垃圾填埋场中氨氧化古生菌的数目要超过氨氧化细菌数.He等［32］对垃圾填埋覆土中的H2S去除机理进行了探究，发现垃圾填埋气体能促进生物反应器覆土中好氧异养菌、放线菌、硫酸盐还原菌和硫氧化菌的增长，并且生物反应器覆土能比填埋场覆土更快地实现硫化物和硫酸盐之间的生物转化.

3 研究展望

近几年，随着城市范围的扩张，垃圾填埋场与城市居民区之间的距离在不断缩短，垃圾填埋场恶臭污染问题逐渐成为民众更为关心的环境问题，国内外很多学者也对如何有效的除臭做出了多项研究，尤其是相比于其他方法有较高优越性的生物除臭技术，取得了许多可喜的成果和进步，为进一步大范围的使用扩展技术打下了基础.另外，微生物作为填埋垃圾降解的主要参与者，其生态结构多样性研究是十分重要的，微生物对恶臭组分的降解机制及覆土材料与微生物群落结构直接的影响等问题仍然有待进一步研究，目前国内外更多集中在对温室气体甲烷及N2O 的研究上，而填埋场恶臭组分排放及降解有关微生物生态的研究稍显不足.

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