堆肥厂生物气溶胶释放和迁移特征研究

郑 苇，陈子璇，高 波，马换梅，李 波

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074）

0 引言

有机垃圾堆肥处理技术因其减量化效果明显、资源化利用率高，已被大量应用到实际工程中，如北京阿苏卫、上海青浦和湖北黄家湾等工程项目。以往未实行生活垃圾分类，堆肥中物料杂质多、品质差，厂区内的臭气难以控制，缺乏相关政策和标准，导致堆肥产品销售困难，使得堆肥的经济效益和环境效益很低。随着我国生活垃圾分类政策的施行，堆肥原料质量有了明显提高，将生活垃圾分类后的有机组分进行脱水后干化、再堆肥处理成为一种重要的处理手段。垃圾中有机物料堆肥工程也再度兴起。然而，堆肥过程中产生的大量微生物气溶胶也危害着从业人员的健康。通过对有机废物堆肥过程中生物气溶胶的产生特征进行调研，并分析了堆肥物料种类、操作过程、以及气候和温度变化对生物气溶胶产生的影响，总结了堆肥过程中产生的生物气溶胶种类及其迁移特性，为有机废物好氧堆肥过程中生物气溶胶污染控制提供了数据参考。

1 生物气溶胶的来源与危害

好氧堆肥可有效减少有机废物的体积，在好氧状态下通过细菌和真菌将有机物分解成更简单的物质，是环境中微生物气溶胶的重要来源。气溶胶是空气中的一种颗粒物，如花粉、真菌、细菌、病毒、昆虫残体、皮肤鳞屑、哺乳动物毛发和生物的产物及残余物等，其中可能含有致病性或非致病性微生物，包括病毒、细菌和真菌及毒素、内毒素和肽聚糖。这些暴露于空气中的小颗粒被人类吸入或摄入后，常引起一些呼吸系统疾病（如鼻炎、哮喘、支气管炎和鼻窦炎）和其他疾病（如曲霉病、胃肠道紊乱、疲劳、虚弱和头痛等）。不同粒径的生物气溶胶可到达人体呼吸系统的不同部位，详见表1。

表1 生物气溶胶到达人体呼吸系统的位置情况

由表1 可知，气溶胶颗粒粒径越小，到达人体呼吸系统位置越深，对人体危害越大。因此，从事固体废物管理行业的操作工人面临着潜在的职业危害。

2 影响堆肥厂生物气溶胶产生因素

2.1 堆肥物料种类

有研究发现，混合垃圾堆肥比高度分选后的垃圾堆肥所产生的生物气溶胶浓度更高。WOUTERS I M 等[1]通过研究发现家庭有机生活垃圾混合堆肥比园林垃圾单独堆肥的生物气溶胶释放量大。PANKHURST L J 等[2]研究也发现含有园林垃圾的堆肥厂生物气溶胶浓度较高。

不同堆肥物料所产生的气溶胶主要物种种类有所差异，堆肥产生的气溶胶中细菌以放线菌和芽孢杆菌为主，真菌以曲酶、青霉和枝孢霉为主。具体不同，详见表2。

表2 不同堆肥物料产生的生物气溶胶主要物种类型

2.2 堆肥操作过程

堆肥工艺的操作工段包括：破碎、筛分、翻垛、堆肥等，不同的堆肥操作工段释放出的微生物气溶胶浓度和种类不一样。研究表明，扰动和翻垛对堆肥过程中气溶胶的释放有很大影响。FISCHER G 等[8]研究发现，翻垛时检测出生物气溶胶的浓度最高；HRYHORCZUK D 等[9]也发现，动态堆肥所产生的微生物气溶胶浓度高于静态堆肥；有研究表明，新鲜垃圾破碎操作时生物气溶胶浓度比背景值高出2 个数量级，熟堆肥过筛操作时气溶胶中曲霉浓度比背景值高出1 个数量级；DIFILIPPO P 等[10]在有机垃圾破碎和筛分阶段检测出有大量的生物气溶胶。GOFF O L 等[11]研究发现，翻垛使气溶胶中糖多孢菌（一种放线菌）、高温放线菌和嗜热真菌释放量显著增加，比背景值高出2～4 个数量级，且翻垛过程中糖多孢菌的释放量比高温放线菌和嗜热真菌的释放量更多；TAHAM P M 等[12]研究发现，静态堆肥产生的生物气溶胶浓度与堆肥时间关系不大，嗜中温放线菌释放速率为13～22×103cfu/(m2·s)；曲霉释放速率为8 ～ 11 × 103cfu/(m2·s)，堆肥区浓度为103～ 103cfu/m3，翻垛会使生物气溶胶浓度增加2～3 个数量级，且堆肥初期翻垛扰动比后期翻垛扰动释放生物气溶胶浓度更高；翻垛会使烟曲霉和放线菌浓度增加2～3 个数量级，且烟曲霉翻垛时浓度大于过筛时的40～150 倍，放线菌翻垛时浓度大于过筛时的20～30 倍[13]。堆肥厂释放出生物气溶胶浓度从大到小依次为：堆肥初期翻垛＞堆肥后期翻垛＞堆肥前扰动＞堆肥后扰动＞静态堆肥期。另外，封闭式堆肥会使封闭区域内的生物气溶胶浓度急剧增加，远高于开放式堆肥厂的生物气溶胶浓度。

不同的堆肥操作，如破碎、筛分或翻垛扰动，还会导致所产生气溶胶中微生物种类的变化。PERSOONS R 等[6]研究发现，静态堆肥产生的微生物气溶胶中真菌主要是曲霉，而破碎过程中产生的真菌主要为青霉；翻垛堆肥使气溶胶中嗜常温细菌增加量高于曲霉；FISCHER G 等[8]发现，过筛熟堆肥可产生更多的放线菌，翻垛堆肥则产生更多的耐热真菌。因此，破碎和筛分操作时，应注意加强局部通风；翻垛堆肥时，应增加堆肥仓的排风次数，从而控制产生的生物气溶胶浓度，降低其危害。

2.3 气候和温度变化

根据堆肥设施一般分为封闭式堆肥厂和开放式堆肥厂，早期建设的小型堆肥厂以开放式堆肥为主，在夏季产生的微生物气溶胶浓度最高[14]，且气溶胶中细菌[15]和真菌浓度也都如此。即便在同一天中，开放式堆肥环境中的微生物气溶胶浓度也会随着温度变化而变化。DUQUENNE P 等[16]研究表明，在1 d内嗜中温细菌和真菌的浓度可相差1 个数量级；MAXue-Zheng 等[17]发现，微生物气溶胶中的细菌浓度与相对湿度呈负相关，与温度呈正相关。

目前集约化大型堆肥厂为提高厂区周边环境质量，缓解邻避效应，厂区建设大多以封闭式堆肥为主。而封闭式堆肥厂由于室内全年温度变化较小，微生物气溶胶并未呈现显著的季节性变化。

3 微生物气溶胶物种类型鉴定方法

堆肥厂微生物气溶胶物种鉴定方法主要有培养鉴定法和分子生物学鉴定法2 种。研究表明[3]，培养法比分子生物学法计量得到的生物量少1～2 个数量级。

3.1 培养鉴定法

堆肥厂生物气溶胶经培养法鉴定发现，细菌浓度高于真菌，其中80%的微生物为细菌[10]。细菌以革兰氏阳性菌（G+）为主，含量远高于革兰氏阴性菌（G－），有研究表明，空气中的细菌80%为革兰氏阳性菌（G+），20%为革兰氏阴性菌（G－）[10]，这是由于革兰氏阳性菌（G+）对缺乏营养元素和水分的空气环境适应性更强，而革兰氏阴性菌（G－）对生存环境的变化更为敏感所导致；真菌主要为青霉、曲霉、枝孢酶[9]以及交链孢霉和酵母[18]，其中浓度从大至小依次为：青霉＞曲霉＞枝孢霉[19]。

3.2 分子生物学鉴定法

利用分子生物学法鉴定堆肥厂生物气溶胶，得到生物气溶胶中细菌浓度从大至小依次为：厚壁菌门（G+）、放线菌门（G+）、变形菌门（G－）、拟杆菌门（G－）；真菌浓度从大至小依次为：担子菌亚门、子囊菌亚门（包括青霉、曲霉）、卵菌亚门、接合菌亚门[20]。然而，BRU-ADAN V 等[20]提出堆肥基质中的细菌浓度从大到小依次为：厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、放线菌门。可见放线菌门细菌容易进入空气形成气溶胶，而变形菌门、拟杆菌门细菌较难进入空气形成气溶胶。KAARAKAINEN P 等[3]的研究也得出类似结论，即堆肥厂气溶胶中细菌主要是革兰氏阳性菌中放线菌目的链霉菌属；真菌主要是青霉、曲霉和枝孢霉，同时指出堆肥厂是曲霉、青霉和放线菌的显著释放源，但不是枝孢霉的显著释放源。PANKHURST L J 等[21]也提出，堆肥厂生物气溶胶中主要包括厚壁菌门、放线菌门、α,γ-变形菌门，其中厚壁菌门（解脲芽孢杆菌属，类芽孢菌属，芽孢八叠球菌属，优杆菌属）、a-变形菌门（叶杆菌属，根瘤菌，单胞菌属）、r-变形菌门（不动杆菌属，假单胞菌），这些菌种同时在堆肥基质、堆肥现场和厂区下风向气溶胶中检出，而上风向处未检出，因此可作为堆肥厂生物气溶胶迁移距离的指示生物。

4 微生物气溶胶迁移距离

4.1 迁移模拟与监测方法

目前，堆肥厂微生物气溶胶迁移距离的判别方式主要有2 种：模型模拟法和直接监测法。

（1）模型模拟法

微生物气溶胶模型模拟法主要采用SCREEN3和ADMS 这2 种模型。采用SCREEN3 模型时，微生物气溶胶在距离释放源250～500 m 内降为背景浓度[12-13]故一般监测研究通常在距离释放源250 m 内取样；采用ADMS 模型时，微生物气溶胶在距离释放源250 m 内降为背景浓度。

（2）直接监测法

模型模拟方法在未建厂预测时优势突出，当受气象、温度、湿度、地形等众多因素影响，没有实际监测获得数据准确可靠。通过对既往关于堆肥场生物气溶胶迁移情况的数据进行归纳和汇总发现[4,8,22]，在堆体外10 m 处堆肥产生的气溶胶中可培细菌比堆体处减少1/3[9]；不同气象和周边环境会显著影响微生物气溶胶迁移距离，PANKHURST L J[22]在研究某一城市社区堆肥厂气溶胶迁移规律时发现，微生物气溶胶浓度在下风向25 m 内就可降为背景浓度；某一园林垃圾堆肥厂在距离堆肥场100 m 处仍可检测出较高浓度的烟曲霉，在距离堆肥场300～400 m处放线菌和革兰氏阴性细菌的浓度仍比背景值高，这可能与微生物种类有关。SANCHEZ L J[2]则发现，在距离堆肥场200～300 m 处的微生物气溶胶浓度降为背景值[5,23]。FISCHER G[8]和ALBRECHT A[4]研究发现，耐热真菌和嗜热放线菌比其他细菌和嗜中温真菌扩散距离更远，大多数情况下距离堆肥场600～800 m 以外才可降为背景浓度，即使在最糟糕条件下耐热真菌和嗜热放线菌在距离堆肥场600～1 400 m 处仍比背景浓度高，出现二次峰值。这种情况可能与耐热真菌孢子粒径分布有关，如烟曲霉孢子粒径范围主要分布在1～2 μm，其孢子主要以单细胞释放，很少聚合，使得其迁移距离更远。

4.2 迁移影响因素

（1）处理规模

生物气溶胶迁移距离与处理规模呈正相关，堆肥厂处理规模越大，其影响范围越大。有研究表明[13]，微生物气溶胶浓度和扩散距离随着堆肥厂规模增加而增加。

（2）堆肥物料

微生物气溶胶的迁移距离还与堆肥物料的种类有关。当堆肥原料为园林垃圾时，或其中园林垃圾与有机生活垃圾比例不超过15%时，气溶胶的迁移距离随之增加[4]。

（3）气象条件

微生物气溶胶迁移距离与风速和温度正相关，与相对湿度呈负相关[24]。湿度越高，微生物气溶胶浓度越低[18]；温度越高，风速越大，气溶胶浓度越大[2]。此外，由于温度变化，当空气在地表附近发生逆流时，会出现非稀释性扩散，也会导致微生物气溶胶的浓度和迁移距离的增加[4]。

（4）周边环境

堆肥厂周边的房屋街道，会形成气流湍流，影响风速，从而影响气溶胶迁移距离[2]。

（5）粒径范围

微生物气溶胶的胶迁移距离与粒径大小呈负相关，微生物粒径越小，则迁移距离越远。如曲霉粒径范围主要分布在2.1～3.3 μm，而细菌粒径范围主要分布在1.1～2.1 μm[25]。研究显示，在距离某堆肥场100 m 处发现大量烟曲霉菌，距离堆肥场300～400 m处仍发现大量放线菌和革兰氏阴性菌[2]。FISCHER G等[8]发现，耐热真菌迁移距离远于嗜热放线菌外的其他细菌，推断原因为空气中某些细菌非常容易团聚，而真菌基本以单孢子形式存在，因此会出现细菌迁移距离小于真菌迁移距离情况。

5 结论

随着有机废物产量的增加、人类环保意识的觉醒以及堆肥相关技术规范、政策的完善，堆肥法将替代填埋处置法成为有机废物管理的主要手段，旨在减少废物体积，同时提高资源化利用效率。有机物好氧堆肥是一生物降解过程，通过细菌和真菌将有机物分解成更简单的物质，因此在其进行破碎、筛分和翻垛时会释放大量微生物气溶胶，如烟曲霉、青霉、放线菌、内毒素等，弥散在空气中容易危害从业者和周边居民的身体健康，带来潜在的致病风险和危害。因此，堆肥厂应在破碎、筛分和翻垛堆肥等扰动性较大的操作工段加强通风，并通过除臭工艺去除气溶胶；为相关工作人员配置防护服、面具和口罩等防护装备；充分考虑堆肥场所在地气象、地形及周边环境条件，设置微生物防护距离以规避微生物气溶胶迁移带来的影响和危害。