生物除臭菌剂除臭效能及其对微生物影响研究

唐 建，唐恒军，司马卫平，梁 超，邱忠平

（1. 四川轻化工大学土木工程学院，四川 自贡 643000；2. 西南交通大学生命科学与工程学院，成都 610031）

引言

当前，随着我国经济的快速发展以及城市化进程的不断加速，生活垃圾产量不断增加。而我国又是以卫生填埋作为垃圾处理的主要方式，垃圾填埋场产生的恶臭已经引起了人们的高度重视［1-5］。恶臭物质不仅会使人产生不快和厌恶感，还会危害人们的健康甚至生命，因而国外有些国家较早地开始了这方面的研究，对恶臭实行专项立法，把恶臭污染作为一种公害。

目前除臭方法主要有物理法、化学法和生物法［3,4,6-10］。物理法和化学法往往存在设备昂贵、运行费用高、持续时间长、有可能产生二次污染等问题［2-4,6-7,11-12］。生物法是利用微生物的新陈代谢将恶臭组分吸收、氧化分解成二氧化碳、水以及组成微生物细胞物质。由于其除臭效率高、运行成本低、不会产生二次污染等优点［4,7,13］，目前已经成为除臭技术研究的热点。孙杰分析了餐厨垃圾处理过程中，恶臭产生来源、成分及处理措施，通过采用投加复合生物菌种除臭，达到了理想的除臭效果［1］。黎青松等采用生物除臭剂对生活垃圾填埋场除臭效果进行试验研究，结果发现添加生物除臭剂后能使氨气浓度降低45%，硫化氢浓度降低60%，达到了良好的除臭效果［14］。

针对垃圾填埋场产生的臭气问题和生物除臭法的优点，通过从自然界中筛选具有除臭功能的优势菌种并制备成除臭菌剂，投加到准好氧型生物反应器填埋场中，探讨优势除臭菌剂对硫化氢和氨气的去除效果以及加速垃圾填埋场稳定化进程的影响。在此基础上，为垃圾填埋场生物除臭提供相关理论和应用依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

本试验装置主要包括准好氧型生物反应器垃圾填埋区和渗滤液收集池两个部分。试验设置两组反应器：投加复合生物除臭菌剂的准好氧生物反应器即试验组（A+）、未投加复合生物除臭菌剂的准好氧生物反应器即对照组（A）。将准好氧型生物反应器装置外部与大气连通的通气管阀门打开，通气管实现与外界大气连通，利用反应器内外存在的气压差与温压差，形成大气对流，从而实现向装置内填埋的垃圾体提供氧气（图1）。

图1 试验装置图

准好氧型生物反应器填埋装置主体由聚氯乙烯（Poly Vinyl Chloride，PVC）材料制成（图1），主要包括垃圾填埋区、渗滤液收集与回灌系统、自然通风系统、固体取样孔及反应器底座等几部分组成。准好氧型生物反应器总体高度为1000 mm，主要由底部渗滤液收集池和上部垃圾填埋区所组成，两者之间有一活动的有空挡板，两者的内径均为300 mm。底部渗滤液收集池高250 mm，底座支架高250 mm，上部的垃圾填埋区高500 mm。

1.2 气体采样装置

气体采样装置如图2 所示，主要由气体吸收管、流量计和采样泵3 部分组成。采样时将气体进气管放于反应器表面，调节好流量，然后启动气体采样泵，气体经过气体吸收管与液体时，被富集于液体中，本研究主要富集硫化氢和氨气。

图2 气体采样装置

1.3 准好氧型生物反应器运行

本次试验用的生活垃圾主要收集于城市居民生活小区和菜市场。垃圾装填之前，先进行装置清理与洗涤工作，并检查通风孔、通风管道、水流管道及其阀门是否完好。待检查完毕后，在反应器活动挡板上面铺一个圆形的铁丝网（20 目）作为格栅，防止堵塞，再铺设一层厚度为30 mm ～50 mm 的小石子，该小石子主要对渗滤液中的固体残渣起过滤作用。在小石子的上面进行垃圾填装。为了保证一定的压实度和垃圾均匀性，每次填装5.0 kg 垃圾后分层压实。垃圾填装完毕后，在垃圾体上方铺设一层厚度为30 mm ～50 mm 的小石子，作为填埋场的覆盖层。装填工作完成以后，将反应器的自然通风管阀门开启，以保证垃圾体内的通风管道与外界的大气连通形成对流，从而达到准好氧的条件，相关的运行参数见表1。

表1 垃圾装填及运行相关参数

1.4 复合生物除臭菌剂组成及其投加方式

研究采用的复合生物除臭菌剂是由2 株假单胞菌属（Pseudomonassp.）、1 株毕氏酵母属（Pichia Hansensp.）和1 株根霉属（Rhizopussp.）组成的复合生物菌剂，经过扩大培养后，按照垃圾质量的4.0% 喷洒于填满垃圾的准好氧型生物反应器表面。

1.5 分析项目和方法

将气体采样器收集后的样品进行分析［15］：氨气采用次氯酸-水杨酸分光光度计法，硫化氢采用亚甲基蓝分光光度计法；从反应器固体取样孔采集固体垃圾样品，然后分别接种于硫化细菌、反硫化细菌、氨化细菌、硝化细菌培养基中培养，然后采用计数测定法计数，研究复合生物除臭菌剂对微生物的影响。

2 结果与分析

2.1 复合生物除臭菌剂除臭效能研究

2.1.1 复合生物除臭菌剂对硫化氢去除效能研究

垃圾在降解过程中，在氧气含量不足的条件下，含硫有机物和硫酸盐等物质将转化为硫化氢为主的臭气组分［3,4,16-17］。通过监测硫化氢的含量，便可以研究除臭菌剂对臭气组分的去除效果。在试验周期内，监测硫化氢浓度的变化趋势如图3所示。

从图3 可以看出，加入除臭菌剂对臭气组分中的硫化氢具有一定的去除效果，去除率的变化趋势为：从试验开始时的21.28% 到第10 d 时的42.27%，去除率一直处于上升状态，这对于垃圾开始分解阶段产生大量硫化氢气体，非常有环保意义。另外从第47 d 到试验结束时，去除率一直处于上升的趋势，从35.42% 升高至70.70%。在整个试验阶段，试验组共采集到硫化氢97.42 mg，对照组共采集到硫化氢151.04 mg，总去除率为35.50%。说明投加除臭菌剂能减少硫化氢的总释放量。总体而言，在试验周期内，添加复合生物除臭菌剂有利于减少硫化氢气体的释放，这可能是因为硫化氢气体被氧化为单质硫和硫酸盐固定于垃圾填埋场中，减少了气体硫化物的释放。

图3 硫化氢浓度变化及去除效能

2.1.2 复合生物除臭菌剂对氨气去除效能研究

填埋场中的氨气主要来源于动植物残体中含氮有机化合物的分解，该过程主要由填埋场中的氨化细菌完成。氨化作用可以在好氧和厌氧条件下进行，但是以好氧微生物降解含氮有机化合物的速率最快［13-15,18］。在试验周期内监测氨气浓度变化趋势如图4所示。

图4 氨气浓度变化及去除效能

从图4 可以看出，氨气的去除率在试验周期内波动较大。氨气的去除率从试验刚开始时的24.93% 下降到第6 d 时18.77%，而后第10 d 升高到36.02%，去除率一直处于上升状态，表明垃圾中的有机氮转化成氨氮，有利于生活垃圾稳定化加速。第12 d 又下降到20.64%。从第12 d 到第38 d 这段时期内，氨气去除率表现出较小幅度的上升阶段，由第12 d 的20.64% 升高到第38 d的33.83%，说明该时期内投加除臭菌剂对氨气去除较稳定。从第47 d 直至试验结束时，氨气的去除率都维持较 高 水 平。 从 第47 d 的23.45% 升 高 至 第58 d 的78.70%。这可能是因为含氮有机物分解殆尽。在整个试验阶段，试验组共采集到氨气196.07 mg，对照组共采集到氨气285.40 mg，总去除率为31.30%。这表明硝化细菌将氨转化成亚硝酸盐和硝酸盐，减少了氨气的挥发。因此投加除臭菌剂能减少氨气的释放量，具有较好的除臭效果。

2.2 复合生物除臭菌剂对微生物影响研究

通过投加优势除臭菌剂，能够增加与臭气转化相关微生物的数量，加快对硫化氢和氨气的代谢过程，从而使硫化氢和氨气的释放量减少。除臭菌剂后投加后对准好氧型生物反应器填埋场中与硫元素和氮元素转化相关微生物的影响进行了研究。可以确定相关微生物的数量变化，从而有利于进一步研究微生物除臭机理。

2.2.1 硫化细菌

硫化细菌能将还原态的硫化物（硫化氢、硫代硫酸盐等）氧化为硫单质，再经过氧化生成硫酸盐，从而达到去除臭气的目的［1,8,11,19-20］。因此，分析填埋场内的硫化细菌数量非常重要。在试验周期内，监测硫化细菌数量变化趋势，如图5所示。

图5 硫化细菌数量变化

从图5可以看出，在试验进行的117 d中，试验组和对照组硫化细菌数量变化趋势基本一致，都是先增多，后减少。试验前期，试验组硫化细菌数量由试验开始时的4.4 × 106快速增加，第21 d 时达到整个试验周期的峰值2.1 × 108个。这表明试验周期的前21 d，硫化细菌数量呈现快速上升的趋势，硫化细菌将硫化氢转化为硫单质，固定于垃圾介质中，有利于硫化氢气体的减少。而后直至试验结束，硫化细菌数量一直处于下降的趋势，到试验结束时，试验组硫化细菌的数量为1.2 × 104个。对于对照组，硫化细菌数量由试验开始时的3.9 × 105个快速上升到峰值6.8 × 107个，之后直到试验结束时，硫化细菌数量为2.5 × 103个。与对照组的硫化细菌数量相比，在整个试验阶段试验组硫化细菌数量具有明显的优势。到试验后期，硫化细菌可利用的底物（硫化氢、硫代硫酸盐等）以及垃圾填埋场内可供微生物降解物质不断减少，造成硫化细菌进入内源呼吸期，数量不断减少。

2.2.2 反硫化细菌

反硫化细菌在厌氧条件下将硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和次亚硫酸盐还原为硫化氢的过程称为反硫化作用［2,6,21］。在此反应中，微生物利用硫酸盐等硫化物中的氧作为最终电子受体，将有机物分解获得能量。小部分被还原的硫用于合成微生物细胞物质，大部分以硫化氢气体的形式释放到微生物细胞体外。在试验周期内监测反硫化细菌数量，变化趋势如图6所示。

图6 反硫化细菌数量

从图6 可以看出，在整个试验周期内试验组和对照组反硫化细菌数量变化趋势基本一致，都是先增多，后减少。这可能是因为试验前期垃圾组分中有机物质被微生物大量分解，为反硫化细菌生长提供大量营养物质，同时利用硫酸盐作为电子受体将硫元素还原为硫化氢气体，这与试验前期监测到的硫化氢浓度快速升高相符合，反硫化细菌在该段试验周期内增长速度较快，造成硫化氢释放量增加，使试验初期监测到硫化氢浓度呈现快速增长的趋势。试验进行到第14 d 以后，反硫化细菌数量快速下降。这是因为到试验中后期，营养物质基本消耗完毕，反硫化细菌进入内源呼吸期，造成反硫化细菌数量快速下降。针对试验组和对照组具体分析，从试验刚开始到试验第14 d 试验组与对照组反硫化菌数量快速上升，这表明试验周期的前14 d，反硫化细菌一直处于增长的趋势，有利于与硫元素转化相关微生物生长繁殖，促进生活垃圾中硫元素的循环。从第14 d 以后直至试验结束，反硫化细菌数量一直处于下降趋势，试验结束时试验组反硫化细菌的数量为4.2 × 103个，对照组反硫化细菌的数量为2.6 × 102个。在整个试验周期内，试验组反硫化细菌数量比对照组反硫化细菌数量多，这说明投加反硫化细菌，有利于垃圾填埋场中硫元素的循环。

2.2.3 氨化细菌

垃圾填埋场中动植物残体中含有大量含氮有机物，这些含氮有机物在氨化细菌的作用下，将含氮有机化合物分解后产生氨气，其中一部分释放，一部分氨气溶于水即形成渗滤液氨氮［4,7,16-17,22］。因此研究反应器内的氨化细菌数量对臭气的控制具有重要的意义。监测氨化细菌数量变化趋势如图7所示。

图7 氨化细菌数量

图7 中，在试验周期内，试验组和对照组氨化细菌数量变化趋势基本相同，先升高，后降低。由试验刚开始到第15 d 氨化细菌数量迅速增加，这表明在试验周期前15 d，氨化细菌在垃圾中大量积累，将垃圾中的有机氮（蛋白质、胺类、氨基酸等）经过氨化过程转化成氨氮，造成试验初期释放氨氮量增加。此后直到试验结束时，一直维持下降的趋势。到试验结束时，试验组氨化细菌数量为2.5 × 103个，对照组氨化细菌数量为1.2 × 103个。试验初期，氨化细菌增加的主要原因是垃圾填埋过程中进入大量氧气，垃圾中含氮大分子有机物不断地降解为小分子有机物，为好氧型氨化细菌提供生长繁殖所需的营养物质，表现为氨化作用不断增强，同时监测到氨气释放量和渗滤液中氨氮浓度也不断增加。氨气测定结果表明，试验组和对照组在第10 d 氨气释放量达到峰值，分别为12.17 mg、19.03 mg。随着含氮物质不断减少和含碳有机物不断分解、氧气的不断消耗，以及渗滤液中氨氮含量不断升高，氨化细菌的活性受到抑制，表现为氨化细菌数量不断的减少。在试验周期内，试验组氨化细菌数量大于对照组，氨化细菌将含氮有机物转化成氨氮溶于渗滤液中，减少了固体垃圾中氨氮释放量。

2.2.4 硝化细菌

臭气组分中的氨气在亚硝化细菌和硝化细菌的共同作用下完成硝化作用，硝化作用分为两个步骤：氨气首先经过亚硝化细菌的亚硝化作用将氨气氧化为亚硝酸盐，再经过硝化细菌的硝化作用氧化为硝酸盐，在这一过程中需要大量的氧［2,6,12-13,21］。硝化细菌数量变化如图8所示。

图8 硝化细菌数量

从图8 可以看出，在试验周期内试验组和对照组硝化细菌数量的变化趋势基本趋于一致，先升高，后下降，再升高，再下降的趋势。从试验刚开始到试验第15 d硝化细菌数量快速上升，硝化细菌利用氨化细菌产生的氨作为底物将氨氧化成硝酸盐和亚硝酸盐，从而减少氨气的释放，达到除臭的目的。随着氨氮的不断消耗，硝化细菌可利用的底物减少，造成硝化细菌数量在试验后期呈现快速下降的趋势。第40 d 达到试验周期的峰值以后，直至试验结束，硝化细菌数量一直处于快速下降的趋势，到试验结束时试验组硝化细菌数量为4.8 × 104个，对照组硝化细菌数量为4.9 × 103个。试验前期，由于含氮有机物（蛋白质、脲、核酸、胺）在微生物分泌酶的水解下，形成小分子氨，在底物充足的条件下，硝化作用快速增强，有利于硝化细菌快速繁殖，所以试验前期硝化细菌数量增长较快。试验后期，由于底物、氧气不断消耗，造成硝化细菌数量下降。

3 结束语

通过分析试验组和对照组氨气和硫化氢浓度的变化规律及与这两种气体转化相关的微生物的数量变化，研究复合生物除臭菌剂对氨气、硫化氢去除效能及其微生物的影响。结果发现投加优势菌种能够增加反应器内微生物的数量，减少硫化氢和氨气的释放量，抑制填埋场臭气的产生。通过投加复合生物除臭菌剂硫化氢总去除率为35.50%，氨气总去除率为31.30%。