恶臭全过程控制对策探讨

2022-03-08陈淑敏史天哲

四川环境 2022年1期

羌宁，陈淑敏，王亘，史天哲

(1.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092； 2.天津市生态环境科学研究院国家环境保护恶臭污染控制重点实验室，天津 300191)

前言

随着经济的发展和人民生活水平的提高，恶臭作为环境公害之一已越来越受到关注。污水处理厂、污水泵站、垃圾处理、处置等市政设施和医药化工、食品、畜禽养殖等工农业生产过程造成的恶臭公害已成为民众投诉、造成纠纷的焦点之一，同时恶臭源还造成了周围土地使用价值的下降，恶臭源的控制已成为目前一些地区亟待解决的生态环境问题和民生问题。目前我国对恶臭的控制措施主要还局限于以末端治理为主，存在控制效果不尽如人意，或排气的恶臭控制效果尚可，但持续稳定运行代价高昂等问题，许多地区还存在所谓“达标扰民”的情况。本文以控制恶臭的环境影响、减少恶臭投诉为目标，基于恶臭源特性及其对周边环境形成影响的相关因素的梳理分析，探讨技术和管理并重的系统化、全过程恶臭公害控制的对策途径。

1 恶臭特征评价体系

恶臭是指一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快感觉及损害生活环境的异味气体。当空气中恶臭物质浓度超过嗅阈值后，人体嗅觉感官就能感受恶臭气味。恶臭的阈值浓度有检知阈值浓度和确认阈值浓度两种。检知阈值是指人嗅觉刚开始感觉到有某种恶臭存在时的恶臭物质浓度，确认阈值是指人能确认恶臭种类或恶臭特征的最小恶臭物质的浓度。检知阈值小于确认阈值。

理论上，对恶臭最直观的评价可通过分析测试得到所有恶臭物质的成分和对应的浓度，再根据恶臭成分浓度与嗅觉的响应关系来表征恶臭的特征。现代分析测试技术已能识别出许多恶臭物质成分并在恶臭溯源工作中发挥了一定的作用[1～6]，同时许多研究工作也报道了部分恶臭成分的浓度与恶臭感官响应的关联关系结果[7～10]，但由于致臭物质种类繁多，且大多数的恶臭气体往往是多种成分的混合物[11～16]，部分恶臭成分甚至还没有对应的标准物质及相关谱图等基础数据，同时许多致臭物质的嗅阈值远低于现有分析方法的检测下限，所以目前还没有一种测试方法能对所有的恶臭源提供全成分谱的定性、定量分析[17]。此外，从嗅觉感官评价分析来看，人类嗅觉系统的敏感性也存在差异，恶臭成分对嗅觉器官刺激还可能存在协同或拮抗效应，因此，即使获得了恶臭全成分谱数据，也无法直接反映恶臭混合气体对人体感受的综合影响情况，即绝大多数情况下还难以通过恶臭源的恶臭成分分析来实现恶臭感官响应的定量表征[18]。基于减少恶臭投诉率的目的，目前阶段，感官嗅觉测定法仍然是最符合实际人体感受的恶臭特征评价方法，即通过人的嗅觉器官对恶臭气体的反应来进行恶臭特征的评价。

需要注意的是，环境恶臭特征和恶臭源排放特征的评价关注点是有所区别的。

1.1 环境恶臭特征评价体系

环境恶臭的评价主要关注受体的感受，其常用的恶臭特征感官评价参数有恶臭强度，恶臭浓度，频率，持续时间，刺激性等[19]。

恶臭强度是指恶臭气体在未经稀释的情况下，对人体嗅觉器官的刺激程度。六级臭气强度法参照调香师的嗅觉感知，从0～5用六级臭气强度法表示。具体见表1，其中许多国家和地区将2.5～3.5设为环境标准值[20]。

恶臭浓度是指用无臭空气对臭气样品连续稀释至嗅阈值时的稀释倍数，大体上与恶臭成分的质量浓度同步。恶臭浓度可为恶臭评估提供相对直接可比的定量数据[21]。对于恶臭浓度的测定，我国目

表1 恶臭强度分级Tab.1 Odor intensity classification

前采用的是属于静态配气法的三点比较式臭袋法，欧美等国采用动态稀释嗅辨法[22]。

需要注意的是，尽管人体对恶臭气体影响的感受是通过恶臭强度来表示的，但如表1所示，恶臭强度只是一种半定量的表示方法，当恶臭物质浓度高到超过某一数值时，恶臭强度都只能用5级强度来表示。而恶臭浓度可通过不断增加稀释倍数更加科学精确地对应于可以被嗅觉器官感觉的恶臭物质的质量浓度。图1所示为恶臭物质的恶臭强度与恶臭浓度之间的关系情况。由于恶臭强度与恶臭浓度并非全程都是对数线性关系，这给恶臭控制效果的客观评价带来困难[23]。

图1 恶臭物质的恶臭强度与恶臭物质浓度之间关系示意Fig.1 Relationship between odor intensity and odor substance concentration

在一定的范围内，恶臭强度和恶臭物质浓度之间的关系可用Stevens定律即指数定律来表示。

I= k(C)n

(1)

或 logI= logk + nlog(C)

(2)

式中I表示恶臭强度，C表示恶臭质量浓度，k为常数，n为与恶臭成份有关的指数，通常为0.2～0.8。从关系式中可以看出，如果某一恶臭物质的n值为0.2的话，那么在其浓度降低10倍的情况下，其臭气强度仅降低1.6倍。而对于n值为0.8的恶臭组分，在其浓度降低10倍的情况下，其臭气强度降低6.3倍。对于以减低恶臭强度为目标的恶臭污染控制(稀释或净化)而言，牢记住恶臭强度与恶臭物质浓度之间的这种指数关系对于恶臭浓度测试过程稀释比的选择或治理设施控制效率的设定是非常重要的。

频率是指某个时段内恶臭受体暴露在恶臭大气环境下的次数，与受体和污染源的相对地理位置、风向等有关[24]。持续时间是指受体暴露在恶臭大气环境下的时间长度。通常，恶臭污染的频率越高，持续时间越长，其造成的公害越严重，往往投诉率也越高。

刺激性是定义气味是愉快或不愉快的参数，是衡量恶臭可接受性的参数之一[25]。

恶臭强度，出现的时间长度、频率及刺激性是与恶臭投诉相关的主要特征参数。由于环境恶臭的强度通常相对较低，因此也可利用恶臭强度与恶臭浓度间的对数线性关系，采用定量相对精细化的恶臭浓度来进行评估。

1.2 恶臭源特征评价参数

恶臭源的特征可以用恶臭强度，恶臭浓度，频率，持续时间，刺激性等来表征，但由于恶臭源的起始浓度通常较高，因此大多数情况恶臭浓度较恶臭强度能更好的表征恶臭源状况。由于恶臭源与受体间还存在大气中的扩散迁移转化过程，因此对于恶臭源的特征更应关注的是排放时间，频率，排气恶臭浓度和排放风量，后两者可更确切地综合为恶臭排放速率OER(Odor Emission Rate)[26]。对于有组织排放的点源，恶臭排放速率可按常规的污染源源强的确定方式，即通过测定恶臭浓度和排气风量来确定，对于面源排放速率的测定和估算已有不少研究报道[27～34]，但总体还需要进一步规范化。

恶臭排放速率亦可称为恶臭源的排放强度，可用式(3)来表示。

OER=Q×C

(3)

式中，OER为恶臭排放强度；Q为单位时间内污染源排放气量，m3/h，C为恶臭浓度。

恶臭源排放强度与可能造成的环境恶臭污染状况间的大致经验关系如表2所示。确切的恶臭排放强度对周边环境的影响范围取决于所在地的气象条件和地理、地形，可通过相关模型进行模拟预测。

表2 恶臭排放强度与恶臭污染公害的经验关系[35]Tab.2 Empirical relationship between the odor emission intensity and the range of odor nuisance

对于恶臭源而言，其排放特征应关注的是恶臭排放强度、排放频率，持续时间和排放高度，排气温度和排放风速等。此外，从污染治理的角度，如果恶臭源的恶臭物质浓度可以定性定量的话，恶臭物质浓度也是重要的排放特征参数。

2 恶臭物质及其来源特征

2.1 主要恶臭污染物及特性

恶臭物质种类很多，迄今单凭人的嗅觉能够嗅到的就有400多种，对人体危害较大的也有几十种。常见的有硫醇类：乙硫醇、二甲基硫醇等；硫醚类：二甲基硫、二乙基硫、二苯基硫等；硫化物：硫化氢、硫化铵等；醛类：甲醛、乙醛、丙醛等；吲哚类：β-甲基吲哚等；脂肪酸类：丙酸、丁酸(酪酸)、癸酸(羊脂酸)等；酮类；丁酸酰胺等；胺类：甲胺、乙胺、二乙胺等；酚类：酚、硫代酚等。

从以上所举的例子可以看出，具有恶臭的物质在其分子结构上都具有形成恶臭的原子团，也称为“发臭团”。含有发臭基团的气味分子与嗅觉细胞相作用，经过嗅觉神经向脑部神经传递信息，就形成了对气味的感知。“发臭团”包括硫(=S)、巯基(-SH)、硫氰基(-SCN)、羟基(-OH)、醛基(-CHO)、羰基(-CO)和羧基(-COOH)。这些恶臭物质散发出来的臭气性质各异，有的似鱼腥味，如胺类；有的似腐烂的卷心菜味，如硫醇类；有的如臭鸡蛋味，如硫化氢；有的类似汗臭，如丁酸；有的具有刺激臭味，如氨和醛类；有的发生膻臭，如羊脂酸(癸酸)等等。表3列出了一些常见的恶臭化合物及其性质。

恶臭物质的种类很多，通常地，按化学组成来看恶臭气体大致有以下五类：

①含硫的化合物，如硫化氢，硫醇类，硫醚类等；

②含氨化合物，如氨，胺类，酰胺，吲哚类等；

③卤素及衍生物，如氯气、卤代烃等；

④烃类，如烷烃，烯烃，炔烃，芳香烃等；

⑤含氧有机物，如醇，酚，醛，酮，有机酸等。

表3 一些恶臭化合物的性质概要Tab.3 Properties of some odorous compounds

2.2 恶臭来源及特征

恶臭物质按其发生特性主要有二大来源，其一：天然动、植物的自然腐败分解或生产加工过程中，蛋白、脂肪、碳水化合物的好氧、厌氧过程。如养殖场；肉、鱼类加工厂；生活(或工业)污水收集、输送和处理设施(污水泵站、污水处理厂)；生活垃圾(或工业垃圾、医用垃圾、人畜尸体等)存放和处置设施(垃圾中转站、垃圾填埋场、垃圾焚烧厂、尸体火化场)；造纸、制革和药材加工厂等。其二：具有气味的有机化合物的生产、合成和使用过程。如石油化工、日用化工、医药等化学原料及化工产品生产和使用行业等。

污水处理厂、垃圾中转、填埋场等市政设施，化工、制药、食品加工、饲料加工、涂装作业等工业过程及畜禽养殖等农业过程是主要的恶臭来源。

污水处理厂的恶臭气体主要来源于污水进水格栅，调节池及污泥处理处置部分，厌氧微生物利用有机物进行分解和合成，产生大量的恶臭气体[36～38]，污水在城市下水道中的长距离输送也容易形成厌氧环境而引发恶臭事件[39]。城市垃圾在转运、焚烧处理及填埋处理过程中，有机物质在收集、转运、堆放和填埋过程中容易厌氧发酵，产生许多类型的恶臭气体[40-41]。

恶臭的工业源包括炼油厂，化工厂，制药厂、造纸厂和香精香料厂等[42]，许多工业园区的特征恶臭物质往往会对人体感官造成非常强烈的刺激，甚至还具有毒性[43]。工业发酵等生产工艺过程中排放的恶臭物质具有嗅阈值较低或排放量大的特点。食品加工业也是恶臭的主要源之一，食品加工厂的气味通常来自于食品加工、产品储存等过程中产生的挥发性有机物，食品在烹饪、加热、干燥或熏制食物等热处理步骤中的生物或化学反应会生成挥发性有机物[44]。畜禽养殖行业因动物排泄物和饲料等因素，也是重要的恶臭发生源[45-46]。各主要恶臭污染源的类型及特性如表4所示。

表4 恶臭污染源分类特性Tab.4 Odor pollution source classification characteristics

3 恶臭公害的相关影响因素

恶臭公害发生过程一般包括恶臭的产生与排放、大气扩散、感觉——意识三个阶段。其中，恶臭产生与排放的主要影响因素包括恶臭源发生的机制、产生的形态(污染源环境条件、排气特性)等，面源和体源恶臭源的排放速率还与气象条件有关；扩散阶段则取决于当地当时的气象条件、地理位置、地形条件等；在感觉——意识阶段，主要影响因素包括人的身体状况、心理状态、对恶臭的关心程度、环境意识等。

3.1 恶臭源的发生与排放速率

恶臭源排放的特征体现在排放强度(对应于排放速率而非仅仅是浓度)、持续时间、频率、排放气体气味的刺激性程度等。除气味的刺激程度外，其它的排放特征与恶臭的产生机制、环境条件及污染源的逸散途径和有组织的气体收集方式等密切相关。

如前所述，许多情景的恶臭主要来自厌氧过程和恶臭物质在生产加工过程中的暴露逸散，因此其排放量除与恶臭逸散有关的活动量水平相关外(如垃圾填埋场规模越大，恶臭的产生散发量相对也越大)，还与影响恶臭物质的产生条件、逸散条件及收集条件等相关。影响恶臭的产生条件中，温度是一个重要的因素，气温升高往往会造成源于微生物活动的恶臭物质产生量的增大，同时提高恶臭物质的挥发性和减少液相中恶臭物质的溶解度，从而造成恶臭发生排放速率增大。对于涉及恶臭污染的企业，若企业的清洁生产水平高，原辅材料利用率高、机械设备密封良好，其恶臭污染物质的发生量将相对较小。恶臭气体收集系统也是影响恶臭源强的直接因素。收集是控制无组织排放的基本手段，气体收集效率高，恶臭无组织排放量将减少，但仅依靠加大排风量的方式提高集气效率的话往往在污水、垃圾等表面造成恶臭物质挥发量增大，很多情况下导致恶臭有组织排放源强不合理地增加。因此对于一些恶臭污染源，收集方式的合理改进也是控制减少恶臭排放强度的关键因素之一。

3.2 气象条件

气象条件会从产生速率和散发速率两方面影响恶臭污染源的源强，此外还会通过改变大气扩散稀释能力影响恶臭公害的发生范围和程度。

刘彦君[47]研究了恶臭释放速率与气象因素之间的相关关系，并通过非稳态大气扩散数值模型模拟恶臭物质的浓度分布。Devanathan等[48]通过模型模拟研究了造成面源恶臭影响最严重的气象条件。笔者曾通过面源高斯扩散模型分析了垃圾填埋场在不同气象条件下的恶臭影响情况及影响范围[49]。

从源强的角度分析，除3.1中分析的温度影响外，对于填埋场等类的暴露面源，风速还会影响暴露表面的恶臭物质的散发率[50]。而气象条件又直接影响大气对恶臭物质的扩散稀释能力，较大的风速会增加恶臭污染物的扩散范围，但恶臭浓度较高的区域范围会减少。恶臭公害的发生范围和影响程度还受到大气稳定度的影响，稳定的大气条件往往造成恶臭气体难以扩散稀释。总体而言，恶臭的影响范围和程度随着气象稳定度的增强而增大[48-49]。从某种意义上来说，气象条件对区域恶臭污染物的大气承载容量起着决定性的作用，由于气象条件是变化的，因此造成大气承载容量的不同，最终表现为该区域出现恶臭公害的频率、时长和影响范围随气象条件变化而不同。在制定具体的恶臭污染控制对策中必须考虑以上的因素。

3.3 源与受体的相对地理位置

恶臭污染源与受体敏感点的相对地理位置也是影响恶臭投诉率的重要因素。相对地理位置包括相对方位和距离。对于单个或数量较少的敏感点情景而言，如果恶臭源位于主导风向的下风向，敏感点受恶臭影响的频率就较小。此外，源和受体的相对距离也是影响恶臭投诉率的最重要的因素之一，对于恶臭源周边散布多个敏感点的情景就更是如此。

在气味源和可能受影响的人群之间设置缓冲区可以帮助控制恶臭的扩散。树木、高围栏或烟囱等结构可以造成气体湍流来稀释恶臭气体、降低气味浓度[51]。Lin等[52]研究了可以改变风向并降低风速的防风林对恶臭扩散过程控制的作用。Tyndall等[53]研究了树木和灌木对气溶胶的物理拦截和捕获作用。

恶臭管理控制的一条重要措施就是设置防护距离[53～57]。防护距离是描述气味源对附近居民区影响的合适参数，旨在确定出气味可能引起公害的区域，科学合理地确定防护距离以有效降低恶臭源对居民生活的影响。防护距离取决于恶臭源强、当地的气象条件和地形、地貌等因素。不同的国家和地区制定了不同的气味影响标准来确定防护距离[58-59]。不同气味影响标准的主要区别在于对恶臭浓度阈值和超出概率的规定，超出概率指超过恶臭浓度阈值的时间百分比。已知恶臭源的排放特性数据，和风向、风速、大气稳定度等气象数据，以气味影响标准为评估依据，就可以通过扩散模型计算出防护距离[56,58]。Piringer等[58]分别用高斯奥地利气味扩散模型AODM和拉格朗日气团扩散模型LASAT，计算了相同排放源和相同气象条件下的防护距离，并分析了两种模型计算结果的差异性。Brancher等[60]评估和量化了两个气象条件不同的地点之间所需防护距离的年际变化，证明用一年的小时气象观测值计算隔离防护距离是合理的。

此外，受体本身的状态也是评价恶臭影响时需要考虑的因素之一，既包括受体在环境中的暴露情况，例如居住地点、人员流动、暴露时间等，也包括受体自身的特征，例如是否有接触恶臭的个人经历、感知健康受到威胁的心理特征和应对能力等[61]。

4 恶臭控制原理和可行的技术路线

4.1 恶臭控制的原理

如图2所示，恶臭气体从产生、散发到排放形成恶臭公害的过程涉及众多的因素，恶臭的有效控制应建立如图3所示全过程控制管理体系，即通过减少排放速率、增加稀释等措施将敏感点处的恶臭物质浓度减少到嗅阈值以下，同时通过模型预警对可能出现的不利气象条件情景采取应急措施等，最终实现减少恶臭源对受体的影响频率和时长的目的。

图2 恶臭公害形成过程及主要影响因素Fig.2 The formation process and main influencing factors of odor nuisance

图3 恶臭公害的全过程控制路线Fig.3 The integrated process control roadmap of odor nuisance

4.2 恶臭控制可行的技术路线

从恶臭公害发生过程和管理角度，建议对恶臭源通过如表5所示途径进行管控。

表5 恶臭全过程控制途径Tab.5 Odor integrated process control roadmap

4.2.1 源头控制

源头控制包括两方面。一是从源头上减少恶臭物质的使用和产生，例如清洁生产、源头替代、工艺改进等方式。二是合理规划恶臭源位置，在恶臭源与受体间设置适宜的防护距离。

4.2.2 过程减排

过程减排是指通过生产工艺设备和集气通风设备等的合理配置，减少恶臭类物质的挥发逸散量，并经济有效地控制其散发。对大多数的恶臭源，需要研究分析恶臭的发生规律及影响因素并根据排放特征确定适宜的恶臭气体收集方式，在控制无组织逸散的同时，通过设置合理的排放风量，以有效地减少过程排气的恶臭物质排放强度。如果排放风量很大而只控制恶臭排放浓度而不减少排放风量，由于恶臭排放强度仍然很高往往很难达到减少投诉率的目的。同时，目前许多场合的恶臭控制难度大，主要体现在技术经济方面，尤其是大风量、低浓度情况下采取高效净化措施并维持稳定运行的话，往往资源及能源的代价较高。因此，通过过程减排的方式减少排放强度，尤其是合理集气控制排放风量，可在相当程度上降低末端恶臭气体净化的技术经济难度，从而提高整个控制过程的费用效益。

4.2.3 末端治理

末端治理即对已收集气体的进行除臭后再行排放。除臭从原理上可分为污染物净化减排除臭和破坏恶臭官能团除臭两种途径。通过污染物净化减排实现除臭的工艺方法有吸附、吸收、吸附浓缩、热氧化等，通过破坏恶臭官能团除臭的工艺方法有常温氧化、高温氧化等。

4.2.4 精细化管理

精细化管理即对恶臭污染源的排放后果进行预测和管理，包括园区恶臭污染源解析及源清单，通过基于实时气象数据的恶臭预测模型实时了解恶臭排放可能造成影响的范围和时间，一方面合理利用气象条件将恶臭物质稀释扩散，另一方面在恶臭影响超出预设结果时，采取相应的应急措施，包括采取涉恶臭排放生产过程的停减产和对排气增加应急处理(如应急气体吸附等)等，将区域的恶臭源强控制在该气象条件下的恶臭承载容量以内。