惡臭全過程控制對策探討

羌 寧，陳淑敏，王 亙，史天哲

(1.同濟大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200092； 2.天津市生態(tài)環(huán)境科學研究院 國家環(huán)境保護惡臭污染控制重點實驗室，天津 300191)

前 言

隨著經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，惡臭作為環(huán)境公害之一已越來越受到關注。污水處理廠、污水泵站、垃圾處理、處置等市政設施和醫(yī)藥化工、食品、畜禽養(yǎng)殖等工農業(yè)生產過程造成的惡臭公害已成為民眾投訴、造成糾紛的焦點之一，同時惡臭源還造成了周圍土地使用價值的下降，惡臭源的控制已成為目前一些地區(qū)亟待解決的生態(tài)環(huán)境問題和民生問題。目前我國對惡臭的控制措施主要還局限于以末端治理為主，存在控制效果不盡如人意，或排氣的惡臭控制效果尚可，但持續(xù)穩(wěn)定運行代價高昂等問題，許多地區(qū)還存在所謂“達標擾民”的情況。本文以控制惡臭的環(huán)境影響、減少惡臭投訴為目標，基于惡臭源特性及其對周邊環(huán)境形成影響的相關因素的梳理分析，探討技術和管理并重的系統(tǒng)化、全過程惡臭公害控制的對策途徑。

1 惡臭特征評價體系

惡臭是指一切刺激嗅覺器官引起人們不愉快感覺及損害生活環(huán)境的異味氣體。當空氣中惡臭物質濃度超過嗅閾值后，人體嗅覺感官就能感受惡臭氣味。惡臭的閾值濃度有檢知閾值濃度和確認閾值濃度兩種。檢知閾值是指人嗅覺剛開始感覺到有某種惡臭存在時的惡臭物質濃度，確認閾值是指人能確認惡臭種類或惡臭特征的最小惡臭物質的濃度。檢知閾值小于確認閾值。

理論上，對惡臭最直觀的評價可通過分析測試得到所有惡臭物質的成分和對應的濃度，再根據惡臭成分濃度與嗅覺的響應關系來表征惡臭的特征。現代分析測試技術已能識別出許多惡臭物質成分并在惡臭溯源工作中發(fā)揮了一定的作用[1～6]，同時許多研究工作也報道了部分惡臭成分的濃度與惡臭感官響應的關聯關系結果[7～10]，但由于致臭物質種類繁多，且大多數的惡臭氣體往往是多種成分的混合物[11～16]，部分惡臭成分甚至還沒有對應的標準物質及相關譜圖等基礎數據，同時許多致臭物質的嗅閾值遠低于現有分析方法的檢測下限，所以目前還沒有一種測試方法能對所有的惡臭源提供全成分譜的定性、定量分析[17]。此外，從嗅覺感官評價分析來看，人類嗅覺系統(tǒng)的敏感性也存在差異，惡臭成分對嗅覺器官刺激還可能存在協(xié)同或拮抗效應，因此，即使獲得了惡臭全成分譜數據，也無法直接反映惡臭混合氣體對人體感受的綜合影響情況，即絕大多數情況下還難以通過惡臭源的惡臭成分分析來實現惡臭感官響應的定量表征[18]?；跍p少惡臭投訴率的目的，目前階段，感官嗅覺測定法仍然是最符合實際人體感受的惡臭特征評價方法，即通過人的嗅覺器官對惡臭氣體的反應來進行惡臭特征的評價。

需要注意的是，環(huán)境惡臭特征和惡臭源排放特征的評價關注點是有所區(qū)別的。

1.1 環(huán)境惡臭特征評價體系

環(huán)境惡臭的評價主要關注受體的感受，其常用的惡臭特征感官評價參數有惡臭強度，惡臭濃度，頻率，持續(xù)時間，刺激性等[19]。

惡臭強度是指惡臭氣體在未經稀釋的情況下，對人體嗅覺器官的刺激程度。六級臭氣強度法參照調香師的嗅覺感知，從0～5用六級臭氣強度法表示。具體見表1，其中許多國家和地區(qū)將2.5～3.5設為環(huán)境標準值[20]。

惡臭濃度是指用無臭空氣對臭氣樣品連續(xù)稀釋至嗅閾值時的稀釋倍數，大體上與惡臭成分的質量濃度同步。惡臭濃度可為惡臭評估提供相對直接可比的定量數據[21]。對于惡臭濃度的測定，我國目

表1 惡臭強度分級Tab.1 Odor intensity classification

前采用的是屬于靜態(tài)配氣法的三點比較式臭袋法，歐美等國采用動態(tài)稀釋嗅辨法[22]。

需要注意的是，盡管人體對惡臭氣體影響的感受是通過惡臭強度來表示的，但如表1所示，惡臭強度只是一種半定量的表示方法，當惡臭物質濃度高到超過某一數值時，惡臭強度都只能用5級強度來表示。而惡臭濃度可通過不斷增加稀釋倍數更加科學精確地對應于可以被嗅覺器官感覺的惡臭物質的質量濃度。圖1所示為惡臭物質的惡臭強度與惡臭濃度之間的關系情況。由于惡臭強度與惡臭濃度并非全程都是對數線性關系，這給惡臭控制效果的客觀評價帶來困難[23]。

圖1 惡臭物質的惡臭強度與惡臭物質濃度之間關系示意Fig.1 Relationship between odor intensity and odor substance concentration

在一定的范圍內，惡臭強度和惡臭物質濃度之間的關系可用Stevens定律即指數定律來表示。

I= k(C)n

(1)

或 logI= logk + nlog(C)

(2)

式中I表示惡臭強度，C表示惡臭質量濃度，k為常數，n為與惡臭成份有關的指數，通常為0.2～0.8。從關系式中可以看出，如果某一惡臭物質的n值為0.2的話，那么在其濃度降低10倍的情況下，其臭氣強度僅降低1.6倍。而對于n值為0.8的惡臭組分，在其濃度降低10倍的情況下，其臭氣強度降低6.3倍。對于以減低惡臭強度為目標的惡臭污染控制(稀釋或凈化)而言，牢記住惡臭強度與惡臭物質濃度之間的這種指數關系對于惡臭濃度測試過程稀釋比的選擇或治理設施控制效率的設定是非常重要的。

頻率是指某個時段內惡臭受體暴露在惡臭大氣環(huán)境下的次數，與受體和污染源的相對地理位置、風向等有關[24]。持續(xù)時間是指受體暴露在惡臭大氣環(huán)境下的時間長度。通常，惡臭污染的頻率越高，持續(xù)時間越長，其造成的公害越嚴重，往往投訴率也越高。

刺激性是定義氣味是愉快或不愉快的參數，是衡量惡臭可接受性的參數之一[25]。

惡臭強度，出現的時間長度、頻率及刺激性是與惡臭投訴相關的主要特征參數。由于環(huán)境惡臭的強度通常相對較低，因此也可利用惡臭強度與惡臭濃度間的對數線性關系，采用定量相對精細化的惡臭濃度來進行評估。

1.2 惡臭源特征評價參數

惡臭源的特征可以用惡臭強度，惡臭濃度，頻率，持續(xù)時間，刺激性等來表征，但由于惡臭源的起始濃度通常較高，因此大多數情況惡臭濃度較惡臭強度能更好的表征惡臭源狀況。由于惡臭源與受體間還存在大氣中的擴散遷移轉化過程，因此對于惡臭源的特征更應關注的是排放時間，頻率，排氣惡臭濃度和排放風量，后兩者可更確切地綜合為惡臭排放速率OER(Odor Emission Rate)[26]。對于有組織排放的點源，惡臭排放速率可按常規(guī)的污染源源強的確定方式，即通過測定惡臭濃度和排氣風量來確定，對于面源排放速率的測定和估算已有不少研究報道[27～34]，但總體還需要進一步規(guī)范化。

惡臭排放速率亦可稱為惡臭源的排放強度，可用式(3)來表示。

OER=Q×C

(3)

式中，OER為惡臭排放強度；Q為單位時間內污染源排放氣量，m3/h，C為惡臭濃度。

惡臭源排放強度與可能造成的環(huán)境惡臭污染狀況間的大致經驗關系如表2所示。確切的惡臭排放強度對周邊環(huán)境的影響范圍取決于所在地的氣象條件和地理、地形，可通過相關模型進行模擬預測。

表2 惡臭排放強度與惡臭污染公害的經驗關系[35]Tab.2 Empirical relationship between the odor emission intensity and the range of odor nuisance

對于惡臭源而言，其排放特征應關注的是惡臭排放強度、排放頻率，持續(xù)時間和排放高度，排氣溫度和排放風速等。此外，從污染治理的角度，如果惡臭源的惡臭物質濃度可以定性定量的話，惡臭物質濃度也是重要的排放特征參數。

2 惡臭物質及其來源特征

2.1 主要惡臭污染物及特性

惡臭物質種類很多，迄今單憑人的嗅覺能夠嗅到的就有400多種，對人體危害較大的也有幾十種。常見的有硫醇類：乙硫醇、二甲基硫醇等；硫醚類：二甲基硫、二乙基硫、二苯基硫等；硫化物：硫化氫、硫化銨等；醛類：甲醛、乙醛、丙醛等；吲哚類：β-甲基吲哚等；脂肪酸類：丙酸、丁酸(酪酸)、癸酸(羊脂酸)等；酮類；丁酸酰胺等；胺類：甲胺、乙胺、二乙胺等；酚類：酚、硫代酚等。

從以上所舉的例子可以看出，具有惡臭的物質在其分子結構上都具有形成惡臭的原子團，也稱為“發(fā)臭團”。含有發(fā)臭基團的氣味分子與嗅覺細胞相作用，經過嗅覺神經向腦部神經傳遞信息，就形成了對氣味的感知?！鞍l(fā)臭團”包括硫(=S)、巰基(-SH)、硫氰基(-SCN)、羥基(-OH)、醛基(-CHO)、羰基(-CO)和羧基(-COOH)。這些惡臭物質散發(fā)出來的臭氣性質各異，有的似魚腥味，如胺類；有的似腐爛的卷心菜味，如硫醇類；有的如臭雞蛋味，如硫化氫；有的類似汗臭，如丁酸；有的具有刺激臭味，如氨和醛類；有的發(fā)生膻臭，如羊脂酸(癸酸)等等。表3列出了一些常見的惡臭化合物及其性質。

惡臭物質的種類很多，通常地，按化學組成來看惡臭氣體大致有以下五類：

①含硫的化合物，如硫化氫，硫醇類，硫醚類等；

②含氨化合物，如氨，胺類，酰胺，吲哚類等；

③鹵素及衍生物，如氯氣、鹵代烴等；

④烴類，如烷烴，烯烴，炔烴，芳香烴等；

⑤含氧有機物，如醇，酚，醛，酮，有機酸等。

表3 一些惡臭化合物的性質概要Tab.3 Properties of some odorous compounds

2.2 惡臭來源及特征

惡臭物質按其發(fā)生特性主要有二大來源，其一：天然動、植物的自然腐敗分解或生產加工過程中，蛋白、脂肪、碳水化合物的好氧、厭氧過程。如養(yǎng)殖場；肉、魚類加工廠；生活(或工業(yè))污水收集、輸送和處理設施(污水泵站、污水處理廠)；生活垃圾(或工業(yè)垃圾、醫(yī)用垃圾、人畜尸體等)存放和處置設施(垃圾中轉站、垃圾填埋場、垃圾焚燒廠、尸體火化場)；造紙、制革和藥材加工廠等。其二：具有氣味的有機化合物的生產、合成和使用過程。如石油化工、日用化工、醫(yī)藥等化學原料及化工產品生產和使用行業(yè)等。

污水處理廠、垃圾中轉、填埋場等市政設施，化工、制藥、食品加工、飼料加工、涂裝作業(yè)等工業(yè)過程及畜禽養(yǎng)殖等農業(yè)過程是主要的惡臭來源。

污水處理廠的惡臭氣體主要來源于污水進水格柵，調節(jié)池及污泥處理處置部分，厭氧微生物利用有機物進行分解和合成，產生大量的惡臭氣體[36～38]，污水在城市下水道中的長距離輸送也容易形成厭氧環(huán)境而引發(fā)惡臭事件[39]。城市垃圾在轉運、焚燒處理及填埋處理過程中，有機物質在收集、轉運、堆放和填埋過程中容易厭氧發(fā)酵，產生許多類型的惡臭氣體[40-41]。

惡臭的工業(yè)源包括煉油廠，化工廠，制藥廠、造紙廠和香精香料廠等[42]，許多工業(yè)園區(qū)的特征惡臭物質往往會對人體感官造成非常強烈的刺激，甚至還具有毒性[43]。工業(yè)發(fā)酵等生產工藝過程中排放的惡臭物質具有嗅閾值較低或排放量大的特點。食品加工業(yè)也是惡臭的主要源之一，食品加工廠的氣味通常來自于食品加工、產品儲存等過程中產生的揮發(fā)性有機物，食品在烹飪、加熱、干燥或熏制食物等熱處理步驟中的生物或化學反應會生成揮發(fā)性有機物[44]。畜禽養(yǎng)殖行業(yè)因動物排泄物和飼料等因素，也是重要的惡臭發(fā)生源[45-46]。各主要惡臭污染源的類型及特性如表4所示。

表4 惡臭污染源分類特性Tab.4 Odor pollution source classification characteristics

3 惡臭公害的相關影響因素

惡臭公害發(fā)生過程一般包括惡臭的產生與排放、大氣擴散、感覺——意識三個階段。其中，惡臭產生與排放的主要影響因素包括惡臭源發(fā)生的機制、產生的形態(tài)(污染源環(huán)境條件、排氣特性)等，面源和體源惡臭源的排放速率還與氣象條件有關；擴散階段則取決于當地當時的氣象條件、地理位置、地形條件等；在感覺——意識階段，主要影響因素包括人的身體狀況、心理狀態(tài)、對惡臭的關心程度、環(huán)境意識等。

3.1 惡臭源的發(fā)生與排放速率

惡臭源排放的特征體現在排放強度(對應于排放速率而非僅僅是濃度)、持續(xù)時間、頻率、排放氣體氣味的刺激性程度等。除氣味的刺激程度外，其它的排放特征與惡臭的產生機制、環(huán)境條件及污染源的逸散途徑和有組織的氣體收集方式等密切相關。

如前所述，許多情景的惡臭主要來自厭氧過程和惡臭物質在生產加工過程中的暴露逸散，因此其排放量除與惡臭逸散有關的活動量水平相關外(如垃圾填埋場規(guī)模越大，惡臭的產生散發(fā)量相對也越大)，還與影響惡臭物質的產生條件、逸散條件及收集條件等相關。影響惡臭的產生條件中，溫度是一個重要的因素，氣溫升高往往會造成源于微生物活動的惡臭物質產生量的增大，同時提高惡臭物質的揮發(fā)性和減少液相中惡臭物質的溶解度，從而造成惡臭發(fā)生排放速率增大。對于涉及惡臭污染的企業(yè)，若企業(yè)的清潔生產水平高，原輔材料利用率高、機械設備密封良好，其惡臭污染物質的發(fā)生量將相對較小。惡臭氣體收集系統(tǒng)也是影響惡臭源強的直接因素。收集是控制無組織排放的基本手段，氣體收集效率高，惡臭無組織排放量將減少，但僅依靠加大排風量的方式提高集氣效率的話往往在污水、垃圾等表面造成惡臭物質揮發(fā)量增大，很多情況下導致惡臭有組織排放源強不合理地增加。因此對于一些惡臭污染源，收集方式的合理改進也是控制減少惡臭排放強度的關鍵因素之一。

3.2 氣象條件

氣象條件會從產生速率和散發(fā)速率兩方面影響惡臭污染源的源強，此外還會通過改變大氣擴散稀釋能力影響惡臭公害的發(fā)生范圍和程度。

劉彥君[47]研究了惡臭釋放速率與氣象因素之間的相關關系，并通過非穩(wěn)態(tài)大氣擴散數值模型模擬惡臭物質的濃度分布。Devanathan等[48]通過模型模擬研究了造成面源惡臭影響最嚴重的氣象條件。筆者曾通過面源高斯擴散模型分析了垃圾填埋場在不同氣象條件下的惡臭影響情況及影響范圍[49]。

從源強的角度分析，除3.1中分析的溫度影響外，對于填埋場等類的暴露面源，風速還會影響暴露表面的惡臭物質的散發(fā)率[50]。而氣象條件又直接影響大氣對惡臭物質的擴散稀釋能力，較大的風速會增加惡臭污染物的擴散范圍，但惡臭濃度較高的區(qū)域范圍會減少。惡臭公害的發(fā)生范圍和影響程度還受到大氣穩(wěn)定度的影響，穩(wěn)定的大氣條件往往造成惡臭氣體難以擴散稀釋?？傮w而言，惡臭的影響范圍和程度隨著氣象穩(wěn)定度的增強而增大[48-49]。從某種意義上來說，氣象條件對區(qū)域惡臭污染物的大氣承載容量起著決定性的作用，由于氣象條件是變化的，因此造成大氣承載容量的不同，最終表現為該區(qū)域出現惡臭公害的頻率、時長和影響范圍隨氣象條件變化而不同。在制定具體的惡臭污染控制對策中必須考慮以上的因素。

3.3 源與受體的相對地理位置

惡臭污染源與受體敏感點的相對地理位置也是影響惡臭投訴率的重要因素。相對地理位置包括相對方位和距離。對于單個或數量較少的敏感點情景而言，如果惡臭源位于主導風向的下風向，敏感點受惡臭影響的頻率就較小。此外，源和受體的相對距離也是影響惡臭投訴率的最重要的因素之一，對于惡臭源周邊散布多個敏感點的情景就更是如此。

在氣味源和可能受影響的人群之間設置緩沖區(qū)可以幫助控制惡臭的擴散。樹木、高圍欄或煙囪等結構可以造成氣體湍流來稀釋惡臭氣體、降低氣味濃度[51]。Lin等[52]研究了可以改變風向并降低風速的防風林對惡臭擴散過程控制的作用。Tyndall等[53]研究了樹木和灌木對氣溶膠的物理攔截和捕獲作用。

惡臭管理控制的一條重要措施就是設置防護距離[53～57]。防護距離是描述氣味源對附近居民區(qū)影響的合適參數，旨在確定出氣味可能引起公害的區(qū)域，科學合理地確定防護距離以有效降低惡臭源對居民生活的影響。防護距離取決于惡臭源強、當地的氣象條件和地形、地貌等因素。不同的國家和地區(qū)制定了不同的氣味影響標準來確定防護距離[58-59]。不同氣味影響標準的主要區(qū)別在于對惡臭濃度閾值和超出概率的規(guī)定，超出概率指超過惡臭濃度閾值的時間百分比。已知惡臭源的排放特性數據，和風向、風速、大氣穩(wěn)定度等氣象數據，以氣味影響標準為評估依據，就可以通過擴散模型計算出防護距離[56,58]。Piringer等[58]分別用高斯奧地利氣味擴散模型AODM和拉格朗日氣團擴散模型LASAT，計算了相同排放源和相同氣象條件下的防護距離，并分析了兩種模型計算結果的差異性。Brancher等[60]評估和量化了兩個氣象條件不同的地點之間所需防護距離的年際變化，證明用一年的小時氣象觀測值計算隔離防護距離是合理的。

此外，受體本身的狀態(tài)也是評價惡臭影響時需要考慮的因素之一，既包括受體在環(huán)境中的暴露情況，例如居住地點、人員流動、暴露時間等，也包括受體自身的特征，例如是否有接觸惡臭的個人經歷、感知健康受到威脅的心理特征和應對能力等[61]。

4 惡臭控制原理和可行的技術路線

4.1 惡臭控制的原理

如圖2所示，惡臭氣體從產生、散發(fā)到排放形成惡臭公害的過程涉及眾多的因素，惡臭的有效控制應建立如圖3所示全過程控制管理體系，即通過減少排放速率、增加稀釋等措施將敏感點處的惡臭物質濃度減少到嗅閾值以下，同時通過模型預警對可能出現的不利氣象條件情景采取應急措施等，最終實現減少惡臭源對受體的影響頻率和時長的目的。

圖2 惡臭公害形成過程及主要影響因素Fig.2 The formation process and main influencing factors of odor nuisance

圖3 惡臭公害的全過程控制路線Fig.3 The integrated process control roadmap of odor nuisance

4.2 惡臭控制可行的技術路線

從惡臭公害發(fā)生過程和管理角度，建議對惡臭源通過如表5所示途徑進行管控。

表5 惡臭全過程控制途徑Tab.5 Odor integrated process control roadmap

4.2.1 源頭控制

源頭控制包括兩方面。一是從源頭上減少惡臭物質的使用和產生，例如清潔生產、源頭替代、工藝改進等方式。二是合理規(guī)劃惡臭源位置，在惡臭源與受體間設置適宜的防護距離。

4.2.2 過程減排

過程減排是指通過生產工藝設備和集氣通風設備等的合理配置，減少惡臭類物質的揮發(fā)逸散量，并經濟有效地控制其散發(fā)。對大多數的惡臭源，需要研究分析惡臭的發(fā)生規(guī)律及影響因素并根據排放特征確定適宜的惡臭氣體收集方式，在控制無組織逸散的同時，通過設置合理的排放風量，以有效地減少過程排氣的惡臭物質排放強度。如果排放風量很大而只控制惡臭排放濃度而不減少排放風量，由于惡臭排放強度仍然很高往往很難達到減少投訴率的目的。同時，目前許多場合的惡臭控制難度大，主要體現在技術經濟方面，尤其是大風量、低濃度情況下采取高效凈化措施并維持穩(wěn)定運行的話，往往資源及能源的代價較高。因此，通過過程減排的方式減少排放強度，尤其是合理集氣控制排放風量，可在相當程度上降低末端惡臭氣體凈化的技術經濟難度，從而提高整個控制過程的費用效益。

4.2.3 末端治理

末端治理即對已收集氣體的進行除臭后再行排放。除臭從原理上可分為污染物凈化減排除臭和破壞惡臭官能團除臭兩種途徑。通過污染物凈化減排實現除臭的工藝方法有吸附、吸收、吸附濃縮、熱氧化等，通過破壞惡臭官能團除臭的工藝方法有常溫氧化、高溫氧化等。

4.2.4 精細化管理

精細化管理即對惡臭污染源的排放后果進行預測和管理，包括園區(qū)惡臭污染源解析及源清單，通過基于實時氣象數據的惡臭預測模型實時了解惡臭排放可能造成影響的范圍和時間，一方面合理利用氣象條件將惡臭物質稀釋擴散，另一方面在惡臭影響超出預設結果時，采取相應的應急措施，包括采取涉惡臭排放生產過程的停減產和對排氣增加應急處理(如應急氣體吸附等)等，將區(qū)域的惡臭源強控制在該氣象條件下的惡臭承載容量以內。

5 小結與展望

5.1 以控制惡臭投訴率為目標的惡臭控制應該是全過程控制管理體系，包括前期的布局規(guī)劃，防護距離的確定，基于惡臭發(fā)生排放特性的逸散控制和氣體收集系統(tǒng)，排放氣體的治理系統(tǒng)(部分情況需配備應急強化治理手段)，結合所在地氣象和地理條件建立相應的預警、應急、監(jiān)管體系等。

5.2 由于化學分析方法的局限性，嗅辨法仍是目前惡臭評估最重要的指標。從惡臭管控的角度，對于惡臭源需要關注的是惡臭濃度和相關主要惡臭物質的排放速率，排放頻率及對應的排放時長等；對于環(huán)境惡臭需要關心的是受體所在地環(huán)境空氣中的惡臭強度(濃度)，出現的頻率及持續(xù)的時間。

5.3 惡臭污染物的排放速率取決于惡臭源逸散途徑的控制及氣體收集方式。

5.4 惡臭污染源的排放速率，氣象條件，污染源和受體間的相對地理位置、地形條件等決定了惡臭的投訴率，針對惡臭影響特點的惡臭影響評估模型是惡臭管理的重要工具。

5.5 惡臭氣體的治理控制需從惡臭污染物減排和惡臭物質官能團破壞消臭兩方面綜合考慮。