唐 建，唐恒軍，司馬衛(wèi)平，梁 超，邱忠平

（1. 四川輕化工大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 自貢 643000；2. 西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031）

引言

當(dāng)前，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展以及城市化進程的不斷加速，生活垃圾產(chǎn)量不斷增加。而我國又是以衛(wèi)生填埋作為垃圾處理的主要方式，垃圾填埋場產(chǎn)生的惡臭已經(jīng)引起了人們的高度重視［1-5］。惡臭物質(zhì)不僅會使人產(chǎn)生不快和厭惡感，還會危害人們的健康甚至生命，因而國外有些國家較早地開始了這方面的研究，對惡臭實行專項立法，把惡臭污染作為一種公害。

目前除臭方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法［3,4,6-10］。物理法和化學(xué)法往往存在設(shè)備昂貴、運行費用高、持續(xù)時間長、有可能產(chǎn)生二次污染等問題［2-4,6-7,11-12］。生物法是利用微生物的新陳代謝將惡臭組分吸收、氧化分解成二氧化碳、水以及組成微生物細(xì)胞物質(zhì)。由于其除臭效率高、運行成本低、不會產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點［4,7,13］，目前已經(jīng)成為除臭技術(shù)研究的熱點。孫杰分析了餐廚垃圾處理過程中，惡臭產(chǎn)生來源、成分及處理措施，通過采用投加復(fù)合生物菌種除臭，達到了理想的除臭效果［1］。黎青松等采用生物除臭劑對生活垃圾填埋場除臭效果進行試驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加生物除臭劑后能使氨氣濃度降低45%，硫化氫濃度降低60%，達到了良好的除臭效果［14］。

針對垃圾填埋場產(chǎn)生的臭氣問題和生物除臭法的優(yōu)點，通過從自然界中篩選具有除臭功能的優(yōu)勢菌種并制備成除臭菌劑，投加到準(zhǔn)好氧型生物反應(yīng)器填埋場中，探討優(yōu)勢除臭菌劑對硫化氫和氨氣的去除效果以及加速垃圾填埋場穩(wěn)定化進程的影響。在此基礎(chǔ)上，為垃圾填埋場生物除臭提供相關(guān)理論和應(yīng)用依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本試驗裝置主要包括準(zhǔn)好氧型生物反應(yīng)器垃圾填埋區(qū)和滲濾液收集池兩個部分。試驗設(shè)置兩組反應(yīng)器：投加復(fù)合生物除臭菌劑的準(zhǔn)好氧生物反應(yīng)器即試驗組（A+）、未投加復(fù)合生物除臭菌劑的準(zhǔn)好氧生物反應(yīng)器即對照組（A）。將準(zhǔn)好氧型生物反應(yīng)器裝置外部與大氣連通的通氣管閥門打開，通氣管實現(xiàn)與外界大氣連通，利用反應(yīng)器內(nèi)外存在的氣壓差與溫壓差，形成大氣對流，從而實現(xiàn)向裝置內(nèi)填埋的垃圾體提供氧氣（圖1）。

圖1 試驗裝置圖

準(zhǔn)好氧型生物反應(yīng)器填埋裝置主體由聚氯乙烯（Poly Vinyl Chloride，PVC）材料制成（圖1），主要包括垃圾填埋區(qū)、滲濾液收集與回灌系統(tǒng)、自然通風(fēng)系統(tǒng)、固體取樣孔及反應(yīng)器底座等幾部分組成。準(zhǔn)好氧型生物反應(yīng)器總體高度為1000 mm，主要由底部滲濾液收集池和上部垃圾填埋區(qū)所組成，兩者之間有一活動的有空擋板，兩者的內(nèi)徑均為300 mm。底部滲濾液收集池高250 mm，底座支架高250 mm，上部的垃圾填埋區(qū)高500 mm。

1.2 氣體采樣裝置

氣體采樣裝置如圖2 所示，主要由氣體吸收管、流量計和采樣泵3 部分組成。采樣時將氣體進氣管放于反應(yīng)器表面，調(diào)節(jié)好流量，然后啟動氣體采樣泵，氣體經(jīng)過氣體吸收管與液體時，被富集于液體中，本研究主要富集硫化氫和氨氣。

圖2 氣體采樣裝置

1.3 準(zhǔn)好氧型生物反應(yīng)器運行

本次試驗用的生活垃圾主要收集于城市居民生活小區(qū)和菜市場。垃圾裝填之前，先進行裝置清理與洗滌工作，并檢查通風(fēng)孔、通風(fēng)管道、水流管道及其閥門是否完好。待檢查完畢后，在反應(yīng)器活動擋板上面鋪一個圓形的鐵絲網(wǎng)（20 目）作為格柵，防止堵塞，再鋪設(shè)一層厚度為30 mm ～50 mm 的小石子，該小石子主要對滲濾液中的固體殘渣起過濾作用。在小石子的上面進行垃圾填裝。為了保證一定的壓實度和垃圾均勻性，每次填裝5.0 kg 垃圾后分層壓實。垃圾填裝完畢后，在垃圾體上方鋪設(shè)一層厚度為30 mm ～50 mm 的小石子，作為填埋場的覆蓋層。裝填工作完成以后，將反應(yīng)器的自然通風(fēng)管閥門開啟，以保證垃圾體內(nèi)的通風(fēng)管道與外界的大氣連通形成對流，從而達到準(zhǔn)好氧的條件，相關(guān)的運行參數(shù)見表1。

表1 垃圾裝填及運行相關(guān)參數(shù)

1.4 復(fù)合生物除臭菌劑組成及其投加方式

研究采用的復(fù)合生物除臭菌劑是由2 株假單胞菌屬（Pseudomonassp.）、1 株畢氏酵母屬（Pichia Hansensp.）和1 株根霉屬（Rhizopussp.）組成的復(fù)合生物菌劑，經(jīng)過擴大培養(yǎng)后，按照垃圾質(zhì)量的4.0% 噴灑于填滿垃圾的準(zhǔn)好氧型生物反應(yīng)器表面。

1.5 分析項目和方法

將氣體采樣器收集后的樣品進行分析［15］：氨氣采用次氯酸-水楊酸分光光度計法，硫化氫采用亞甲基藍分光光度計法；從反應(yīng)器固體取樣孔采集固體垃圾樣品，然后分別接種于硫化細(xì)菌、反硫化細(xì)菌、氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌培養(yǎng)基中培養(yǎng)，然后采用計數(shù)測定法計數(shù)，研究復(fù)合生物除臭菌劑對微生物的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合生物除臭菌劑除臭效能研究

2.1.1 復(fù)合生物除臭菌劑對硫化氫去除效能研究

垃圾在降解過程中，在氧氣含量不足的條件下，含硫有機物和硫酸鹽等物質(zhì)將轉(zhuǎn)化為硫化氫為主的臭氣組分［3,4,16-17］。通過監(jiān)測硫化氫的含量，便可以研究除臭菌劑對臭氣組分的去除效果。在試驗周期內(nèi)，監(jiān)測硫化氫濃度的變化趨勢如圖3所示。

從圖3 可以看出，加入除臭菌劑對臭氣組分中的硫化氫具有一定的去除效果，去除率的變化趨勢為：從試驗開始時的21.28% 到第10 d 時的42.27%，去除率一直處于上升狀態(tài)，這對于垃圾開始分解階段產(chǎn)生大量硫化氫氣體，非常有環(huán)保意義。另外從第47 d 到試驗結(jié)束時，去除率一直處于上升的趨勢，從35.42% 升高至70.70%。在整個試驗階段，試驗組共采集到硫化氫97.42 mg，對照組共采集到硫化氫151.04 mg，總?cè)コ蕿?5.50%。說明投加除臭菌劑能減少硫化氫的總釋放量?？傮w而言，在試驗周期內(nèi)，添加復(fù)合生物除臭菌劑有利于減少硫化氫氣體的釋放，這可能是因為硫化氫氣體被氧化為單質(zhì)硫和硫酸鹽固定于垃圾填埋場中，減少了氣體硫化物的釋放。

圖3 硫化氫濃度變化及去除效能

2.1.2 復(fù)合生物除臭菌劑對氨氣去除效能研究

填埋場中的氨氣主要來源于動植物殘體中含氮有機化合物的分解，該過程主要由填埋場中的氨化細(xì)菌完成。氨化作用可以在好氧和厭氧條件下進行，但是以好氧微生物降解含氮有機化合物的速率最快［13-15,18］。在試驗周期內(nèi)監(jiān)測氨氣濃度變化趨勢如圖4所示。

圖4 氨氣濃度變化及去除效能

從圖4 可以看出，氨氣的去除率在試驗周期內(nèi)波動較大。氨氣的去除率從試驗剛開始時的24.93% 下降到第6 d 時18.77%，而后第10 d 升高到36.02%，去除率一直處于上升狀態(tài)，表明垃圾中的有機氮轉(zhuǎn)化成氨氮，有利于生活垃圾穩(wěn)定化加速。第12 d 又下降到20.64%。從第12 d 到第38 d 這段時期內(nèi)，氨氣去除率表現(xiàn)出較小幅度的上升階段，由第12 d 的20.64% 升高到第38 d的33.83%，說明該時期內(nèi)投加除臭菌劑對氨氣去除較穩(wěn)定。從第47 d 直至試驗結(jié)束時，氨氣的去除率都維持較 高 水 平。 從 第47 d 的23.45% 升 高 至 第58 d 的78.70%。這可能是因為含氮有機物分解殆盡。在整個試驗階段，試驗組共采集到氨氣196.07 mg，對照組共采集到氨氣285.40 mg，總?cè)コ蕿?1.30%。這表明硝化細(xì)菌將氨轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽和硝酸鹽，減少了氨氣的揮發(fā)。因此投加除臭菌劑能減少氨氣的釋放量，具有較好的除臭效果。

2.2 復(fù)合生物除臭菌劑對微生物影響研究

通過投加優(yōu)勢除臭菌劑，能夠增加與臭氣轉(zhuǎn)化相關(guān)微生物的數(shù)量，加快對硫化氫和氨氣的代謝過程，從而使硫化氫和氨氣的釋放量減少。除臭菌劑后投加后對準(zhǔn)好氧型生物反應(yīng)器填埋場中與硫元素和氮元素轉(zhuǎn)化相關(guān)微生物的影響進行了研究?？梢源_定相關(guān)微生物的數(shù)量變化，從而有利于進一步研究微生物除臭機理。

2.2.1 硫化細(xì)菌

硫化細(xì)菌能將還原態(tài)的硫化物（硫化氫、硫代硫酸鹽等）氧化為硫單質(zhì)，再經(jīng)過氧化生成硫酸鹽，從而達到去除臭氣的目的［1,8,11,19-20］。因此，分析填埋場內(nèi)的硫化細(xì)菌數(shù)量非常重要。在試驗周期內(nèi)，監(jiān)測硫化細(xì)菌數(shù)量變化趨勢，如圖5所示。

圖5 硫化細(xì)菌數(shù)量變化

從圖5可以看出，在試驗進行的117 d中，試驗組和對照組硫化細(xì)菌數(shù)量變化趨勢基本一致，都是先增多，后減少。試驗前期，試驗組硫化細(xì)菌數(shù)量由試驗開始時的4.4 × 106快速增加，第21 d 時達到整個試驗周期的峰值2.1 × 108個。這表明試驗周期的前21 d，硫化細(xì)菌數(shù)量呈現(xiàn)快速上升的趨勢，硫化細(xì)菌將硫化氫轉(zhuǎn)化為硫單質(zhì)，固定于垃圾介質(zhì)中，有利于硫化氫氣體的減少。而后直至試驗結(jié)束，硫化細(xì)菌數(shù)量一直處于下降的趨勢，到試驗結(jié)束時，試驗組硫化細(xì)菌的數(shù)量為1.2 × 104個。對于對照組，硫化細(xì)菌數(shù)量由試驗開始時的3.9 × 105個快速上升到峰值6.8 × 107個，之后直到試驗結(jié)束時，硫化細(xì)菌數(shù)量為2.5 × 103個。與對照組的硫化細(xì)菌數(shù)量相比，在整個試驗階段試驗組硫化細(xì)菌數(shù)量具有明顯的優(yōu)勢。到試驗后期，硫化細(xì)菌可利用的底物（硫化氫、硫代硫酸鹽等）以及垃圾填埋場內(nèi)可供微生物降解物質(zhì)不斷減少，造成硫化細(xì)菌進入內(nèi)源呼吸期，數(shù)量不斷減少。

2.2.2 反硫化細(xì)菌

反硫化細(xì)菌在厭氧條件下將硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽和次亞硫酸鹽還原為硫化氫的過程稱為反硫化作用［2,6,21］。在此反應(yīng)中，微生物利用硫酸鹽等硫化物中的氧作為最終電子受體，將有機物分解獲得能量。小部分被還原的硫用于合成微生物細(xì)胞物質(zhì)，大部分以硫化氫氣體的形式釋放到微生物細(xì)胞體外。在試驗周期內(nèi)監(jiān)測反硫化細(xì)菌數(shù)量，變化趨勢如圖6所示。

圖6 反硫化細(xì)菌數(shù)量

從圖6 可以看出，在整個試驗周期內(nèi)試驗組和對照組反硫化細(xì)菌數(shù)量變化趨勢基本一致，都是先增多，后減少。這可能是因為試驗前期垃圾組分中有機物質(zhì)被微生物大量分解，為反硫化細(xì)菌生長提供大量營養(yǎng)物質(zhì)，同時利用硫酸鹽作為電子受體將硫元素還原為硫化氫氣體，這與試驗前期監(jiān)測到的硫化氫濃度快速升高相符合，反硫化細(xì)菌在該段試驗周期內(nèi)增長速度較快，造成硫化氫釋放量增加，使試驗初期監(jiān)測到硫化氫濃度呈現(xiàn)快速增長的趨勢。試驗進行到第14 d 以后，反硫化細(xì)菌數(shù)量快速下降。這是因為到試驗中后期，營養(yǎng)物質(zhì)基本消耗完畢，反硫化細(xì)菌進入內(nèi)源呼吸期，造成反硫化細(xì)菌數(shù)量快速下降。針對試驗組和對照組具體分析，從試驗剛開始到試驗第14 d 試驗組與對照組反硫化菌數(shù)量快速上升，這表明試驗周期的前14 d，反硫化細(xì)菌一直處于增長的趨勢，有利于與硫元素轉(zhuǎn)化相關(guān)微生物生長繁殖，促進生活垃圾中硫元素的循環(huán)。從第14 d 以后直至試驗結(jié)束，反硫化細(xì)菌數(shù)量一直處于下降趨勢，試驗結(jié)束時試驗組反硫化細(xì)菌的數(shù)量為4.2 × 103個，對照組反硫化細(xì)菌的數(shù)量為2.6 × 102個。在整個試驗周期內(nèi)，試驗組反硫化細(xì)菌數(shù)量比對照組反硫化細(xì)菌數(shù)量多，這說明投加反硫化細(xì)菌，有利于垃圾填埋場中硫元素的循環(huán)。

2.2.3 氨化細(xì)菌

垃圾填埋場中動植物殘體中含有大量含氮有機物，這些含氮有機物在氨化細(xì)菌的作用下，將含氮有機化合物分解后產(chǎn)生氨氣，其中一部分釋放，一部分氨氣溶于水即形成滲濾液氨氮［4,7,16-17,22］。因此研究反應(yīng)器內(nèi)的氨化細(xì)菌數(shù)量對臭氣的控制具有重要的意義。監(jiān)測氨化細(xì)菌數(shù)量變化趨勢如圖7所示。

圖7 氨化細(xì)菌數(shù)量

圖7 中，在試驗周期內(nèi)，試驗組和對照組氨化細(xì)菌數(shù)量變化趨勢基本相同，先升高，后降低。由試驗剛開始到第15 d 氨化細(xì)菌數(shù)量迅速增加，這表明在試驗周期前15 d，氨化細(xì)菌在垃圾中大量積累，將垃圾中的有機氮（蛋白質(zhì)、胺類、氨基酸等）經(jīng)過氨化過程轉(zhuǎn)化成氨氮，造成試驗初期釋放氨氮量增加。此后直到試驗結(jié)束時，一直維持下降的趨勢。到試驗結(jié)束時，試驗組氨化細(xì)菌數(shù)量為2.5 × 103個，對照組氨化細(xì)菌數(shù)量為1.2 × 103個。試驗初期，氨化細(xì)菌增加的主要原因是垃圾填埋過程中進入大量氧氣，垃圾中含氮大分子有機物不斷地降解為小分子有機物，為好氧型氨化細(xì)菌提供生長繁殖所需的營養(yǎng)物質(zhì)，表現(xiàn)為氨化作用不斷增強，同時監(jiān)測到氨氣釋放量和滲濾液中氨氮濃度也不斷增加。氨氣測定結(jié)果表明，試驗組和對照組在第10 d 氨氣釋放量達到峰值，分別為12.17 mg、19.03 mg。隨著含氮物質(zhì)不斷減少和含碳有機物不斷分解、氧氣的不斷消耗，以及滲濾液中氨氮含量不斷升高，氨化細(xì)菌的活性受到抑制，表現(xiàn)為氨化細(xì)菌數(shù)量不斷的減少。在試驗周期內(nèi)，試驗組氨化細(xì)菌數(shù)量大于對照組，氨化細(xì)菌將含氮有機物轉(zhuǎn)化成氨氮溶于滲濾液中，減少了固體垃圾中氨氮釋放量。

2.2.4 硝化細(xì)菌

臭氣組分中的氨氣在亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的共同作用下完成硝化作用，硝化作用分為兩個步驟：氨氣首先經(jīng)過亞硝化細(xì)菌的亞硝化作用將氨氣氧化為亞硝酸鹽，再經(jīng)過硝化細(xì)菌的硝化作用氧化為硝酸鹽，在這一過程中需要大量的氧［2,6,12-13,21］。硝化細(xì)菌數(shù)量變化如圖8所示。

圖8 硝化細(xì)菌數(shù)量

從圖8 可以看出，在試驗周期內(nèi)試驗組和對照組硝化細(xì)菌數(shù)量的變化趨勢基本趨于一致，先升高，后下降，再升高，再下降的趨勢。從試驗剛開始到試驗第15 d硝化細(xì)菌數(shù)量快速上升，硝化細(xì)菌利用氨化細(xì)菌產(chǎn)生的氨作為底物將氨氧化成硝酸鹽和亞硝酸鹽，從而減少氨氣的釋放，達到除臭的目的。隨著氨氮的不斷消耗，硝化細(xì)菌可利用的底物減少，造成硝化細(xì)菌數(shù)量在試驗后期呈現(xiàn)快速下降的趨勢。第40 d 達到試驗周期的峰值以后，直至試驗結(jié)束，硝化細(xì)菌數(shù)量一直處于快速下降的趨勢，到試驗結(jié)束時試驗組硝化細(xì)菌數(shù)量為4.8 × 104個，對照組硝化細(xì)菌數(shù)量為4.9 × 103個。試驗前期，由于含氮有機物（蛋白質(zhì)、脲、核酸、胺）在微生物分泌酶的水解下，形成小分子氨，在底物充足的條件下，硝化作用快速增強，有利于硝化細(xì)菌快速繁殖，所以試驗前期硝化細(xì)菌數(shù)量增長較快。試驗后期，由于底物、氧氣不斷消耗，造成硝化細(xì)菌數(shù)量下降。

3 結(jié)束語

通過分析試驗組和對照組氨氣和硫化氫濃度的變化規(guī)律及與這兩種氣體轉(zhuǎn)化相關(guān)的微生物的數(shù)量變化，研究復(fù)合生物除臭菌劑對氨氣、硫化氫去除效能及其微生物的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)投加優(yōu)勢菌種能夠增加反應(yīng)器內(nèi)微生物的數(shù)量，減少硫化氫和氨氣的釋放量，抑制填埋場臭氣的產(chǎn)生。通過投加復(fù)合生物除臭菌劑硫化氫總?cè)コ蕿?5.50%，氨氣總?cè)コ蕿?1.30%。