植物型除臭劑除臭效果測(cè)試方法及硫化氫去除效果影響因素研究＊

呼佳寧

（上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233）

1 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，生活垃圾的產(chǎn)生量和收集量也在急速增加，配套的垃圾中轉(zhuǎn)站、垃圾處理廠、垃圾焚燒廠、污水處理廠等市政工程的建設(shè)均呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，伴隨垃圾、污水的收集治理工作而導(dǎo)致的異味投訴問(wèn)題也越來(lái)越多。據(jù)我國(guó)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2018—2020 年全國(guó)惡臭/異味污染投訴情況分析》［1］可知，2018—2020 年全國(guó)生態(tài)環(huán)境信訪投訴舉報(bào)管理平臺(tái)接到惡臭/異味投訴舉報(bào)占全部環(huán)境問(wèn)題投訴舉報(bào)件數(shù)的20.8%～22.1%，是當(dāng)前公眾投訴最強(qiáng)烈的環(huán)境問(wèn)題之一，其中垃圾處理占全部惡臭/異味投訴的平均比例為11.3%，是近3 年惡臭/異味投訴最多的行業(yè)，說(shuō)明垃圾處理行業(yè)相關(guān)的異味投訴問(wèn)題十分嚴(yán)重。生活垃圾由于含有淀粉、蛋白質(zhì)、油脂、糖類(lèi)等有機(jī)質(zhì)，在微生物的作用下會(huì)產(chǎn)生硫化氫、氨氣、硫醚類(lèi)、硫醇類(lèi)、芳香族化合物、含氧化合物等多類(lèi)型的異味污染物質(zhì)，伴隨垃圾收集、運(yùn)輸、中轉(zhuǎn)、填埋的過(guò)程均可能向周邊環(huán)境中排放惡臭。由于垃圾收運(yùn)、傾倒和填埋處理等過(guò)程依然存在敞開(kāi)式作業(yè)，產(chǎn)生的惡臭氣體無(wú)法做到全密閉收集治理，所以噴灑除臭劑成為垃圾處理行業(yè)最典型的惡臭控制措施之一［2］。

除臭劑主要分為物理除臭劑、化學(xué)除臭劑、生物型除臭劑和植物型除臭劑4 類(lèi)［3］，物理和化學(xué)除臭劑多以活性炭、沸石、酸堿性化學(xué)物質(zhì)等成分為主，以吸附、中和反應(yīng)、氧化反應(yīng)為主要作用機(jī)理［4］；生物型除臭劑以微生物成分為主，利用微生物對(duì)臭氣組分的代謝或生物酶催化降解臭氣組分［5-6］；植物型除臭劑以植物提取油、汁、液等成分為主，配以表面活性劑、香精等輔助劑制成水溶液，其中有效成分為多酚類(lèi)、萜烯類(lèi)、有機(jī)酸等物質(zhì)，通過(guò)霧化可形成比表面積較大的液滴，通過(guò)吸附異味物質(zhì)、利用不飽和化學(xué)鍵改變異味分子化學(xué)結(jié)構(gòu)、吸附沉降等原理除臭［7-10］。針對(duì)敞開(kāi)式異味源的除臭需求，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中以噴灑植物型除臭劑和生物型除臭劑最常見(jiàn)。其中生物型除臭劑起效時(shí)間長(zhǎng)，且對(duì)環(huán)境有較高要求；而植物型除臭劑因其來(lái)源廣泛、成本低廉、作用迅速、應(yīng)用廣泛，成為主流產(chǎn)品［11］。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)于植物型除臭劑的研究起步較早，日本早在20 世紀(jì)七八十年代就已開(kāi)展植物型除臭劑的研發(fā)，并且從118 種植物中提取出除臭劑成分。植物型除臭劑發(fā)展至今，可供提取的植物原材料非常廣泛，涉及松科、樟科、姜科、柏科、蕓香科、唇形科、豆科、橄欖科、忍冬科、山茶科、蝶形花亞科等各科植物［12］，并且在污水廠［13］、垃圾中轉(zhuǎn)站［14］、垃圾填埋場(chǎng)［15］、畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)［16］有豐富的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外已有多個(gè)成熟的植物型除臭劑產(chǎn)品，例如早期的美國(guó)異可掃、加拿大怡科羅、韓國(guó)odor-zero，以及我國(guó)安居樂(lè)、玨昂環(huán)境、維翰環(huán)保、JHC 等各類(lèi)除臭劑廠商與品牌。

為了研究除臭劑對(duì)臭氣的去除效果，王玉婧等［17］利用CJ/T 516—2017 生活垃圾除臭劑技術(shù)要求中的氣泡吸收管試驗(yàn)方法對(duì)除臭劑的去除效率進(jìn)行測(cè)試，并得出臭氣與吸收管中除臭劑的最優(yōu)接觸時(shí)間，該方法測(cè)試條件與廢氣洗滌塔工藝相近，但與敞開(kāi)式異味源噴灑除臭劑的應(yīng)用方式存在差異。路鵬等［18］將垃圾滲濾液注入25 L 圓桶中，然后向桶內(nèi)噴灑除臭劑進(jìn)行測(cè)試，但滲濾液惡臭濃度高、降解產(chǎn)物復(fù)雜多變、噴灑參數(shù)未明確，臭氣成分和噴灑過(guò)程未能較好地保持統(tǒng)一。陸光立等［19］利用0.2 m3規(guī)格的試驗(yàn)箱進(jìn)行噴灑除臭實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)箱規(guī)模較小、噴灑點(diǎn)位密集，測(cè)試出硫化氫去除效率最高達(dá)99%。曾智等［14］直接對(duì)垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站噴灑植物型除臭劑進(jìn)行測(cè)試，研究表明直接噴灑植物型除臭劑對(duì)垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站有一定除臭效果。綜上所述，目前已有的除臭劑去除效率的測(cè)試方法存在實(shí)驗(yàn)艙規(guī)模小、臭源多變、缺乏重復(fù)性等問(wèn)題，并且鮮有專(zhuān)門(mén)針對(duì)植物型除臭劑去除效率的測(cè)試方法開(kāi)展討論。因此，本研究根據(jù)植物型除臭劑在敞開(kāi)式異味源的真實(shí)使用場(chǎng)景，借助大型實(shí)驗(yàn)艙模擬惡臭環(huán)境，構(gòu)建1 套1.5 m3實(shí)驗(yàn)艙植物型除臭劑除臭效率的測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法，并收集國(guó)內(nèi)外典型的除臭劑產(chǎn)品開(kāi)展去除效率測(cè)試研究，為植物型除臭劑選型和應(yīng)用提供參考。

2 測(cè)試方法設(shè)計(jì)

參考借鑒QB/T 2761—2006 室內(nèi)空氣凈化產(chǎn)品凈化效果測(cè)定方法［20］，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)模擬惡臭環(huán)境，然后將除臭劑通過(guò)壓力噴嘴以霧化的形式噴灑于實(shí)驗(yàn)艙中，其中噴灑方式參照常規(guī)的垃圾填埋作業(yè)面的除臭風(fēng)炮應(yīng)用方式并明確霧化程度，從而測(cè)試實(shí)驗(yàn)艙中的惡臭降低程度，得出除臭劑的除臭效率。該測(cè)試方法有以下優(yōu)點(diǎn)：①可結(jié)合實(shí)際惡臭污染特征人工配制實(shí)驗(yàn)艙惡臭污染氣體成分與濃度，定性定量模擬惡臭污染，確保測(cè)試條件統(tǒng)一；②通過(guò)噴嘴均勻、穩(wěn)定地向?qū)嶒?yàn)艙內(nèi)噴灑除臭劑，測(cè)試條件與植物型除臭劑在敞開(kāi)式異味源的實(shí)際應(yīng)用方式相符，所以測(cè)試得到的去除效率可信度好。

硫化氫是典型的惡臭物質(zhì)，具有臭雞蛋味，有劇毒，是國(guó)內(nèi)外惡臭排放標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)污染物之一，其嗅閾值低至0.001 8 mg/m3［21］，極易造成異味污染，所以本研究選擇硫化氫為臭氣成分開(kāi)展各除臭劑的去除效果測(cè)試研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與測(cè)試材料

2.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)艙2 個(gè)，容積約為1.5 m3（0.90 m×0.90 m×1.85 m），框架為鋁型材，面板為厚度5 mm 浮法平板玻璃；風(fēng)扇（功率20 W，艾芭莎淘寶店）；霧化噴嘴（型號(hào)為SU16-SS，霧化粒徑范圍為5～50 μm，美國(guó)Spraying System 噴霧系統(tǒng)公司）；隔膜泵（型號(hào)PA3110-03，壓力為0.2～0.7 MPa，日本SMC 公司）；硫化氫標(biāo)氣瓶（75 mg/m3，上海偉創(chuàng)）；硫化氫分析儀（450i 型硫化氫分析儀，美國(guó)賽默飛）；采樣口位于實(shí)驗(yàn)艙中間高度；特氟龍采樣袋和軟管若干。實(shí)驗(yàn)裝置示意見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Figure 1 Schematic diagram of experimental equipment

1.1.2 測(cè)試材料

為研究植物型除臭劑對(duì)硫化氫的去除效果，收集常見(jiàn)的、典型的除臭劑產(chǎn)品開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，包括10種除臭劑產(chǎn)品，分別來(lái)自美國(guó)、加拿大、韓國(guó)、日本、中國(guó)的一些品牌產(chǎn)品以及中國(guó)某垃圾填埋場(chǎng)正在使用的非品牌產(chǎn)品。由于涉及商業(yè)機(jī)密，各除臭劑廠商未能提供有效成分及濃度占比，廠商結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況提供產(chǎn)品和稀釋倍數(shù)，具體稀釋倍數(shù)見(jiàn)表1，測(cè)試時(shí)采用純凈水稀釋使用。

表1 除臭劑樣品稀釋倍數(shù)Table 1 Dilution ratios of deodorant samples

2.2 測(cè)試步驟

1）實(shí)驗(yàn)艙硫化氫初始濃度配制。

垃圾填埋場(chǎng)和垃圾中轉(zhuǎn)站硫化氫濃度從μg/m3到mg/m3級(jí)別呈現(xiàn)波動(dòng)性變化趨勢(shì)［22］，故本研究采用1.5 mg/m3硫化氫氣體作為臭源濃度，與垃圾填埋場(chǎng)常規(guī)作業(yè)面濃度較接近。利用限流閥、軟管將硫化氫標(biāo)氣通入實(shí)驗(yàn)艙，在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)稀釋約為1.5 mg/m3的硫化氫氣體，并采樣測(cè)試硫化氫實(shí)際濃度作為初始濃度。

2）實(shí)驗(yàn)步驟。

水是除臭劑的主要組成部分，并且水在噴霧過(guò)程中由于吸附、沉降、溶解等機(jī)理也會(huì)對(duì)惡臭成分產(chǎn)生去除作用，所以本研究將水作為對(duì)照組開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)步驟為實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)通入硫化氫標(biāo)氣，然后關(guān)閉通氣閥、開(kāi)啟風(fēng)扇攪拌均勻，采集實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)氣體檢測(cè)硫化氫濃度，作為實(shí)驗(yàn)艙臭氣初始濃度。隔膜泵和噴嘴連接后安置于實(shí)驗(yàn)艙底部，噴頭垂直向上，打開(kāi)隔膜泵開(kāi)關(guān)，噴嘴向上方空氣中噴灑5 min 純凈水，關(guān)閉噴嘴分別靜置10、20、30、40、50、60 min，并同步采集實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)氣樣，測(cè)試其硫化氫濃度。除臭劑實(shí)驗(yàn)組將純凈水換成稀釋后的除臭劑樣品，其余實(shí)驗(yàn)步驟與對(duì)照組相同。

2.3 除臭劑或水對(duì)硫化氫的去除效率計(jì)算

除臭劑或純凈水噴灑后去除效率計(jì)算公式如下：

式中：η為除臭劑或純凈水對(duì)硫化氫的去除效率，%；t為除臭劑與硫化氫氣體的接觸時(shí)間（靜置時(shí)間），min；C0為實(shí)驗(yàn)艙硫化氫初始濃度，mg/m3；Ct為除臭劑或純凈水與硫化氫氣體接觸t時(shí)間后實(shí)驗(yàn)艙中硫化氫的濃度，mg/m3。

3 結(jié)果與討論

3.1 純凈水對(duì)硫化氫的去除效率

噴灑純凈水后不同接觸時(shí)間下的硫化氫濃度和去除效率見(jiàn)圖2。由圖2 可知，純凈水對(duì)硫化氫有一定的去除效果，噴灑后10 min 純凈水去除硫化氫的效率為21%，隨著接觸時(shí)間增加至60 min，硫化氫的去除效率達(dá)到55%。這主要是由于硫化氫與霧化后的水滴接觸時(shí)，通過(guò)氣液交換轉(zhuǎn)移至液相膜并與之結(jié)合，在重力的引導(dǎo)下沉降至底部［23］，從而達(dá)到一定的去除效果。

圖2 噴灑純凈水后不同接觸時(shí)間下硫化氫的濃度變化及去除效率Figure 2 The change of hydrogen sulfide concentration and removal efficiency under different contact time after spraying pure water

3.2 除臭劑對(duì)硫化氫的去除效率

噴灑后10 min 和60 min 各除臭劑去除效率見(jiàn)圖3。由圖3 可知，接觸60 min 之后除臭劑對(duì)硫化氫去除效率最高的產(chǎn)品為A-4 和B-1，去除效率均達(dá)到87%，其次為產(chǎn)品A-1，去除效率為85%。這3 種產(chǎn)品分別來(lái)自日本、中國(guó)和美國(guó)，主要以植物精油、高分子有機(jī)化合物作用為主，并且稀釋倍數(shù)較高，分別為300、100 和200。江淦福等［24］有類(lèi)似結(jié)論，利用美國(guó)異可掃植物精油產(chǎn)品針對(duì)造紙廠臭氣進(jìn)行處理，由于霧化后的植物精油對(duì)臭氣分子具有高溶解性和高分配常數(shù)，可以對(duì)臭氣分子形成很好的吸附和包裹作用，最后異味得到明顯改善。

圖3 各除臭劑樣品分別在接觸10 min 和60 min 后對(duì)硫化氫的去除效率Figure 3 Removal efficiencies of hydrogen sulfide by each deodorants after contact for 10 minutes and 60 minutes respectively

噴灑后60 min 硫化氫去除效率低于純凈水的除臭劑產(chǎn)品為A-3 和C-5，分別為40% 和36%，這兩種除臭劑的主要成分為植物提取液，稀釋倍數(shù)低，分別為50 和20。據(jù)調(diào)研，稀釋倍數(shù)低的產(chǎn)品C-5 和C-6 保質(zhì)時(shí)間短，并且植物提取液成分復(fù)雜多變，其中部分有效成分的作用條件有相應(yīng)要求，例如綠茶茶多酚成分在酸性條件下除臭效果較低［25］。加之運(yùn)輸過(guò)程與產(chǎn)品保存條件等影響因素，可能導(dǎo)致A-3 和C-5 中部分有效成分失效，所以產(chǎn)生去除效率低于純凈水的現(xiàn)象。

由于實(shí)際應(yīng)用中對(duì)植物型除臭劑的見(jiàn)效快慢較為重視，故進(jìn)一步比較分析10 min 內(nèi)各植物型除臭劑應(yīng)用效果，A-1 和B-1 在10 min 之后去除效率最高，分別為84% 和70%，稀釋倍數(shù)較高為200 和100，說(shuō)明本次除臭劑樣品中20%的產(chǎn)品在10 min 起效迅速；A-3 和C-5 在10 min 之后去除效率最低，分別為12% 和14%，稀釋倍數(shù)分別為50 和20。可以看出，本研究的各典型除臭劑產(chǎn)品中稀釋倍數(shù)高、以植物精油為主的產(chǎn)品整體去除硫化氫效果好、作用時(shí)間快，反之稀釋倍數(shù)低的產(chǎn)品效果可能較差。

3.3 接觸時(shí)間對(duì)去除效率的影響

為了進(jìn)一步分析除臭劑與硫化氫接觸時(shí)間對(duì)去除效率的影響，選取效果最好的前3 種產(chǎn)品A-1、A-4 和B-1，分析各接觸時(shí)間下硫化氫的去除效果，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4 可知，所有除臭劑對(duì)硫化氫的去除效率與接觸時(shí)間呈正相關(guān)，隨著接觸時(shí)間的增長(zhǎng)其對(duì)硫化氫的去除效率不斷提高，去除效率平均值由34% 遞增為63%。其中B-1 和A-4 去除效率從10 min 到60 min 分別提高了24%和135%，然后達(dá)到最高去除效率，說(shuō)明B-1 和A-4 去除效果緩慢但最終去除效果好。A-1 在10 min 時(shí)基本達(dá)到去除效率最高值，從10 min 到60 min 幾乎無(wú)變化，說(shuō)明A-1 見(jiàn)效迅速且硫化氫去除效果也較好，更加適合垃圾填埋場(chǎng)噴灑作業(yè)。

圖4 不同接觸時(shí)間下除臭劑樣品A-1、A-4、B-1 及所有樣品平均對(duì)硫化氫的去除效率Figure 4 Removal efficiencies of hydrogen sulfide by deodorant A-1、A-4、B-1 and average value of all samples under different contact time

4 結(jié)論與展望

1）通過(guò)調(diào)研植物型除臭劑的研究進(jìn)展及去除效果測(cè)試現(xiàn)狀，結(jié)合植物型除臭劑敞開(kāi)式異味源除臭的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，首次提出并構(gòu)建1 套1.5 m3實(shí)驗(yàn)艙植物型除臭劑除臭效率的測(cè)試方法，并且利用該方法收集市面常見(jiàn)的10 種除臭劑產(chǎn)品開(kāi)展硫化氫去除效果測(cè)試研究。研究發(fā)現(xiàn)噴灑純凈水對(duì)硫化氫有一定去除效果，去除效率為55%。除臭劑產(chǎn)品中稀釋倍數(shù)高、以植物精油為主的產(chǎn)品整體去除硫化氫效果好、作用時(shí)間快，去除效率為84%～87%；反之稀釋倍數(shù)低的產(chǎn)品效果相對(duì)較差。

2）噴灑除臭劑之后隨著除臭劑與硫化氫的接觸時(shí)間增加，硫化氫去除效率均呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，平均值由34%遞增為63%，其中A-1 的稀釋倍數(shù)為200，其起效快、硫化氫去除效果佳，最適用于垃圾填埋場(chǎng)。

3）由于各除臭劑有效成分、物質(zhì)濃度、植物提取種類(lèi)及來(lái)源等信息并未明確，后續(xù)應(yīng)深入探索各除臭劑有效成分特征和作用機(jī)理，結(jié)合除臭場(chǎng)景差異建立各典型植物型除臭劑的關(guān)鍵指標(biāo)與評(píng)估參數(shù)，便于除臭劑產(chǎn)品的快速篩選和高效應(yīng)用。