異味污染是當(dāng)前我國城鎮(zhèn)居民投訴反映*強烈的環(huán)境污染問題之一。相較于歐美日等發(fā)達國家和地區(qū),我國異味污染研究起步較晚,污染來源廣泛、成分復(fù)雜,形勢嚴(yán)峻!董h(huán)境異味污染分析與控制》作者團隊自本世紀(jì)初開始,長期致力于典型環(huán)境異味污染的分析控制研究,包括異味污染的儀器-嗅覺聯(lián)用評價、污染溯源解析、關(guān)鍵致臭物質(zhì)與致臭機制、源頭減排和高級氧化控制等領(lǐng)域!董h(huán)境異味污染分析與控制》共8章,內(nèi)容包括異味污染的來源與分類、分析評價與擴散模擬、管理控制和凈化治理等,內(nèi)容豐富、實用性強,可以作為環(huán)境化學(xué)、分析化學(xué)、環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程等專業(yè)的研究生教材,也可作為異味污染監(jiān)測控制領(lǐng)域的研究、工程技術(shù)和管理人員的專業(yè)參考用書。
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前言
第1章 緒論 1
1.1 異味污染的基礎(chǔ)概念 1
1.2 異味污染的危害 2
1.2.1 異味污染對人體健康的影響和危害 2
1.2.2 異味污染對社會環(huán)境的影響和危害 4
1.2.3 異味污染對經(jīng)濟發(fā)展的影響 4
1.3 異味污染的特點 5
1.4 異味污染的研究發(fā)展歷程 5
參考文獻 8
第2章 異味污染的來源與分類 9
2.1 異味污染的來源 9
2.1.1 自然污染源 9
2.1.2 人為污染源 9
2.2 異味特征的分類 12
2.2.1 直接比較描述法 13
2.2.2 氣味輪圖法 13
2.3 異味物質(zhì)的分類 17
參考文獻 19
第3章 異味樣品的采集與前處理 20
3.1 異味樣品采集方案 20
3.1.1 采樣目的 20
3.1.2 背景調(diào)查與資料收集 20
3.1.3 有組織排放源采樣點的布設(shè) 21
3.1.4 無組織排放源采樣點的布設(shè) 22
3.1.5 環(huán)境空氣采樣點的布設(shè) 24
3.1.6 采樣時間與頻次 26
3.2 異味樣品采集方法 26
3.2.1 直接采樣法 26
3.2.2 富集采樣法 29
3.3 異味采樣的儀器裝置 33
3.4 異味樣品的運輸與保存 34
3.5 異味樣品的前處理 34
3.5.1 直接采集樣品的前處理 34
3.5.2 溶液吸收樣品的前處理 35
3.5.3 吸附型填充柱采集樣品的前處理 35
3.5.4 反應(yīng)型填充柱采集樣品的前處理 36
參考文獻 36
第4章 異味污染感官分析 38
4.1 嗅覺感知基本原理 38
4.2 異味感官分析基礎(chǔ)知識 40
4.2.1 嗅覺閾值 41
4.2.2 嗅覺疲勞與嗅覺適應(yīng) 41
4.3 嗅覺分析指標(biāo)體系 42
4.3.1 強度 42
4.3.2 厭惡度 43
4.3.3 頻率 43
4.3.4 持續(xù)時間 43
4.3.5 位置 44
4.4 異味強度 44
4.4.1 階段法 44
4.4.2 參考基準(zhǔn)法 46
4.5 異味濃度 47
4.5.1 三點比較式臭袋法 48
4.5.2 動態(tài)稀釋嗅辨儀法 50
4.6 嗅覺閾值 55
4.7 愉悅度 56
4.8 氣味可接受度 56
4.9 氣味不滿意率 57
參考文獻 57
第5章 異味污染儀器分析 59
5.1 氣相色譜法和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法 59
5.1.1 氣相色譜法 59
5.1.2 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法 65
5.2 氣相色譜-嗅覺儀法 66
5.3 高效液相色譜法 67
5.4 分光光度法 69
5.5 質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜法 70
5.6 氣體傳感器檢測法 71
5.7 常見異味物質(zhì)的儀器分析方法 74
5.7.1 揮發(fā)性有機異味物質(zhì) 74
5.7.2 氨與脂肪胺 78
5.7.3 含硫異味物質(zhì) 80
5.7.4 揮發(fā)性脂肪醛 81
參考文獻 82
第6章 異味污染擴散評價技術(shù) 83
6.1 異味污染擴散的基本理論 83
6.1.1 大氣層結(jié)構(gòu) 83
6.1.2 主要氣象要素 83
6.1.3 大氣穩(wěn)定度 86
6.1.4 大氣湍流 87
6.2 高斯擴散模式 88
6.2.1 高斯擴散模式的基本假設(shè) 88
6.2.2 無界空間連續(xù)點源擴散模式 89
6.2.3 高架連續(xù)點源擴散模式 90
6.2.4 地面連續(xù)點源擴散模式 91
6.2.5 污染物濃度的計算 91
6.2.6 高斯擴散模式的適用范圍 94
6.3 特殊氣象條件下的擴散模式 95
6.3.1 封閉型擴散模式 95
6.3.2 熏煙型擴散模式 95
6.4 面源污染物擴散模式 96
6.4.1 簡化為點源模式 97
6.4.2 窄煙流擴散模式 98
6.5 異味污染擴散模型 99
6.5.1 AERMOD模型 99
6.5.2 ADMS 模型 99
6.5.3 CALPUFF模型 100
6.5.4 AUSTAL模型 100
6.5.5 ModOdor模型 100
6.6 峰均值因子與AODM模型 101
6.6.1 峰均值因子 101
6.6.2 AODM模型 102
參考文獻 103
第7章 異味污染管理控制政策與標(biāo)準(zhǔn) 105
7.1 異味污染管理控制政策標(biāo)準(zhǔn)制定方法 105
7.2 歐洲異味污染管理控制政策與標(biāo)準(zhǔn) 108
7.2.1 英國 108
7.2.2 德國 109
7.2.3 奧地利 109
7.2.4 意大利 110
7.2.5 法國 111
7.2.6 荷蘭 112
7.3 美洲異味污染管理控制政策與標(biāo)準(zhǔn) 113
7.3.1 美國 113
7.3.2 加拿大 113
7.4 亞洲異味污染管理控制政策與標(biāo)準(zhǔn) 114
7.4.1 中國 114
7.4.2 日本 117
7.4.3 韓國 119
7.5 大洋洲異味污染管理控制政策與標(biāo)準(zhǔn) 119
7.5.1 澳大利亞 119
7.5.2 新西蘭 120
參考文獻 120
第8章 異味污染凈化控制技術(shù) 122
8.1 吸收法 122
8.1.1 吸收過程 122
8.1.2 吸收理論 124
8.1.3 吸收速率方程 124
8.1.4 吸收塔 126
8.2 吸附法 127
8.2.1 吸附原理 127
8.2.2 吸附平衡 130
8.2.3 吸附等溫線 131
8.2.4 吸附劑 138
8.3 燃燒法 139
8.3.1 直接燃燒法 139
8.3.2 熱力燃燒法 140
8.3.3 催化燃燒法 140
8.4 催化法 141
8.4.1 催化原理 141
8.4.2 催化劑 143
8.5 生物法 145
8.5.1 生物法基本原理 145
8.5.2 生物法處理工藝 145
8.6 等離子體法 146
8.6.1 等離子體法基本原理 146
8.6.2 等離子體法技術(shù)類型 147
8.7 高級氧化法 147
8.7.1 臭氧氧化法 148
8.7.2 芬頓氧化法 148
8.7.3 過硫酸鹽氧化法 149
參考文獻 149
附錄 151
第1章緒論
異味污染既是一種化學(xué)污染,也是一種感官污染,具有較為復(fù)雜的屬性。本章主要對異味污染的基礎(chǔ)概念和基本特征進行闡述,并回顧異味污染研究的發(fā)展歷程,使讀者對異味污染建立基本認(rèn)識。
1.1異味污染的基礎(chǔ)概念
異味污染是一種常見的環(huán)境污染,屬于大氣污染范疇,通常指由污染源散發(fā)出對人造成嗅覺刺激的異味物質(zhì)而導(dǎo)致的環(huán)境污染[1,3,4]。
氣味是指嗅覺器官在聞嗅化學(xué)物質(zhì)時所感知的感官特性。異味是一類特殊的氣味,一般指引起人嗅覺器官產(chǎn)生不愉悅感知的氣味。從更深層次上講,氣味是嗅覺受體(OR)識別揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)而引起的大腦反應(yīng),涉及復(fù)雜的嗅覺感知原理(第4章中介紹)?傮w上,一種物質(zhì)如果滿足以下條件,便可被認(rèn)為是一種氣味物質(zhì):
、倌芘c嗅覺受體結(jié)合;
、谂c嗅覺受體結(jié)合后能產(chǎn)生信號并傳遞至大腦;
、鄞竽X能夠識別該信號[1]。
異味物質(zhì)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)境的化學(xué)物質(zhì)。地球上存在數(shù)量眾多的異味物質(zhì)。研究表明,地球上的物質(zhì)中大約20%具有各種氣味,僅憑人的嗅覺可感受到的異味物質(zhì)已超過4000種,其中包括人們?nèi)粘Ia(chǎn)生活中常見或具有較大影響的物質(zhì),例如氨氣、三甲胺、硫化氫、苯系物、乙醇、乙酸乙酯、揮發(fā)性脂肪酸、萜烯、鹵代物等。
由于這些物質(zhì)大多具有獨*的氣味特征,而人的嗅覺系統(tǒng)十分靈敏,所以這些物質(zhì)在空氣中處于微量甚至痕量的濃度水平時就已經(jīng)能夠被人的嗅覺系統(tǒng)所察覺。當(dāng)它們在環(huán)境空氣中的濃度增加到一定水平時,對人嗅覺器官造成的刺激作用超過特定強度后,使人產(chǎn)生不愉悅的感覺,甚至產(chǎn)生心理和生理危害,形成異味污染[4]。
某些行業(yè)和環(huán)境,例如污水處理廠、垃圾填埋場、畜禽養(yǎng)殖場、石化制藥廠等,散發(fā)的異味物質(zhì)通常具有明顯的惡臭特征,使人產(chǎn)生不愉快和厭惡感,嚴(yán)重?fù)p害生產(chǎn)和生活環(huán)境,因此也被稱為惡臭污染。
1.2異味污染的危害
1.2.1異味污染對人體健康的影響和危害
異味污染對人體健康產(chǎn)生的危害主要包括感官影響、心理傷害和生理傷害3個層次[2,5]。
、俑泄儆绊懀氘愇稓怏w對人嗅覺器官造成異味刺激,產(chǎn)生輕微的嗅覺影響,干擾正常的嗅覺感知。
、谛睦韨,吸入異味氣體使人產(chǎn)生較為嚴(yán)重的厭惡感、煩躁感,干擾人的情緒、思想和心理穩(wěn)定。
、凵韨,吸入異味氣體時,人會本能地屏住呼吸或降低呼吸頻率,造成呼吸系統(tǒng)不順暢和血壓、脈搏的變化;吸入異味氣體后,會使人產(chǎn)生惡心、頭暈、壓力、頭痛、嘔吐、食欲不振等不適反應(yīng)。
較長時間或重復(fù)性地暴露在異味氣體中會使人的嗅覺系統(tǒng)產(chǎn)生嗅覺疲勞,甚至嗅覺損傷。嗅覺疲勞是一種輕微的、可逆的嗅覺感官適應(yīng),表現(xiàn)為嗅覺敏感性降低,可以通過停止接觸并吸入潔凈無味氣體的方法進行緩解。持續(xù)或重復(fù)地吸入異味氣體會對嗅覺系統(tǒng)造成不可逆的損傷,嚴(yán)重降低嗅覺器官的敏感性。
除了以上的影響和危害,許多異味物質(zhì)本身還具有健康風(fēng)險屬性,在較高濃度或長期接觸時會對人體造成皮膚和黏膜損傷、神經(jīng)和組織中毒等健康危害。對于工作環(huán)境,通常會針對空氣中的氣體污染物設(shè)定職業(yè)接觸限值(OELs)。OELs指勞動者在職業(yè)活動過程中長期反復(fù)接觸某種或多種職業(yè)性有害因素,不會引起絕大多數(shù)接觸者不良健康效應(yīng)的容許接觸水平;瘜W(xué)有害因素的職業(yè)接觸限值分為時間加權(quán)平均容許濃度(PC-TWA)、短時間接觸容許濃度(PC-STEL)和*高容許濃度(MAC)三類。
典型異味物質(zhì)的嗅覺閾值(COT)與時間加權(quán)平均容許濃度(PC-TWA)的比值如表1-1所示。表1-1典型異味物質(zhì)的嗅覺閾值與時間加權(quán)平均容許濃度的比值異味物質(zhì)COT(mg/m3)PC-TWA(mg/m3)COT/PC-TWA氨1.06200.053甲硫醇0.0001410.00014二硫化碳0.6550.13苯8.6261.44甲苯1.24500.025乙苯0.741000.0074苯乙烯0.149500.0022甲醛0.61250.024正丁醇0.121000.0012乙酸乙酯3.142000.016乙酸丁酯0.0732000.00036苯酚0.022100.0022丙酮1003000.33乙酸0.015100.0015正丁醛0.002050.00040丁烯0.831000.0083四氯化碳29151.9氨、甲硫醇等物質(zhì)的嗅覺閾值與職業(yè)接觸限值的比值小于1,意味著這些物質(zhì)在引起不良健康效應(yīng)之前就會被人的嗅覺感官系統(tǒng)聞到,一定程度上也可以起到風(fēng)險預(yù)警作用。當(dāng)這類物質(zhì)的濃度逐漸升高,產(chǎn)生的異味污染會越來越明顯和嚴(yán)重,*終會同時產(chǎn)生異味污染和健康危害。
以硫化氫為例,硫化氫的嗅覺閾值非常低,僅有0.0004mg/m3,甚至低于其非致癌效應(yīng)毒性參數(shù)(呼吸吸入?yún)⒖紳舛萊fC:0.002mg/m3),在極低的濃度時即可造成嗅覺刺激。不同濃度的硫化氫會對人造成的嗅覺刺激和健康效應(yīng)如表1-2所示。表1-2硫化氫對人造成的嗅覺刺激和健康效應(yīng)與濃度對應(yīng)關(guān)系硫化氫濃度(mg/m3)對人造成的嗅覺刺激和健康效應(yīng)0.0004嗅覺閾值0.001輕微的嗅覺刺激0.04較強的異味刺激10~20刺激人的眼睛和呼吸道黏膜20~40刺激人的肺部250~600造成支氣管或肺部水腫,30min左右即可導(dǎo)致死亡1000~2000即刻喪失知覺,進而造成窒息、死亡苯等物質(zhì)的嗅覺閾值與職業(yè)接觸限值的比值大于1,意味著這些物質(zhì)在未達到引起嗅覺刺激的濃度時也會對人體造成健康危害。事實上,人們大多數(shù)時候?qū)Ξ愇洞碳っ黠@物質(zhì)的關(guān)注會大于或早于不易被嗅覺識別的有害污染物。
1.2.2異味污染對社會環(huán)境的影響和危害
由于異味污染擴散速度快,影響范圍廣,造成的感官刺激強烈,已經(jīng)發(fā)展成為一種嚴(yán)重的擾民事件[6,9]。國內(nèi)外民眾對異味污染的投訴事件一直居高不下。例如,美國的異味污染投訴占大氣污染投訴的50%以上,歐洲國家13%~20%的居民受異味污染困擾,日本每年異味污染投訴事件高達15000件,惡臭已成為七大公害之一。
在我國,異味污染同樣是居民投訴的重點之一。我國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,2018年“全國生態(tài)環(huán)境信訪投訴舉報管理平臺”接到的群眾舉報中大氣污染投訴居首,其中反映惡臭/異味污染的舉報*多,占大氣污染舉報的36%~47%,比2017年上升超過10%。2018~2020年接到的惡臭/異味投訴舉報事件分別為15.3萬件、11.1萬件和9.8萬件,各占全部環(huán)境問題投訴舉報件數(shù)的21.5%、20.8%和22.1%,投訴占比穩(wěn)中有升,是當(dāng)前公眾投訴*強烈的環(huán)境問題之一。
從社會民眾投訴舉報的地區(qū)分布來看,2020年我國惡臭/異味投訴舉報主要集中在東部沿海和華北平原等人口密集、經(jīng)濟發(fā)達的區(qū)域。投訴舉報量*多的省份是廣東省,其次是河南省,投訴件數(shù)均在10000件以上;山東省、江蘇省、河北省、湖北省投訴件數(shù)在5000~10000件;其余投訴較多的省份還有遼寧省、浙江省、安徽省、福建省等,整體地區(qū)分布趨勢與前兩年的投訴舉報分布趨勢基本一致[9]。
1.2.3異味污染對經(jīng)濟發(fā)展的影響
異味污染除了影響人的健康、降低人的舒適感之外,還會影響人的工作效率,降低旅游、商業(yè)、娛樂等預(yù)期的經(jīng)濟效益。
室內(nèi)辦公環(huán)境是異味污染的典型環(huán)境之一,由于室內(nèi)材料物品、人員活動、微生物代謝等源頭散發(fā)的異味物質(zhì)會導(dǎo)致辦公室、工作間、居室等室內(nèi)場所發(fā)生異味污染,降低人們的工作效率或引發(fā)心理傷害與生理傷害,減少有效工作時間,影響經(jīng)濟社會發(fā)展[3,4]。
旅游、商業(yè)、娛樂等區(qū)域若由于存在異味污染源或受到周邊異味污染源的影響而發(fā)生異味污染,將會影響區(qū)域的人流量,降低人們的舒適感和購買欲,對經(jīng)濟效益造成損害。
1.3異味污染的特點
異味污染屬于大氣污染范疇,具有一般大氣污染的特點,例如以空氣為傳播介質(zhì)、通過呼吸系統(tǒng)對人體產(chǎn)生影響。同時,異味污染是通過人的嗅覺感知進行判定和評價,因此其與常規(guī)的大氣污染物如氮氧化物、硫氧化物、顆粒物等相比具有明顯不同的特點。異味污染的特點可總結(jié)如下。
、俪煞謴(fù)雜:能夠造成異味污染的物質(zhì)眾多,典型異味污染源散發(fā)的異味污染物往往體系復(fù)雜,組分?jǐn)?shù)量多達幾十甚至上百種,濃度水平差異大,分子結(jié)構(gòu)各不相同,各種組分間還存在氣味相互作用。
、跇O易擴散:異味物質(zhì)大多具有較高的揮發(fā)性,一旦進入空氣中能夠快速傳播,擴散距離遠(yuǎn),影響范圍廣。異味污染的擴散過程受污染源散發(fā)速率、氣象、地形等條件影響,因此也會呈現(xiàn)較為明顯時空變化特征。
、鄯治隼щy:造成異味污染的物質(zhì)大多具有很低的嗅覺閾值,即便在極低的濃度水平也能產(chǎn)生明顯的嗅覺刺激。有些異味物質(zhì),如甲硫醇等,還容易在高溫、光照等條件下發(fā)生轉(zhuǎn)變。對低濃度的復(fù)雜異味混合氣體進行成分鑒定和濃度分析具有一定的難度。異味污染的感官分析方法通常需要由一組4~8名經(jīng)過篩選和培訓(xùn)的氣味評價員進行評價,具有較高的人工和時間成本。
、苤饔^性強:異味污染具有化學(xué)污染與感官污染雙重屬性,因此在成分和濃度分析的基礎(chǔ)上,更重要的是需要通過感官分析對其進行感官評價。感官評價具有較強的主觀性,容易受人的嗅覺靈敏程度、嗅覺適應(yīng)和嗅覺疲勞、身體和心理狀況、測試環(huán)境等因素影響。在開展感官分析時,需要由一組經(jīng)過篩選和培訓(xùn)的氣味評價員進行綜合評價并進行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)處理,以降低氣味評價員個人的主觀性對測試結(jié)果造成的影響。
、葜卫砝щy:異味污染物對嗅覺系統(tǒng)造成的刺激程度與污染物的化學(xué)濃度間并非簡單的線性相關(guān)關(guān)系。韋伯-費希納(Weber-Fecher)等研究表明,在一定范圍內(nèi),異味物質(zhì)造成的嗅覺刺激程度(異味強度)與其化學(xué)濃度的對數(shù)成正比。將異味物質(zhì)的化學(xué)濃度大幅降低90%,人感受的嗅覺刺激程度并不會同等幅度的快速下降。此外,垃圾處理廠、污水處理廠、畜禽養(yǎng)殖場等典型環(huán)境常見的異味物質(zhì)如還原性硫化物、有機胺、脂肪酸等,具有極低的嗅覺閾值,治理異味時需要將這類物質(zhì)的濃度降低至極低水平才能消除異味污染[5,7]。
1.4異味污染的研究發(fā)展歷程
異味污染問題由來已久,尤其是近現(xiàn)代以來,隨著工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程加快,異味污染問題呈現(xiàn)加重趨勢。19世紀(jì),英國就出現(xiàn)了由工業(yè)和生活污水排放導(dǎo)致的河流水體異味污染問題。進入20世紀(jì)以來,美國、荷蘭、澳大利亞等發(fā)達國家相繼出現(xiàn)異味污染問題,逐漸引起政府、公眾和科研人員的重視,投入人力和資金研究異味污染的分析測定與管理控制方法。1971年,荷蘭制定了一項針對畜禽養(yǎng)殖場異味污染防控的實踐指南,規(guī)定了養(yǎng)殖場與居民區(qū)之間的*小距離限值,1984年出臺了基于嗅覺儀法測定氣味散發(fā)速率的工業(yè)區(qū)空氣質(zhì)量異味管理控制標(biāo)準(zhǔn)。此后,英國、德國、法國、意大利等國家相繼出臺異味污染的分析控制標(biāo)準(zhǔn)。為了統(tǒng)一歐盟各國的異味測定技術(shù)方法,歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會于2003年頒布了異味污染分析技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《空氣質(zhì)量:動態(tài)稀釋嗅辨儀法測試氣味濃度》(EN13725:2003 Air quality:Determination of odour concentration by dynamic olfactometry),規(guī)定采用動態(tài)稀釋嗅辨儀(動態(tài)嗅覺儀)測試氣味濃度的方法評價空氣質(zhì)量,并以正丁醇作為檢驗嗅覺感官分析方法精密度與準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[3,12]。
美國也較早開展了異味污染的測試方法及控制標(biāo)準(zhǔn)研究,在1978年建立了《注射器稀釋法測定氣味濃度技術(shù)(ASTMD1391)》,隨后又繼續(xù)建立了《強制選擇上升濃度梯度極限法測定嗅覺和味覺閾值(ASTME679-04)》《閾上氣味強度等級測定(ASTME554)》等異味污染的測試和評價技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。美國環(huán)境保護署并未規(guī)定統(tǒng)一的異味污染控制標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī),而是由各州分別制定。例如,科羅拉多州空氣質(zhì)量控制委員會通過2號法案(氣味釋放5CCR1001-4)規(guī)定了居民區(qū)和商業(yè)區(qū)*高允許的氣味濃度閾稀釋倍數(shù)(D/T)是7,其他類型地區(qū)*高允許的氣味濃度閾稀釋倍數(shù)是15。伊利諾伊、肯塔基、密蘇里等10個州也采用了基于閾稀釋倍數(shù)設(shè)定異味污染管理控制標(biāo)準(zhǔn)[10]。