环境异味污染分析与控制

第1章绪论 异味污染既是一种化学污染，也是一种感官污染，具有较为复杂的属性。本章主要对异味污染的基础概念和基本特征进行阐述，并回顾异味污染研究的发展历程，使读者对异味污染建立基本认识。 1.1异味污染的基础概念 异味污染是一种常见的环境污染，属于大气污染范畴，通常指由污染源散发出对人造成嗅觉刺激的异味物质而导致的环境污染［1，3，4］。 气味是指嗅觉器官在闻嗅化学物质时所感知的感官特性。异味是一类特殊的气味，一般指引起人嗅觉器官产生不愉悦感知的气味。从更深层次上讲，气味是嗅觉受体（OR）识别挥发性化学物质而引起的大脑反应，涉及复杂的嗅觉感知原理（第4章中介绍）。总体上，一种物质如果满足以下条件，便可被认为是一种气味物质： ①能与嗅觉受体结合； ②与嗅觉受体结合后能产生信号并传递至大脑； ③大脑能够识别该信号［1］。 异味物质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化学物质。地球上存在数量众多的异味物质。研究表明，地球上的物质中大约20%具有各种气味，仅凭人的嗅觉可感受到的异味物质已超过4000种，其中包括人们日常生产生活中常见或具有较大影响的物质，例如氨气、三甲胺、硫化氢、苯系物、乙醇、乙酸乙酯、挥发性脂肪酸、萜烯、卤代物等。 由于这些物质大多具有独*的气味特征，而人的嗅觉系统十分灵敏，所以这些物质在空气中处于微量甚至痕量的浓度水平时就已经能够被人的嗅觉系统所察觉。当它们在环境空气中的浓度增加到一定水平时，对人嗅觉器官造成的刺激作用超过特定强度后，使人产生不愉悦的感觉，甚至产生心理和生理危害，形成异味污染［4］。 某些行业和环境，例如污水处理厂、垃圾填埋场、畜禽养殖场、石化制药厂等，散发的异味物质通常具有明显的恶臭特征，使人产生不愉快和厌恶感，严重损害生产和生活环境，因此也被称为恶臭污染。 1.2异味污染的危害 1.2.1异味污染对人体健康的影响和危害 异味污染对人体健康产生的危害主要包括感官影响、心理伤害和生理伤害3个层次［2，5］。 ①感官影响，吸入异味气体对人嗅觉器官造成异味刺激，产生轻微的嗅觉影响，干扰正常的嗅觉感知。 ②心理伤害，吸入异味气体使人产生较为严重的厌恶感、烦躁感，干扰人的情绪、思想和心理稳定。 ③生理伤害，吸入异味气体时，人会本能地屏住呼吸或降低呼吸频率，造成呼吸系统不顺畅和血压、脉搏的变化；吸入异味气体后，会使人产生恶心、头晕、压力、头痛、呕吐、食欲不振等不适反应。 较长时间或重复性地暴露在异味气体中会使人的嗅觉系统产生嗅觉疲劳，甚至嗅觉损伤。嗅觉疲劳是一种轻微的、可逆的嗅觉感官适应，表现为嗅觉敏感性降低，可以通过停止接触并吸入洁净无味气体的方法进行缓解。持续或重复地吸入异味气体会对嗅觉系统造成不可逆的损伤，严重降低嗅觉器官的敏感性。 除了以上的影响和危害，许多异味物质本身还具有健康风险属性，在较高浓度或长期接触时会对人体造成皮肤和黏膜损伤、神经和组织中毒等健康危害。对于工作环境，通常会针对空气中的气体污染物设定职业接触限值（OELs）。OELs指劳动者在职业活动过程中长期反复接触某种或多种职业性有害因素，不会引起绝大多数接触者不良健康效应的容许接触水平。化学有害因素的职业接触限值分为时间加权平均容许浓度（PC-TWA）、短时间接触容许浓度（PC-STEL）和*高容许浓度（MAC）三类。 典型异味物质的嗅觉阈值（COT）与时间加权平均容许浓度（PC-TWA）的比值如表1-1所示。表1-1典型异味物质的嗅觉阈值与时间加权平均容许浓度的比值异味物质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、甲硫醇等物质的嗅觉阈值与职业接触限值的比值小于1，意味着这些物质在引起不良健康效应之前就会被人的嗅觉感官系统闻到，一定程度上也可以起到风险预警作用。当这类物质的浓度逐渐升高，产生的异味污染会越来越明显和严重，*终会同时产生异味污染和健康危害。 以硫化氢为例，硫化氢的嗅觉阈值非常低，仅有0.0004mg/m3，甚至低于其非致癌效应毒性参数（呼吸吸入参考浓度RfC：0.002mg/m3），在极低的浓度时即可造成嗅觉刺激。不同浓度的硫化氢会对人造成的嗅觉刺激和健康效应如表1-2所示。表1-2硫化氢对人造成的嗅觉刺激和健康效应与浓度对应关系硫化氢浓度（mg/m3）对人造成的嗅觉刺激和健康效应0.0004嗅觉阈值0.001轻微的嗅觉刺激0.04较强的异味刺激10～20刺激人的眼睛和呼吸道黏膜20～40刺激人的肺部250～600造成支气管或肺部水肿，30min左右即可导致死亡1000～2000即刻丧失知觉，进而造成窒息、死亡苯等物质的嗅觉阈值与职业接触限值的比值大于1，意味着这些物质在未达到引起嗅觉刺激的浓度时也会对人体造成健康危害。事实上，人们大多数时候对异味刺激明显物质的关注会大于或早于不易被嗅觉识别的有害污染物。 1.2.2异味污染对社会环境的影响和危害 由于异味污染扩散速度快，影响范围广，造成的感官刺激强烈，已经发展成为一种严重的扰民事件［6，9］。国内外民众对异味污染的投诉事件一直居高不下。例如，美国的异味污染投诉占大气污染投诉的50%以上，欧洲国家13%～20%的居民受异味污染困扰，日本每年异味污染投诉事件高达15000件，恶臭已成为七大公害之一。 在我国，异味污染同样是居民投诉的重点之一。我国生态环境部发布的统计数据表明，2018年“全国生态环境信访投诉举报管理平台”接到的群众举报中大气污染投诉居首，其中反映恶臭/异味污染的举报*多，占大气污染举报的36%～47%，比2017年上升超过10%。2018～2020年接到的恶臭/异味投诉举报事件分别为15.3万件、11.1万件和9.8万件，各占全部环境问题投诉举报件数的21.5%、20.8%和22.1%，投诉占比稳中有升，是当前公众投诉*强烈的环境问题之一。 从社会民众投诉举报的地区分布来看，2020年我国恶臭/异味投诉举报主要集中在东部沿海和华北平原等人口密集、经济发达的区域。投诉举报量*多的省份是广东省，其次是河南省，投诉件数均在10000件以上；山东省、江苏省、河北省、湖北省投诉件数在5000～10000件；其余投诉较多的省份还有辽宁省、浙江省、安徽省、福建省等，整体地区分布趋势与前两年的投诉举报分布趋势基本一致［9］。 1.2.3异味污染对经济发展的影响 异味污染除了影响人的健康、降低人的舒适感之外，还会影响人的工作效率，降低旅游、商业、娱乐等预期的经济效益。 室内办公环境是异味污染的典型环境之一，由于室内材料物品、人员活动、微生物代谢等源头散发的异味物质会导致办公室、工作间、居室等室内场所发生异味污染，降低人们的工作效率或引发心理伤害与生理伤害，减少有效工作时间，影响经济社会发展［3，4］。 旅游、商业、娱乐等区域若由于存在异味污染源或受到周边异味污染源的影响而发生异味污染，将会影响区域的人流量，降低人们的舒适感和购买欲，对经济效益造成损害。 1.3异味污染的特点 异味污染属于大气污染范畴，具有一般大气污染的特点，例如以空气为传播介质、通过呼吸系统对人体产生影响。同时，异味污染是通过人的嗅觉感知进行判定和评价，因此其与常规的大气污染物如氮氧化物、硫氧化物、颗粒物等相比具有明显不同的特点。异味污染的特点可总结如下。 ①成分复杂：能够造成异味污染的物质众多，典型异味污染源散发的异味污染物往往体系复杂，组分数量多达几十甚至上百种，浓度水平差异大，分子结构各不相同，各种组分间还存在气味相互作用。 ②极易扩散：异味物质大多具有较高的挥发性，一旦进入空气中能够快速传播，扩散距离远，影响范围广。异味污染的扩散过程受污染源散发速率、气象、地形等条件影响，因此也会呈现较为明显时空变化特征。 ③分析困难：造成异味污染的物质大多具有很低的嗅觉阈值，即便在极低的浓度水平也能产生明显的嗅觉刺激。有些异味物质，如甲硫醇等，还容易在高温、光照等条件下发生转变。对低浓度的复杂异味混合气体进行成分鉴定和浓度分析具有一定的难度。异味污染的感官分析方法通常需要由一组4～8名经过筛选和培训的气味评价员进行评价，具有较高的人工和时间成本。 ④主观性强：异味污染具有化学污染与感官污染双重属性，因此在成分和浓度分析的基础上，更重要的是需要通过感官分析对其进行感官评价。感官评价具有较强的主观性，容易受人的嗅觉灵敏程度、嗅觉适应和嗅觉疲劳、身体和心理状况、测试环境等因素影响。在开展感官分析时，需要由一组经过筛选和培训的气味评价员进行综合评价并进行严格的数据处理，以降低气味评价员个人的主观性对测试结果造成的影响。 ⑤治理困难：异味污染物对嗅觉系统造成的刺激程度与污染物的化学浓度间并非简单的线性相关关系。韦伯-费希纳（Weber-Fecher）等研究表明，在一定范围内，异味物质造成的嗅觉刺激程度（异味强度）与其化学浓度的对数成正比。将异味物质的化学浓度大幅降低90%，人感受的嗅觉刺激程度并不会同等幅度的快速下降。此外，垃圾处理厂、污水处理厂、畜禽养殖场等典型环境常见的异味物质如还原性硫化物、有机胺、脂肪酸等，具有极低的嗅觉阈值，治理异味时需要将这类物质的浓度降低至极低水平才能消除异味污染［5，7］。 1.4异味污染的研究发展历程 异味污染问题由来已久，尤其是近现代以来，随着工农业迅速发展和城镇化进程加快，异味污染问题呈现加重趋势。19世纪，英国就出现了由工业和生活污水排放导致的河流水体异味污染问题。进入20世纪以来，美国、荷兰、澳大利亚等发达国家相继出现异味污染问题，逐渐引起政府、公众和科研人员的重视，投入人力和资金研究异味污染的分析测定与管理控制方法。1971年，荷兰制定了一项针对畜禽养殖场异味污染防控的实践指南，规定了养殖场与居民区之间的*小距离限值，1984年出台了基于嗅觉仪法测定气味散发速率的工业区空气质量异味管理控制标准。此后，英国、德国、法国、意大利等国家相继出台异味污染的分析控制标准。为了统一欧盟各国的异味测定技术方法，欧洲标准化委员会于2003年颁布了异味污染分析技术标准《空气质量：动态稀释嗅辨仪法测试气味浓度》（EN13725:2003 Air quality：Determination of odour concentration by dynamic olfactometry），规定采用动态稀释嗅辨仪（动态嗅觉仪）测试气味浓度的方法评价空气质量，并以正丁醇作为检验嗅觉感官分析方法精密度与准确度的标准物质［3，12］。 美国也较早开展了异味污染的测试方法及控制标准研究，在1978年建立了《注射器稀释法测定气味浓度技术（ASTMD1391）》，随后又继续建立了《强制选择上升浓度梯度极限法测定嗅觉和味觉阈值（ASTME679-04）》《阈上气味强度等级测定（ASTME554）》等异味污染的测试和评价技术标准。美国环境保护署并未规定统一的异味污染控制标准或法规，而是由各州分别制定。例如，科罗拉多州空气质量控制委员会通过2号法案（气味释放5CCR1001-4）规定了居民区和商业区*高允许的气味浓度阈稀释倍数（D/T）是7，其他类型地区*高允许的气味浓度阈稀释倍数是15。伊利诺伊、肯塔基、密苏里等10个州也采用了基于阈稀释倍数设定异味污染管理控制标准［10］。 在亚洲地区，日本是较早开始研究异味污染测定和控制方法的