新型微生物抗菌除臭菌係的研究與應用（1）

1. 環境中惡臭的汙染和危害

隨著社會經濟的飛速發展及城市化進程的不斷加速，室內外環境汙染問題日益突出。惡臭是指一切刺激嗅覺器官引起人們不愉快和損壞生物環境的物質。惡臭作為7種典型公害之一(大氣汙染、水質汙染、惡臭、土壤汙染、噪聲、振動、土地下沉)，其物質種類繁多,影響範圍大,並且嚴重危害人體健康,它對人體的毒害是多方麵的: (1)危害神經係統。長期受到一種或幾種低濃度的惡臭物質刺激,首先使嗅覺脫失,繼而導致大腦皮層興奮與抑製過程的調節功能失調。有的惡臭物質,如硫化氫不僅有異臭作用,同時也對神經係統產生毒作用;(2)危害呼吸係統。當人們嗅到臭氣時,會反射性地抑製吸氣,妨礙正常呼吸功能;(3)危害循環係統。如氨等刺激性臭氣,會使血壓出現先下降後上升,脈搏先減慢後加快的變化。硫化氫還能阻礙氧的輸送,而造成體內缺氧;(4)危害消化係統。經常接觸惡臭物質,使人食欲不振與惡心,進而發展成為消化功能減退;(5)惡臭會使內分泌係統的分泌功能紊亂,而影響機體的代謝活動。此外氨和醛類對眼睛有刺激作用,常引起流淚、疼痛、結膜炎、角膜浮腫；（6）臭味還會阻礙人際關係的良好發展,影響個人、家庭或某一場所的外在形象。長期受到惡臭的持續作用會使人煩躁、憂鬱、失眠、注意力不集中、記憶減退,從而使學習和工作效率降低。由於臭味對人體感觀和健康的影響，引起世界各國的普遍重視，有關除臭技術的研究已成為環境治理工程中的一個重要的環節。

    20世紀60年代，在日本以魚骨場、皮革廠為代表的惡臭汙染投訴不斷增加，促使人們開始對惡臭汙染進行研究。1966年，日本宮城公害防止條例最早規定了以食鹽水平衡法為基礎的惡臭濃度標準。1971年頒布實施了惡臭防止法。如今，在日本惡臭和大氣汙染、水質汙染、土壤汙染、噪音、震動、地盤下沉，被列為7項典型環境公害，並製定了臭氣濃度及22種單一惡臭物質的排放標準。其主要測定及評價方法包括食鹽水平衡法、檢知管法、六階段臭氣強度法、三點比較式臭袋法和九階段快不快法等。美國於1971年頌布了《清潔空氣法》，同時各州也規定了相應的法律和標準。惡臭的測定方法主要采用Scentometerf法和ASTM注射器法。德國在《聯邦侵害防止法》及《有關空氣質量的控製的技術指針》中，對有關惡臭汙染作出了規定，但沒有給出具體標準及測定評價方法。1986年開始采用臭氣頻度（1年時間內臭氣存在的時間數）作為惡臭評價的參數，1993年在《環境大氣中有關臭氣的指令》中規定了臭氣頻度、臭氣時間的測定及計算方法，並針對不同地區規定了界限值。

我國對惡臭汙染的研究起步比較晚，參考日本的經驗，於1993年製定了惡臭汙染物排放標準，包括臭氣濃度及三甲胺、硫化氫、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳、苯乙烯8種單一惡臭物質的廠界標準及排放標準；同時，對其測定方法也作出了具體規定。下麵就就有關惡臭來源及治理方麵一簡單介紹。

1.1 惡臭來源及成分

惡臭物質是指能引起嗅覺器官多種多樣臭感的物質。目前，憑人的嗅覺感知的惡臭物質有4000多種，人類活動導致惡臭產生的環境較多，按產生源可以分為生活源和工業源。生活源是指日常生活中產生的惡臭，如家用衛生間、公廁、汙水處理廠、垃圾轉運站以及受汙染的湖泊、水溝等地方會擴散出惡臭氣體，汙染周邊環境，給家庭生活或周圍居民帶來很大的不便；工業源是指工業生產中產生的惡臭，如養殖廠、塗料廠、製藥廠、食品加工廠、化工廠等。 

惡臭氣體從其組成可分為五類。一是含硫化合物,如硫化氫、硫醇類、硫醚類等;二是含氮的化合物,如氨、胺類、酰胺、吲哚類等;三是鹵素及其衍生物,如氯氣、鹵代烴等;四是烴類,如烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴等;五是含氧的有機物,如酚、醇、醛、酮、有機酸等。從以上分類中可以看出,這些惡臭物質,除硫化氫和氨外大都為有機物。這些有機物能散發到大氣中主要是因為其沸點低揮發性強,為此我們又稱其為揮發性有機化合物,簡稱VOC(Volatile Organic Compounds)。

迄今為止還沒有找到一個統一的單位來判別惡臭味道的不同，但是人們的嗅覺器官則可以區別上千種不同的味道，從而填補了臭味無法用某個度量單位監測的不足。但這並不是說人的嗅覺最敏感。根據試驗，某些動物的嗅覺比人更敏感，其中狗是嗅覺敏感的佼佼者，它的嗅覺比人敏感100萬倍。許多人類聞不到的味道，狗可以清晰鑒別。臭味的最低嗅覺濃度為嗅閾值。嗅閾值是由經過特殊訓練的人員，最好是不吸煙的女青年，在專門配製的空氣中，憑借參加人員的嗅覺來判定的。由於每個人的感覺不一樣，所以判定時．必須有6人以上參加，取其平均值為嗅閾值。水中的臭味物質的嗅閾值用mg/L表示。空氣中的臭味物質的嗅閾值用mg/m³或mL／m³表示。表1和表2分別給出了部分惡臭物質的嗅閾值及其理化性質。

表1　幾種惡臭物質的嗅閾

表2　惡臭物質的理化性質

1.2 惡臭汙染的防治目標

惡臭汙染的防治目標之一要達到GB14554-93規定的惡臭物質排放標準,最終目的是要消除惡臭,創造一個無臭的工作、生活環境。惡臭給人的感覺量(即惡臭強度)是與惡臭物質對人嗅覺的刺激量的對數成正比,即符合Weber-Fecher定律：

I=K·logC

式中　I——人對嗅覺的感覺量;

K——常數;

C——惡臭物濃度.

上式說明,即使把惡臭物質去除90%,人的嗅覺所感覺到臭氣濃度卻隻減少一半。這就決定了防治惡臭比防治其它大氣汙染物更困難。要消除惡臭,比達到排放標準還要嚴格幾十倍至上千倍,因此必須加強對惡臭汙染的治理和研發。

1.3 惡臭物質的各種治理方法及優缺點

惡臭的脫除有別於一般大氣汙染的治理,這是由惡臭的特性決定的。(1)惡臭的汙染源分布廣泛;(2)惡臭物質的濃度一般較低,甚至低達109mol/L,且處理後要求其濃度更低;(3)臭氣一般是多組分混和物,產生惡臭的物質多達1萬種以上,氣味強度與實際的分子濃度不一定成線性關係。

目前，對於臭味的去除方法主要有：(1)化學除臭法(氧化法,吸收法,吸附法)包括燃燒法(熱力燃燒,催化燃燒)；(2)物理除臭法，如掩避法,稀釋擴散法等；(3)生物除臭法，主要是利用微生物除臭，通過微生物的生理代謝將具有臭味的物質加以轉化。

表3種所述處理方法各有其優缺點。對於大流量、低濃度的揮發性有機廢氣和惡臭氣體，使用物理和化學法處理存在投資大、操作複雜、運行成本高的問題。生物除臭方法因其具有適用範圍廣、處理效率高、無二次汙染、所需設備簡單、便於操作、運行成本低、環境負荷低和維護管理簡單方便的特點，可廣泛應用於汙水處理廠、垃圾處理場、公園中的湖泊和水溝、畜牧養殖場、食品廠、餐飲店以及辦公樓、別墅區、公廁以及家庭衛生間、冰箱及運動鞋等不同場所。隨著經濟的發展,人們對環境質量要求的提高,這種利用自然界微生物進行環境保護的生物技術將有廣闊的發展前景。

表3 除臭方法的適用範圍

2 微生物除臭技術

微生物除臭是20世紀50年代開發的一種脫臭技術。微生物除臭技術是利用能夠轉化或者降解惡臭物質的特殊微生物的高效吸附、吸收和降解作用對生活汙水和生活垃圾等散發的含硫、含氮等惡臭氣體進行淨化，將硫化氫、硫醇和氨氣等惡臭成分轉化為無害無臭的物質，達到改善空氣質量、保護人民身體健康的目標。

2.1 生物除臭的發展狀況

最早利用微生物處理惡臭的報道是1957年R.D.Pancray的“利用土壤微生物處理H₂S廢氣”的美國專利。70年代後，各國開始在這一領域開展廣泛研究，其中日本、德國取得的成就最為顯著，主要研究內容包括脫臭的基本原理和方法、裝置設備及操作工藝條件、能降解臭氣的微生物種群和其在填料表麵形成生物膜的條件、生物吸收劑的成份等。80年代以來，國外已有部分微生物除臭的產品和設備開始運用於治金、石油、化工、屠宰、汙水處理等實際中，並取得明顯效果。有效微生物種群是由日本琉球大學比嘉照夫教授研製開發的新型複合微生物菌劑。它對環境除臭具有較明顯的效果，這可能與有效微生物種群中含有光合細菌群有關。光合細菌作為有益菌群，一方麵抑製了腐敗細菌的生長，改善有機物的分解途徑，減少NH₃和H₂S的釋放量和胺類物質的產生；另一方麵它又可利用H₂S作氫受體，消耗H₂S，從而減輕環境中的惡臭，減少蚊蠅孳生。

2.2 微生物法除臭的原理

惡臭物質的活性基團一旦氧化,氣味就消失。一般認為微生物處理臭氣的基本原理是利用微生物把溶解水中的惡臭物質吸收於微生物自身體內,通過微生物的代謝活動使其降解的一種過程。基本上分為三個過程:①惡臭氣體的溶解過程,即由氣相轉變為液相的傳質過程;②溶於水中的臭氣通過微生物的細胞壁和細胞膜被微生物吸收,不溶於水的臭氣先附著在微生物體外,由微生物分泌的細胞外酶分解為可溶性物質,再滲入細胞;③臭氣進入細胞後,在體內作為營養物質為微生物所分解、利用、使臭氣得以去除。惡臭物質的生物降解是該過程的限速階段,可見微生物處於生物脫臭的核心地位。微生物消化吸收惡臭物質後產生的代謝物再作為其他微生物的養料，繼續吸收消化，如此循環使惡臭物質逐步降解。真菌生長速度快，形成的菌絲網可有效增大與氣體的接觸麵積，適用於難溶性臭氣。

從微生物除臭的原理可知,微生物除臭是多種微生物共同作用的結果。多種微生物共同作用更有利於吸收、分解產生的SO₂、H₂S、CH₄等具惡臭味的有害氣體。同時,這些微生物又可以產生無機酸,形成不利於腐敗微生物生活的酸性環境,並從根本上降解分解時產生惡臭氣體的物質。

（1）脫氮除臭　生物除氮法的應用較廣,處理底物的範圍大,產物為氮氣,無二次汙染。包含硝化反應:2NH₄⁺+3O₂=2NO₂^-+2H₂O+4Ｈ⁺,2NO₂+O₂=2NO₃;脫氮反應:2NO₃+10H⁺+10e=N₂+4H₂O+2OH^— 。硝化細菌可以進行上述生物反應。日本福岡縣一機構利用土壤、發酵雞糞、活性汙泥中培養出的微生物,使雞舍排出的惡臭氣隻需停留3.5s便可使氨減少到15mg·L^-1的低濃度。

（2）脫硫除臭　光合細菌的脫硫反應為：2H₂S+CO₂+hv=2S+H₂O+[CH₂0]，H₂S+2CO₂+2H₂O+hv= H₂SO₄+2[CH₂0]；好氣微生物的脫硫反應為：2H₂S +O₂=2H₂O+2S，2S+3O₂+2H₂O=2H₂S+O₄。發現H₂S首先被轉化為單質硫,再轉化為硫酸且硫酸為主要產物。硫氧化分中性、酸性和嗜酸性。氧化亞鐵硫杆菌等化能自養菌是脫除無機硫的主力,但自然界中去除有機硫的菌株極少,多為經變異處理的異養菌,厭養脫硫菌的研究更少。國外從不同生境中分離高效脫硫菌,如日本的研究者從活性汙泥中分離出分解甲基醚的氧化硫細菌(Thiobacillus thioparus)。測定這種菌對甲基醚的分解是把這種菌吸附在泡沫塑料上,采用填料塔方式的脫臭裝置,空塔線速度為0.10m·s^-1,其對硫化氫、甲基硫醇、甲基硫醚有很好的去除效果。

在缺氧條件下,氮與硫的聯合去除的反應如下：2H₂S+2NO₃=SO₄+S+N₂+ 2H₂O，兩者因為中和作用吸收會更快。

2.3 微生物在除臭方麵的應用進展

2.3.1 在汙水處理中的應用  

有益微生物菌群是由好氧性微生物和厭氧性微生物經複合培養而成的，其中主要的微生物種類有：乳酸菌類、酵母菌類、光合細菌類、發酵用的絲狀菌類、革蘭氏陽性放線菌類，具有淨化環境、除臭的功效。有益微生物菌群處理廢水機理是：EM菌群中既有分解性細菌，又有合成性細菌，即有好氧菌，又有厭氧菌和兼性菌。作為多種細菌共存的一種生物體，激活後的有益微生物菌群通過馴化在汙水中迅速生長繁殖，能快速分解汙水中的有機物，同時依靠相互間共生增殖及協同作用，代謝出抗氧化物質，形成穩定而複雜的生態係統，抑製有害微生物的生長繁殖，抑製含硫、氮等惡臭物質產生的臭味，激活水中具有淨化水功能的原生動物、微生物及水生植物，通過這些生物的綜合效應從而達到淨化水的目的。綜合目前研究和應用成果，有益微生物菌群在汙水處理中，具有降解有機物，減少汙染產量、分解營養鹽類物質並具有除臭功效。

在汙水處理方麵具有代表性的是日本衝繩縣具誌川市圖書館采用有益微生物菌群淨化樓層生活汙水，可顯著降低BOD，大腸菌數並具有除臭功能，達到飲用水的標準。

2.3.2 在糞便處理中的應用

隨著我國經濟的飛速發展,養殖業迅速發展壯大，由於沒有合適的處理技術方法利用，大量的畜禽糞便得不到利用，既浪費了資源用又汙染了環境，養殖場周圍大多是臭氣熏天，蚊蠅滋生，且引發各種疾病流行。

畜禽糞便的除臭分兩種途徑：第一類是以添加劑的形式加到飼料中，以增加飼料蛋白的消化吸收以及減少臭氣排放。在投入有用菌後,腸道內有用菌占優勢的腸內細菌叢，將脂肪、碳水合物、蛋白質發酵、分解、合成各種營養成分的能力顯著增強，腸道內腐敗物質的產生量極顯著減少，排出的糞便無臭味。飼喂的豬舍和牛舍滅蠅效果分別達30%～36%和65.6%，硫化氫的清除效果分別為50%和62.6%，氨氣的去除效果也較好。第二類是以控製畜禽排泄後糞便臭味為主要目的而采取的一些措施，在日本、美國等國家以有益微生物稀釋液噴灑或給畜禽飲用的大型畜禽養殖場中，困擾了多年的惡臭逐漸消失了，蒼蠅密度大大下降,畜禽變得溫順、安靜，產蛋、產肉率明顯增加。

2.3.3在生活垃圾處理中的應用

每個家庭每天都會有或多或少的生活垃圾，這些垃圾如不及時處理便會在環境中產生惡臭，誘發蠅蚊繁殖，引起環境惡化和疾病發生，影響人們的身體健康。控製垃圾惡臭有兩種途徑：(1)在沒有腐化的垃圾中加入有益菌與纖維素分解菌、木質素分解菌等組成高效微生物接種劑,進行堆肥,使之轉化成肥料重新利用。(2)在已腐化有惡臭的垃圾中加入微生物菌群,控製惡臭。

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