新型微生物抗菌除臭菌系的研究与应用（1）

1. 环境中恶臭的污染和危害

随着社会经济的飞速发展及城市化进程的不断加速，室内外环境污染问题日益突出。恶臭是指一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快和损坏生物环境的物质。恶臭作为7种典型公害之一(大气污染、水质污染、恶臭、土壤污染、噪声、振动、土地下沉)，其物质种类繁多,影响范围大,并且严重危害人体健康,它对人体的毒害是多方面的: (1)危害神经系统。长期受到一种或几种低浓度的恶臭物质刺激,首先使嗅觉脱失,继而导致大脑皮层兴奋与抑制过程的调节功能失调。有的恶臭物质,如硫化氢不仅有异臭作用,同时也对神经系统产生毒作用;(2)危害呼吸系统。当人们嗅到臭气时,会反射性地抑制吸气,妨碍正常呼吸功能;(3)危害循环系统。如氨等刺激性臭气,会使血压出现先下降后上升,脉搏先减慢后加快的变化。硫化氢还能阻碍氧的输送,而造成体内缺氧;(4)危害消化系统。经常接触恶臭物质,使人食欲不振与恶心,进而发展成为消化功能减退;(5)恶臭会使内分泌系统的分泌功能紊乱,而影响机体的代谢活动。此外氨和醛类对眼睛有刺激作用,常引起流泪、疼痛、结膜炎、角膜浮肿；（6）臭味还会阻碍人际关系的良好发展,影响个人、家庭或某一场所的外在形象。长期受到恶臭的持续作用会使人烦躁、忧郁、失眠、注意力不集中、记忆减退,从而使学习和工作效率降低。由于臭味对人体感观和健康的影响，引起世界各国的普遍重视，有关除臭技术的研究已成为环境治理工程中的一个重要的环节。

    20世纪60年代，在日本以鱼骨场、皮革厂为代表的恶臭污染投诉不断增加，促使人们开始对恶臭污染进行研究。1966年，日本宫城公害防止条例最早规定了以食盐水平衡法为基础的恶臭浓度标准。1971年颁布实施了恶臭防止法。如今，在日本恶臭和大气污染、水质污染、土壤污染、噪音、震动、地盘下沉，被列为7项典型环境公害，并制定了臭气浓度及22种单一恶臭物质的排放标准。其主要测定及评价方法包括食盐水平衡法、检知管法、六阶段臭气强度法、三点比较式臭袋法和九阶段快不快法等。美国于1971年颂布了《清洁空气法》，同时各州也规定了相应的法律和标准。恶臭的测定方法主要采用Scentometerf法和ASTM注射器法。德国在《联邦侵害防止法》及《有关空气质量的控制的技术指针》中，对有关恶臭污染作出了规定，但没有给出具体标准及测定评价方法。1986年开始采用臭气频度（1年时间内臭气存在的时间数）作为恶臭评价的参数，1993年在《环境大气中有关臭气的指令》中规定了臭气频度、臭气时间的测定及计算方法，并针对不同地区规定了界限值。

我国对恶臭污染的研究起步比较晚，参考日本的经验，于1993年制定了恶臭污染物排放标准，包括臭气浓度及三甲胺、硫化氢、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳、苯乙烯8种单一恶臭物质的厂界标准及排放标准；同时，对其测定方法也作出了具体规定。下面就就有关恶臭来源及治理方面一简单介绍。

1.1 恶臭来源及成分

恶臭物质是指能引起嗅觉器官多种多样臭感的物质。目前，凭人的嗅觉感知的恶臭物质有4000多种，人类活动导致恶臭产生的环境较多，按产生源可以分为生活源和工业源。生活源是指日常生活中产生的恶臭，如家用卫生间、公厕、污水处理厂、垃圾转运站以及受污染的湖泊、水沟等地方会扩散出恶臭气体，污染周边环境，给家庭生活或周围居民带来很大的不便；工业源是指工业生产中产生的恶臭，如养殖厂、涂料厂、制药厂、食品加工厂、化工厂等。 

恶臭气体从其组成可分为五类。一是含硫化合物,如硫化氢、硫醇类、硫醚类等;二是含氮的化合物,如氨、胺类、酰胺、吲哚类等;三是卤素及其衍生物,如氯气、卤代烃等;四是烃类,如烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等;五是含氧的有机物,如酚、醇、醛、酮、有机酸等。从以上分类中可以看出,这些恶臭物质,除硫化氢和氨外大都为有机物。这些有机物能散发到大气中主要是因为其沸点低挥发性强,为此我们又称其为挥发性有机化合物,简称VOC(Volatile Organic Compounds)。

迄今为止还没有找到一个统一的单位来判别恶臭味道的不同，但是人们的嗅觉器官则可以区别上千种不同的味道，从而填补了臭味无法用某个度量单位监测的不足。但这并不是说人的嗅觉最敏感。根据试验，某些动物的嗅觉比人更敏感，其中狗是嗅觉敏感的佼佼者，它的嗅觉比人敏感100万倍。许多人类闻不到的味道，狗可以清晰鉴别。臭味的最低嗅觉浓度为嗅阈值。嗅阈值是由经过特殊训练的人员，最好是不吸烟的女青年，在专门配制的空气中，凭借参加人员的嗅觉来判定的。由于每个人的感觉不一样，所以判定时．必须有6人以上参加，取其平均值为嗅阈值。水中的臭味物质的嗅阈值用mg/L表示。空气中的臭味物质的嗅阈值用mg/m³或mL／m³表示。表1和表2分别给出了部分恶臭物质的嗅阈值及其理化性质。

表1　几种恶臭物质的嗅阈

表2　恶臭物质的理化性质

1.2 恶臭污染的防治目标

恶臭污染的防治目标之一要达到GB14554-93规定的恶臭物质排放标准,最终目的是要消除恶臭,创造一个无臭的工作、生活环境。恶臭给人的感觉量(即恶臭强度)是与恶臭物质对人嗅觉的刺激量的对数成正比,即符合Weber-Fecher定律：

I=K·logC

式中　I——人对嗅觉的感觉量;

K——常数;

C——恶臭物浓度.

上式说明,即使把恶臭物质去除90%,人的嗅觉所感觉到臭气浓度却只减少一半。这就决定了防治恶臭比防治其它大气污染物更困难。要消除恶臭,比达到排放标准还要严格几十倍至上千倍,因此必须加强对恶臭污染的治理和研发。

1.3 恶臭物质的各种治理方法及优缺点

恶臭的脱除有别于一般大气污染的治理,这是由恶臭的特性决定的。(1)恶臭的污染源分布广泛;(2)恶臭物质的浓度一般较低,甚至低达109mol/L,且处理后要求其浓度更低;(3)臭气一般是多组分混和物,产生恶臭的物质多达1万种以上,气味强度与实际的分子浓度不一定成线性关系。

目前，对于臭味的去除方法主要有：(1)化学除臭法(氧化法,吸收法,吸附法)包括燃烧法(热力燃烧,催化燃烧)；(2)物理除臭法，如掩避法,稀释扩散法等；(3)生物除臭法，主要是利用微生物除臭，通过微生物的生理代谢将具有臭味的物质加以转化。

表3种所述处理方法各有其优缺点。对于大流量、低浓度的挥发性有机废气和恶臭气体，使用物理和化学法处理存在投资大、操作复杂、运行成本高的问题。生物除臭方法因其具有适用范围广、处理效率高、无二次污染、所需设备简单、便于操作、运行成本低、环境负荷低和维护管理简单方便的特点，可广泛应用于污水处理厂、垃圾处理场、公园中的湖泊和水沟、畜牧养殖场、食品厂、餐饮店以及办公楼、别墅区、公厕以及家庭卫生间、冰箱及运动鞋等不同场所。随着经济的发展,人们对环境质量要求的提高,这种利用自然界微生物进行环境保护的生物技术将有广阔的发展前景。

表3 除臭方法的适用范围

2 微生物除臭技术

微生物除臭是20世纪50年代开发的一种脱臭技术。微生物除臭技术是利用能够转化或者降解恶臭物质的特殊微生物的高效吸附、吸收和降解作用对生活污水和生活垃圾等散发的含硫、含氮等恶臭气体进行净化，将硫化氢、硫醇和氨气等恶臭成分转化为无害无臭的物质，达到改善空气质量、保护人民身体健康的目标。

2.1 生物除臭的发展状况

最早利用微生物处理恶臭的报道是1957年R.D.Pancray的“利用土壤微生物处理H₂S废气”的美国专利。70年代后，各国开始在这一领域开展广泛研究，其中日本、德国取得的成就最为显著，主要研究内容包括脱臭的基本原理和方法、装置设备及操作工艺条件、能降解臭气的微生物种群和其在填料表面形成生物膜的条件、生物吸收剂的成份等。80年代以来，国外已有部分微生物除臭的产品和设备开始运用于治金、石油、化工、屠宰、污水处理等实际中，并取得明显效果。有效微生物种群是由日本琉球大学比嘉照夫教授研制开发的新型复合微生物菌剂。它对环境除臭具有较明显的效果，这可能与有效微生物种群中含有光合细菌群有关。光合细菌作为有益菌群，一方面抑制了腐败细菌的生长，改善有机物的分解途径，减少NH₃和H₂S的释放量和胺类物质的产生；另一方面它又可利用H₂S作氢受体，消耗H₂S，从而减轻环境中的恶臭，减少蚊蝇孳生。

2.2 微生物法除臭的原理

恶臭物质的活性基团一旦氧化,气味就消失。一般认为微生物处理臭气的基本原理是利用微生物把溶解水中的恶臭物质吸收于微生物自身体内,通过微生物的代谢活动使其降解的一种过程。基本上分为三个过程:①恶臭气体的溶解过程,即由气相转变为液相的传质过程;②溶于水中的臭气通过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物吸收,不溶于水的臭气先附着在微生物体外,由微生物分泌的细胞外酶分解为可溶性物质,再渗入细胞;③臭气进入细胞后,在体内作为营养物质为微生物所分解、利用、使臭气得以去除。恶臭物质的生物降解是该过程的限速阶段,可见微生物处于生物脱臭的核心地位。微生物消化吸收恶臭物质后产生的代谢物再作为其他微生物的养料，继续吸收消化，如此循环使恶臭物质逐步降解。真菌生长速度快，形成的菌丝网可有效增大与气体的接触面积，适用于难溶性臭气。

从微生物除臭的原理可知,微生物除臭是多种微生物共同作用的结果。多种微生物共同作用更有利于吸收、分解产生的SO₂、H₂S、CH₄等具恶臭味的有害气体。同时,这些微生物又可以产生无机酸,形成不利于腐败微生物生活的酸性环境,并从根本上降解分解时产生恶臭气体的物质。

（1）脱氮除臭　生物除氮法的应用较广,处理底物的范围大,产物为氮气,无二次污染。包含硝化反应:2NH₄⁺+3O₂=2NO₂^-+2H₂O+4Ｈ⁺,2NO₂+O₂=2NO₃;脱氮反应:2NO₃+10H⁺+10e=N₂+4H₂O+2OH^— 。硝化细菌可以进行上述生物反应。日本福冈县一机构利用土壤、发酵鸡粪、活性污泥中培养出的微生物,使鸡舍排出的恶臭气只需停留3.5s便可使氨减少到15mg·L^-1的低浓度。

（2）脱硫除臭　光合细菌的脱硫反应为：2H₂S+CO₂+hv=2S+H₂O+[CH₂0]，H₂S+2CO₂+2H₂O+hv= H₂SO₄+2[CH₂0]；好气微生物的脱硫反应为：2H₂S +O₂=2H₂O+2S，2S+3O₂+2H₂O=2H₂S+O₄。发现H₂S首先被转化为单质硫,再转化为硫酸且硫酸为主要产物。硫氧化分中性、酸性和嗜酸性。氧化亚铁硫杆菌等化能自养菌是脱除无机硫的主力,但自然界中去除有机硫的菌株极少,多为经变异处理的异养菌,厌养脱硫菌的研究更少。国外从不同生境中分离高效脱硫菌,如日本的研究者从活性污泥中分离出分解甲基醚的氧化硫细菌(Thiobacillus thioparus)。测定这种菌对甲基醚的分解是把这种菌吸附在泡沫塑料上,采用填料塔方式的脱臭装置,空塔线速度为0.10m·s^-1,其对硫化氢、甲基硫醇、甲基硫醚有很好的去除效果。

在缺氧条件下,氮与硫的联合去除的反应如下：2H₂S+2NO₃=SO₄+S+N₂+ 2H₂O，两者因为中和作用吸收会更快。

2.3 微生物在除臭方面的应用进展

2.3.1 在污水处理中的应用  

有益微生物菌群是由好氧性微生物和厌氧性微生物经复合培养而成的，其中主要的微生物种类有：乳酸菌类、酵母菌类、光合细菌类、发酵用的丝状菌类、革兰氏阳性放线菌类，具有净化环境、除臭的功效。有益微生物菌群处理废水机理是：EM菌群中既有分解性细菌，又有合成性细菌，即有好氧菌，又有厌氧菌和兼性菌。作为多种细菌共存的一种生物体，激活后的有益微生物菌群通过驯化在污水中迅速生长繁殖，能快速分解污水中的有机物，同时依靠相互间共生增殖及协同作用，代谢出抗氧化物质，形成稳定而复杂的生态系统，抑制有害微生物的生长繁殖，抑制含硫、氮等恶臭物质产生的臭味，激活水中具有净化水功能的原生动物、微生物及水生植物，通过这些生物的综合效应从而达到净化水的目的。综合目前研究和应用成果，有益微生物菌群在污水处理中，具有降解有机物，减少污染产量、分解营养盐类物质并具有除臭功效。

在污水处理方面具有代表性的是日本冲绳县具志川市图书馆采用有益微生物菌群净化楼层生活污水，可显著降低BOD，大肠菌数并具有除臭功能，达到饮用水的标准。

2.3.2 在粪便处理中的应用

随着我国经济的飞速发展,养殖业迅速发展壮大，由于没有合适的处理技术方法利用，大量的畜禽粪便得不到利用，既浪费了资源用又污染了环境，养殖场周围大多是臭气熏天，蚊蝇滋生，且引发各种疾病流行。

畜禽粪便的除臭分两种途径：第一类是以添加剂的形式加到饲料中，以增加饲料蛋白的消化吸收以及减少臭气排放。在投入有用菌后,肠道内有用菌占优势的肠内细菌丛，将脂肪、碳水合物、蛋白质发酵、分解、合成各种营养成分的能力显著增强，肠道内腐败物质的产生量极显著减少，排出的粪便无臭味。饲喂的猪舍和牛舍灭蝇效果分别达30%～36%和65.6%，硫化氢的清除效果分别为50%和62.6%，氨气的去除效果也较好。第二类是以控制畜禽排泄后粪便臭味为主要目的而采取的一些措施，在日本、美国等国家以有益微生物稀释液喷洒或给畜禽饮用的大型畜禽养殖场中，困扰了多年的恶臭逐渐消失了，苍蝇密度大大下降,畜禽变得温顺、安静，产蛋、产肉率明显增加。

2.3.3在生活垃圾处理中的应用

每个家庭每天都会有或多或少的生活垃圾，这些垃圾如不及时处理便会在环境中产生恶臭，诱发蝇蚊繁殖，引起环境恶化和疾病发生，影响人们的身体健康。控制垃圾恶臭有两种途径：(1)在没有腐化的垃圾中加入有益菌与纤维素分解菌、木质素分解菌等组成高效微生物接种剂,进行堆肥,使之转化成肥料重新利用。(2)在已腐化有恶臭的垃圾中加入微生物菌群,控制恶臭。

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