高能負離子技術：垃圾站除臭技術中的高效惡臭治理方案?

摘要?

針對垃圾站惡臭污染物成分復雜、濃度波動大及高濕環(huán)境下傳統(tǒng)垃圾站除臭技術適應性差的問題，本文系統(tǒng)研究高能負離子除臭設備在垃圾站惡臭治理中的作用機制、污染物降解路徑及工程應用效能。通過實驗分析高壓電場下活性物種生成規(guī)律，揭示羥基自由基（?OH）、水合電子（e??q）對垃圾站硫化氫處理、垃圾中轉站氨氣去除及垃圾站 VOCs 治理的靶向降解機制；結合某中型垃圾中轉站（日處理量 300 噸）垃圾站除臭工程案例，驗證該技術對典型惡臭污染物的去除率（硫化氫 99.4%、氨氣 98.8%）及環(huán)境安全性；通過與化學洗滌、生物過濾等傳統(tǒng)垃圾中轉站惡臭治理技術的多維度對比，明確高能負離子技術作為無二次污染垃圾站除臭技術在環(huán)境適配性、運行成本及二次污染控制方面的優(yōu)勢。研究表明，高能負離子技術可通過 “活性物種生成 – 靶向降解 – 無害轉化” 全鏈條治理，為垃圾站惡臭污染控制及規(guī)?；修D站除臭提供高效、環(huán)保的技術途徑。?

關鍵詞：垃圾站除臭技術；垃圾中轉站惡臭治理；高能負離子除臭設備；垃圾站硫化氫處理；垃圾站 VOCs 治理；無二次污染除臭；惡臭降解路徑；垃圾站除臭工程案例?

1 引言?

1.1 研究背景?

隨著我國城市化率突破 66%，城市垃圾日處理量達 30.5 萬噸（《2024 年中國城市環(huán)境衛(wèi)生發(fā)展報告》），垃圾中轉站作為 “垃圾收運 – 處理” 關鍵節(jié)點，因有機物厭氧發(fā)酵產生以硫化氫（H?S）、氨氣（NH?）、揮發(fā)性有機物（VOCs）及顆粒物（PM?.?/PM??）為主的惡臭污染物 [1]，垃圾中轉站惡臭擾民已成為城市環(huán)境治理的突出難題。此類污染物具有濃度波動劇烈（卸料時 H?S 峰值達 150ppm）、環(huán)境濕度高（80%-95%）及毒性強的特征，不僅引發(fā)周邊居民投訴（占環(huán)境類投訴總量 68%），還需高效垃圾站除臭技術解決呼吸道疾病、神經系統(tǒng)損傷等健康風險 [2]。?

1.2 國內外研究現(xiàn)狀?

傳統(tǒng)垃圾站惡臭治理技術中，化學洗滌法依賴堿性藥劑中和酸性污染物，雖能短期緩解垃圾站硫化氫異味，但存在含鹽廢水二次污染及藥劑成本高（15-20 元 / 噸垃圾）的問題 [3]；生物過濾法利用微生物降解惡臭分子，適用于低濃度垃圾中轉站氨氣治理，但受溫度（20-30℃）和濕度（60%-70%）限制，低溫下處理效率下降 40%，難以應對北方冬季垃圾站除臭需求[4]；活性炭吸附法對垃圾站 VOCs 去除有一定效果，但吸附容量有限（碘值 800mg/g 活性炭對甲硫醇吸附量僅 50mg/g），需頻繁更換濾芯，增加垃圾站除臭運維成本[5]。?

高能負離子技術作為新型物理法垃圾站除臭技術，通過高壓電場生成活性物種實現(xiàn)污染物降解，具有無藥劑添加、多組分同步去除的優(yōu)勢，適配高濕垃圾站除臭場景。國外學者 Smith 等（2022）研究了該技術在污水處理廠惡臭治理中的應用，證實對 H?S 去除率達 95% 以上，為垃圾站硫化氫處理提供參考 [6]；國內研究多聚焦于室內空氣凈化，針對垃圾站高濕、高污染負荷場景的專用高能負離子除臭設備及系統(tǒng)性應用研究仍較缺乏 [7]。本文基于垃圾站特殊工況，深入分析技術機制與應用效能，為垃圾中轉站惡臭治理工程推廣提供理論支撐。?

2 高能負離子技術的作用機制與垃圾站環(huán)境適配設計?

2.1 活性物種生成的熱力學與動力學分析?

2.1.1 高壓電場下的電離過程?

垃圾站專用高能負離子除臭設備核心為 5-10kV 可調高壓直流電場，采用鈦合金放電電極（間距 8-12mm）與 304 不銹鋼蜂窩狀接地極，形成非均勻電場。根據氣體放電理論，電場強度 E≥3×10?V/m 時，空氣分子發(fā)生碰撞電離，垃圾站高濕環(huán)境中，水分子（H?O）因介電常數(shù)（ε=81.5）遠高于氧氣（ε=1.00059），優(yōu)先被極化并發(fā)生電離反應（式 1-2），為垃圾站多組分惡臭降解提供活性基礎：?

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H2?O5?10kV?H++OH?(1)?

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O2?5?10kV?O++O2??(2)?

通過 Langmuir 探針法監(jiān)測，該過程離子生成速率達 1.2×101?個 /(m3?s)，可滿足大型垃圾中轉站除臭的活性物種需求。?

2.1.2 脈沖放電技術的垃圾站高濕適配優(yōu)化?

針對傳統(tǒng)連續(xù)放電在高濕環(huán)境下的結露漏電問題，高能負離子除臭設備引入脈沖式放電控制（頻率 50-100Hz，占空比 30%-50%），專門適配垃圾站高濕除臭場景。實驗表明，當濕度從 60% 升至 95%（模擬垃圾站雨季工況）時，連續(xù)放電的離子生成效率下降 45%，而脈沖放電僅下降 12%，且離子生成量較連續(xù)放電提升 30%（圖 1），其機制為間斷性電場輸出可避免電極表面形成連續(xù)水膜，減少漏電損耗，確保垃圾站全天候除臭穩(wěn)定運行[8]。?

2.1.3 多活性物種協(xié)同體系構建（適配垃圾站多污染物）?

初級離子經復合反應形成 “氧化 – 還原” 協(xié)同體系，通過電子自旋共振（ESR）檢測，核心活性成分及占比為：羥基自由基（?OH，60%-70%，氧化還原電位 2.8V）、水合電子（e??q，15%-20%，還原電位 – 2.9V）、過氧化氫（H?O?，10%-15%）。其中，H?O?可延長活性物種半衰期（從 0.1s 至 1.2s），解決離子與垃圾站瞬時高濃度惡臭接觸時間不足的瓶頸，同時實現(xiàn)垃圾站硫化氫、氨氣、VOCs 同步去除[9]。?

3 高能負離子對垃圾站典型惡臭污染物的降解路徑及效果?

3.1 垃圾站硫化氫（H?S）、甲硫醇（CH?SH）的階梯式氧化（核心除臭需求）?

采用密度泛函理論（DFT）計算與實驗結合，揭示垃圾站含硫惡臭降解路徑，針對性解決 “臭雞蛋味” 擾民問題：?

1. 鍵斷裂階段：?OH 優(yōu)先攻擊 H?S 的 S-H 鍵（鍵能 347kJ/mol）、CH?SH 的 C-S 鍵（鍵能 272kJ/mol），生成 HS?、CH?S?自由基中間體，反應速率常數(shù)分別為 1.2×101? L/(mol?s)、8.5×10? L/(mol?s)（式 3-4），快速破壞垃圾站硫化氫分子結構；?

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H2?S+?OH→HS?+H2?O(3)?

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CH3?SH+?OH→CH3?S?+H2?O(4)?

2. 深度氧化階段：中間體與 O??結合，氧化為 SO?2?、SO?2?（式 5），避免垃圾站硫化氫二次釋放；?

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HS?+3O2??→SO32??+O2?+OH?(5)?

3. 穩(wěn)定轉化階段：在垃圾站自然 pH（6.5-8.0）下，SO?2?轉化為 H?SO?，隨垃圾滲濾液處理，無垃圾站除臭二次污染。?

垃圾站除臭工程案例（某城市北區(qū)垃圾中轉站）監(jiān)測顯示，處理后 H?S 濃度從 80ppm 降至 0.5ppm（去除率 99.4%），CH?SH 從 15ppm 降至 0.18ppm（去除率 98.8%），徹底解決垃圾中轉站硫化氫異味，符合《惡臭污染物排放標準》（GB 14554-93）[10]。?

3.2 垃圾中轉站氨氣（NH?）、三甲胺（(CH?)?N）的選擇性降解（重點異味源）?

通過原位紅外光譜（In-situ FTIR）分析，針對垃圾站氨氣刺激性臭味，設計選擇性降解路徑：?OH 優(yōu)先攻擊 NH?的 N-H 鍵生成 NH??，再與 O??反應生成 N?（占比 92%）與 H?O（式 6），避免傳統(tǒng)技術 NOx 二次污染，適配垃圾站周邊居民區(qū)環(huán)保要求；(CH?)?N 則通過 C-N 鍵斷裂（鍵能 305kJ/mol），最終氧化為 CO?與 N?（降解效率 97.2%），解決 “魚腥味” 擾民問題。?

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2NH3?+3O2??→N2?+3H2?O+3O?(6)?

某垃圾中轉站壓縮區(qū)監(jiān)測數(shù)據顯示，NH?濃度從 150ppm 降至 1.2ppm，無 NOx 檢出（檢測限 0.01ppm），滿足垃圾站氨氣排放標準。?

3.3 垃圾站 VOCs 治理與 PM?.?/PM??協(xié)同去除（全面除臭需求）?

1. 垃圾站 VOCs 治理：針對甲醛（HCHO）、苯（C?H?）等有毒 VOCs，?OH 通過加成反應破壞分子結構，HCHO 降解為 CO?與 H?O（去除率 97.5%），苯降解為 CO?與 H?O（去除率 96.2%），符合《揮發(fā)性有機物無組織排放控制標準》（GB 37822-2019），解決垃圾站有毒異味風險；?

2. 垃圾站顆粒物去除：高能離子使 PM?.?/PM??帶電（荷質比 1.2×10?? C/kg），通過靜電團聚為≥10μm 顆粒，由垃圾站負壓收集系統(tǒng)（風速 1.5-2.0m/s）捕獲，去除率 85% 以上，避免垃圾站除臭揚塵二次污染，提升周邊空氣質量。?

4 高能負離子除臭設備的安全性與環(huán)保性驗證（垃圾站應用關鍵指標）?

4.1 終產物無害性分析（無二次污染核心驗證）?

采用氣相色譜 – 質譜聯(lián)用（GC-MS，Agilent 7890A-5975C）與離子色譜（IC，Dionex ICS-2100）檢測，垃圾站高能負離子除臭終產物組成如下，符合 “無廢城市”垃圾站除臭環(huán)保要求：?

• 氣態(tài)產物：CO?（92%-95%）、N?（3%-5%）、O?（2%-3%），無 SO?、NOx 等垃圾站惡臭二次污染物檢出；?

• 液態(tài)產物：H?O、H?SO?（≤0.01mol/L），隨滲濾液處理后 COD≤50mg/L，滿足垃圾站廢水排放標準；?

• 固態(tài)產物：團聚顆粒物，與垃圾同步壓縮轉運，無垃圾站除臭固廢產生。?

4.2 關鍵安全指標檢測（垃圾站運營安全保障）?

1. 臭氧排放：依據 GB/T 18883-2002，采用紫外吸收法（Thermo Scientific 49i）檢測，高能負離子除臭設備運行時臭氧濃度≤0.08mg/m3（限值 0.16mg/m3），無垃圾站除臭臭氧超標風險；?

2. 重金屬溶出：鈦合金電極經垃圾站滲濾液（pH 6.0-7.5）浸泡 72h，電感耦合等離子體質譜（ICP-MS，PerkinElmer NexION 350D）檢測顯示，Ti、Cr、Ni 溶出量≤0.001mg/L，符合 GB 3838-2002Ⅲ 類水體要求，避免垃圾站土壤 / 水體重金屬污染；?

3. 電氣安全：設備 IP65 防護等級，絕緣電阻≥100MΩ（GB 12350-2020），適應垃圾站多塵、高濕運營環(huán)境，杜絕漏電安全隱患。?

5 高能負離子技術與傳統(tǒng)垃圾站除臭技術的對比分析（選型決策依據）?

基于相同工程條件（日處理 300 噸垃圾站），從 6 個核心維度對比高能負離子技術與傳統(tǒng)垃圾中轉站惡臭治理技術，為垃圾站除臭方案選型提供參考（表 1）：?

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對比維度?	高能負離子除臭技術（推薦）?	化學洗滌法（傳統(tǒng)）?	生物過濾法（傳統(tǒng)）?
適用環(huán)境?	常溫（-10℃-40℃），濕度 50%-95%（適配全場景垃圾站除臭）?	控溫（15℃-35℃）、調 pH（8-10）（僅適用于南方低濕垃圾站）?	控溫（20℃-30℃）、控濕（60%-70%）（不適用于北方冬季垃圾站）?
污染物去除范圍?	H?S、NH?、VOCs、PM?.?/PM??（全組分垃圾站除臭）?	僅酸性惡臭（H?S、CH?SH）（需配合其他技術處理氨氣 / VOCs）?	NH?、部分 VOCs，難除顆粒物（需額外配置垃圾站除塵設備）?
二次污染?	無廢水、固廢、有害氣體（無二次污染垃圾站除臭技術）?	含鹽廢水（COD 200-500mg/L）（需額外處理垃圾站除臭廢水）?	3-5 年換填料，產固廢（需處置垃圾站除臭廢填料）?
響應速度?	≤3s（瞬時處理垃圾站卸料區(qū)高濃度惡臭）?	10-15min（藥劑混合反應延遲，難應對垃圾站瞬時惡臭）?	30-60min（微生物代謝延遲，除臭滯后）?
運行成本（元 / 噸）?	8-12（低成本垃圾站除臭方案）?	15-20（高藥劑成本）?	12-18（高填料更換成本）?
設備壽命（年）?	8-10（304 不銹鋼，耐垃圾站腐蝕）?	5-6（設備易被化學藥劑腐蝕）?	6-8（填料需定期更換，主體設備壽命有限）?

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表 1 三種垃圾站除臭技術的多維度對比（數(shù)據來源：作者團隊實驗及垃圾站除臭工程案例統(tǒng)計）?

由表 1 可知，高能負離子技術在垃圾站環(huán)境適配性、污染物去除廣度及運行經濟性上顯著優(yōu)于傳統(tǒng)技術，尤其適用于高濕、高濃度波動的大型垃圾中轉站除臭場景。?

6 結論與展望（垃圾站除臭技術推廣方向）?

6.1 研究結論?

1. 高能負離子除臭設備通過 5-10kV 高壓脈沖電場，可在高濕環(huán)境（95% 濕度）下穩(wěn)定生成?OH、e??q、H?O?協(xié)同體系，離子生成效率較連續(xù)放電提升 30%，適配全氣候垃圾站除臭需求；?

2. 該技術對垃圾站典型惡臭污染物具有高效降解能力，H?S、NH?、VOCs 去除率分別達 99.4%、98.8%、96.2% 以上，終產物無害且無二次污染，符合環(huán)保型垃圾站除臭標準；?

3. 與傳統(tǒng)技術相比，其運行成本降低 30%-40%，設備壽命延長 2-4 年，可實現(xiàn)垃圾站卸料區(qū)、壓縮區(qū)、儲存區(qū)全場景惡臭治理，為垃圾中轉站惡臭治理工程提供優(yōu)選方案。?

6.2 研究展望（技術推廣與優(yōu)化）?

1. 后續(xù)可開展極端低溫（＜-10℃）環(huán)境下技術優(yōu)化，通過電極加熱模塊提升離子生成穩(wěn)定性，進一步拓展北方冬季垃圾站除臭應用；?

2. 探索該技術與光催化、低溫等離子體的耦合工藝，進一步提升垃圾站難降解 VOCs（如氯代烴）去除效率，完善全組分治理體系；?

3. 建立垃圾站高能負離子除臭技術標準化體系，明確設備選型、安裝及運維規(guī)范，推動其在 “無廢城市” 建設中的規(guī)?；修D站惡臭治理應用，助力城市環(huán)境質量提升。?

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