高能负离子技术：垃圾站除臭技术中的高效恶臭治理方案

高能负离子技术：垃圾站除臭技术中的高效恶臭治理方案​

摘要​

针对垃圾站恶臭污染物成分复杂、浓度波动大及高湿环境下传统垃圾站除臭技术适应性差的问题，本文系统研究高能负离子除臭设备在垃圾站恶臭治理中的作用机制、污染物降解路径及工程应用效能。通过实验分析高压电场下活性物种生成规律，揭示羟基自由基（・OH）、水合电子（e⁻ₐq）对垃圾站硫化氢处理、垃圾中转站氨气去除及垃圾站 VOCs 治理的靶向降解机制；结合某中型垃圾中转站（日处理量 300 吨）垃圾站除臭工程案例，验证该技术对典型恶臭污染物的去除率（硫化氢 99.4%、氨气 98.8%）及环境安全性；通过与化学洗涤、生物过滤等传统垃圾中转站恶臭治理技术的多维度对比，明确高能负离子技术作为无二次污染垃圾站除臭技术在环境适配性、运行成本及二次污染控制方面的优势。研究表明，高能负离子技术可通过 “活性物种生成 – 靶向降解 – 无害转化” 全链条治理，为垃圾站恶臭污染控制及规模化垃圾中转站除臭提供高效、环保的技术途径。​

关键词：垃圾站除臭技术；垃圾中转站恶臭治理；高能负离子除臭设备；垃圾站硫化氢处理；垃圾站 VOCs 治理；无二次污染除臭；恶臭降解路径；垃圾站除臭工程案例​

1 引言​

1.1 研究背景​

随着我国城市化率突破 66%，城市垃圾日处理量达 30.5 万吨（《2024 年中国城市环境卫生发展报告》），垃圾中转站作为 “垃圾收运 – 处理” 关键节点，因有机物厌氧发酵产生以硫化氢（H₂S）、氨气（NH₃）、挥发性有机物（VOCs）及颗粒物（PM₂.₅/PM₁₀）为主的恶臭污染物 [1]，垃圾中转站恶臭扰民已成为城市环境治理的突出难题。此类污染物具有浓度波动剧烈（卸料时 H₂S 峰值达 150ppm）、环境湿度高（80%-95%）及毒性强的特征，不仅引发周边居民投诉（占环境类投诉总量 68%），还需高效垃圾站除臭技术解决呼吸道疾病、神经系统损伤等健康风险 [2]。​

1.2 国内外研究现状​

传统垃圾站恶臭治理技术中，化学洗涤法依赖碱性药剂中和酸性污染物，虽能短期缓解垃圾站硫化氢异味，但存在含盐废水二次污染及药剂成本高（15-20 元 / 吨垃圾）的问题 [3]；生物过滤法利用微生物降解恶臭分子，适用于低浓度垃圾中转站氨气治理，但受温度（20-30℃）和湿度（60%-70%）限制，低温下处理效率下降 40%，难以应对北方冬季垃圾站除臭需求[4]；活性炭吸附法对垃圾站 VOCs 去除有一定效果，但吸附容量有限（碘值 800mg/g 活性炭对甲硫醇吸附量仅 50mg/g），需频繁更换滤芯，增加垃圾站除臭运维成本[5]。​

高能负离子技术作为新型物理法垃圾站除臭技术，通过高压电场生成活性物种实现污染物降解，具有无药剂添加、多组分同步去除的优势，适配高湿垃圾站除臭场景。国外学者 Smith 等（2022）研究了该技术在污水处理厂恶臭治理中的应用，证实对 H₂S 去除率达 95% 以上，为垃圾站硫化氢处理提供参考 [6]；国内研究多聚焦于室内空气净化，针对垃圾站高湿、高污染负荷场景的专用高能负离子除臭设备及系统性应用研究仍较缺乏 [7]。本文基于垃圾站特殊工况，深入分析技术机制与应用效能，为垃圾中转站恶臭治理工程推广提供理论支撑。​

2 高能负离子技术的作用机制与垃圾站环境适配设计​

2.1 活性物种生成的热力学与动力学分析​

2.1.1 高压电场下的电离过程​

垃圾站专用高能负离子除臭设备核心为 5-10kV 可调高压直流电场，采用钛合金放电电极（间距 8-12mm）与 304 不锈钢蜂窝状接地极，形成非均匀电场。根据气体放电理论，电场强度 E≥3×10⁶V/m 时，空气分子发生碰撞电离，垃圾站高湿环境中，水分子（H₂O）因介电常数（ε=81.5）远高于氧气（ε=1.00059），优先被极化并发生电离反应（式 1-2），为垃圾站多组分恶臭降解提供活性基础：​

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H2​O5−10kV​H++OH−(1)​

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O2​5−10kV​O++O2−​(2)​

通过 Langmuir 探针法监测，该过程离子生成速率达 1.2×10¹⁵个 /(m³・s)，可满足大型垃圾中转站除臭的活性物种需求。​

2.1.2 脉冲放电技术的垃圾站高湿适配优化​

针对传统连续放电在高湿环境下的结露漏电问题，高能负离子除臭设备引入脉冲式放电控制（频率 50-100Hz，占空比 30%-50%），专门适配垃圾站高湿除臭场景。实验表明，当湿度从 60% 升至 95%（模拟垃圾站雨季工况）时，连续放电的离子生成效率下降 45%，而脉冲放电仅下降 12%，且离子生成量较连续放电提升 30%（图 1），其机制为间断性电场输出可避免电极表面形成连续水膜，减少漏电损耗，确保垃圾站全天候除臭稳定运行[8]。​

2.1.3 多活性物种协同体系构建（适配垃圾站多污染物）​

初级离子经复合反应形成 “氧化 – 还原” 协同体系，通过电子自旋共振（ESR）检测，核心活性成分及占比为：羟基自由基（・OH，60%-70%，氧化还原电位 2.8V）、水合电子（e⁻ₐq，15%-20%，还原电位 – 2.9V）、过氧化氢（H₂O₂，10%-15%）。其中，H₂O₂可延长活性物种半衰期（从 0.1s 至 1.2s），解决离子与垃圾站瞬时高浓度恶臭接触时间不足的瓶颈，同时实现垃圾站硫化氢、氨气、VOCs 同步去除[9]。​

3 高能负离子对垃圾站典型恶臭污染物的降解路径及效果​

3.1 垃圾站硫化氢（H₂S）、甲硫醇（CH₃SH）的阶梯式氧化（核心除臭需求）​

采用密度泛函理论（DFT）计算与实验结合，揭示垃圾站含硫恶臭降解路径，针对性解决 “臭鸡蛋味” 扰民问题：​

1. 键断裂阶段：・OH 优先攻击 H₂S 的 S-H 键（键能 347kJ/mol）、CH₃SH 的 C-S 键（键能 272kJ/mol），生成 HS・、CH₃S・自由基中间体，反应速率常数分别为 1.2×10¹⁰ L/(mol・s)、8.5×10⁹ L/(mol・s)（式 3-4），快速破坏垃圾站硫化氢分子结构；​

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H2​S+⋅OH→HS⋅+H2​O(3)​

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CH3​SH+⋅OH→CH3​S⋅+H2​O(4)​

2. 深度氧化阶段：中间体与 O₂⁻结合，氧化为 SO₃²⁻、SO₄²⁻（式 5），避免垃圾站硫化氢二次释放；​

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HS⋅+3O2−​→SO32−​+O2​+OH−(5)​

3. 稳定转化阶段：在垃圾站自然 pH（6.5-8.0）下，SO₃²⁻转化为 H₂SO₄，随垃圾渗滤液处理，无垃圾站除臭二次污染。​

垃圾站除臭工程案例（某城市北区垃圾中转站）监测显示，处理后 H₂S 浓度从 80ppm 降至 0.5ppm（去除率 99.4%），CH₃SH 从 15ppm 降至 0.18ppm（去除率 98.8%），彻底解决垃圾中转站硫化氢异味，符合《恶臭污染物排放标准》（GB 14554-93）[10]。​

3.2 垃圾中转站氨气（NH₃）、三甲胺（(CH₃)₃N）的选择性降解（重点异味源）​

通过原位红外光谱（In-situ FTIR）分析，针对垃圾站氨气刺激性臭味，设计选择性降解路径：・OH 优先攻击 NH₃的 N-H 键生成 NH₂・，再与 O₂⁻反应生成 N₂（占比 92%）与 H₂O（式 6），避免传统技术 NOx 二次污染，适配垃圾站周边居民区环保要求；(CH₃)₃N 则通过 C-N 键断裂（键能 305kJ/mol），最终氧化为 CO₂与 N₂（降解效率 97.2%），解决 “鱼腥味” 扰民问题。​

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2NH3​+3O2−​→N2​+3H2​O+3O−(6)​

某垃圾中转站压缩区监测数据显示，NH₃浓度从 150ppm 降至 1.2ppm，无 NOx 检出（检测限 0.01ppm），满足垃圾站氨气排放标准。​

3.3 垃圾站 VOCs 治理与 PM₂.₅/PM₁₀协同去除（全面除臭需求）​

1. 垃圾站 VOCs 治理：针对甲醛（HCHO）、苯（C₆H₆）等有毒 VOCs，・OH 通过加成反应破坏分子结构，HCHO 降解为 CO₂与 H₂O（去除率 97.5%），苯降解为 CO₂与 H₂O（去除率 96.2%），符合《挥发性有机物无组织排放控制标准》（GB 37822-2019），解决垃圾站有毒异味风险；​

2. 垃圾站颗粒物去除：高能离子使 PM₂.₅/PM₁₀带电（荷质比 1.2×10⁻⁴ C/kg），通过静电团聚为≥10μm 颗粒，由垃圾站负压收集系统（风速 1.5-2.0m/s）捕获，去除率 85% 以上，避免垃圾站除臭扬尘二次污染，提升周边空气质量。​

4 高能负离子除臭设备的安全性与环保性验证（垃圾站应用关键指标）​

4.1 终产物无害性分析（无二次污染核心验证）​

采用气相色谱 – 质谱联用（GC-MS，Agilent 7890A-5975C）与离子色谱（IC，Dionex ICS-2100）检测，垃圾站高能负离子除臭终产物组成如下，符合 “无废城市”垃圾站除臭环保要求：​

• 气态产物：CO₂（92%-95%）、N₂（3%-5%）、O₂（2%-3%），无 SO₂、NOx 等垃圾站恶臭二次污染物检出；​

• 液态产物：H₂O、H₂SO₄（≤0.01mol/L），随渗滤液处理后 COD≤50mg/L，满足垃圾站废水排放标准；​

• 固态产物：团聚颗粒物，与垃圾同步压缩转运，无垃圾站除臭固废产生。​

4.2 关键安全指标检测（垃圾站运营安全保障）​

1. 臭氧排放：依据 GB/T 18883-2002，采用紫外吸收法（Thermo Scientific 49i）检测，高能负离子除臭设备运行时臭氧浓度≤0.08mg/m³（限值 0.16mg/m³），无垃圾站除臭臭氧超标风险；​

2. 重金属溶出：钛合金电极经垃圾站渗滤液（pH 6.0-7.5）浸泡 72h，电感耦合等离子体质谱（ICP-MS，PerkinElmer NexION 350D）检测显示，Ti、Cr、Ni 溶出量≤0.001mg/L，符合 GB 3838-2002Ⅲ 类水体要求，避免垃圾站土壤 / 水体重金属污染；​

3. 电气安全：设备 IP65 防护等级，绝缘电阻≥100MΩ（GB 12350-2020），适应垃圾站多尘、高湿运营环境，杜绝漏电安全隐患。​

5 高能负离子技术与传统垃圾站除臭技术的对比分析（选型决策依据）​

基于相同工程条件（日处理 300 吨垃圾站），从 6 个核心维度对比高能负离子技术与传统垃圾中转站恶臭治理技术，为垃圾站除臭方案选型提供参考（表 1）：​

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对比维度​	高能负离子除臭技术（推荐）​	化学洗涤法（传统）​	生物过滤法（传统）​
适用环境​	常温（-10℃-40℃），湿度 50%-95%（适配全场景垃圾站除臭）​	控温（15℃-35℃）、调 pH（8-10）（仅适用于南方低湿垃圾站）​	控温（20℃-30℃）、控湿（60%-70%）（不适用于北方冬季垃圾站）​
污染物去除范围​	H₂S、NH₃、VOCs、PM₂.₅/PM₁₀（全组分垃圾站除臭）​	仅酸性恶臭（H₂S、CH₃SH）（需配合其他技术处理氨气 / VOCs）​	NH₃、部分 VOCs，难除颗粒物（需额外配置垃圾站除尘设备）​
二次污染​	无废水、固废、有害气体（无二次污染垃圾站除臭技术）​	含盐废水（COD 200-500mg/L）（需额外处理垃圾站除臭废水）​	3-5 年换填料，产固废（需处置垃圾站除臭废填料）​
响应速度​	≤3s（瞬时处理垃圾站卸料区高浓度恶臭）​	10-15min（药剂混合反应延迟，难应对垃圾站瞬时恶臭）​	30-60min（微生物代谢延迟，除臭滞后）​
运行成本（元 / 吨）​	8-12（低成本垃圾站除臭方案）​	15-20（高药剂成本）​	12-18（高填料更换成本）​
设备寿命（年）​	8-10（304 不锈钢，耐垃圾站腐蚀）​	5-6（设备易被化学药剂腐蚀）​	6-8（填料需定期更换，主体设备寿命有限）​

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表 1 三种垃圾站除臭技术的多维度对比（数据来源：作者团队实验及垃圾站除臭工程案例统计）​

由表 1 可知，高能负离子技术在垃圾站环境适配性、污染物去除广度及运行经济性上显著优于传统技术，尤其适用于高湿、高浓度波动的大型垃圾中转站除臭场景。​

6 结论与展望（垃圾站除臭技术推广方向）​

6.1 研究结论​

1. 高能负离子除臭设备通过 5-10kV 高压脉冲电场，可在高湿环境（95% 湿度）下稳定生成・OH、e⁻ₐq、H₂O₂协同体系，离子生成效率较连续放电提升 30%，适配全气候垃圾站除臭需求；​

2. 该技术对垃圾站典型恶臭污染物具有高效降解能力，H₂S、NH₃、VOCs 去除率分别达 99.4%、98.8%、96.2% 以上，终产物无害且无二次污染，符合环保型垃圾站除臭标准；​

3. 与传统技术相比，其运行成本降低 30%-40%，设备寿命延长 2-4 年，可实现垃圾站卸料区、压缩区、储存区全场景恶臭治理，为垃圾中转站恶臭治理工程提供优选方案。​

6.2 研究展望（技术推广与优化）​

1. 后续可开展极端低温（＜-10℃）环境下技术优化，通过电极加热模块提升离子生成稳定性，进一步拓展北方冬季垃圾站除臭应用；​

2. 探索该技术与光催化、低温等离子体的耦合工艺，进一步提升垃圾站难降解 VOCs（如氯代烃）去除效率，完善全组分治理体系；​

3. 建立垃圾站高能负离子除臭技术标准化体系，明确设备选型、安装及运维规范，推动其在 “无废城市” 建设中的规模化垃圾中转站恶臭治理应用，助力城市环境质量提升。​

参考文献​

[1] 中国城市环境卫生协会。中国城市环境卫生发展报告（2024）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2024：89-95.（垃圾站除臭行业数据支撑）​

[2] Li J, Wang Y, Zhang H. Health risks of odorous pollutants from municipal waste transfer stations: A case study in China [J]. Environmental Pollution, 2022, 299: 118872.（垃圾中转站恶臭健康风险研究）​

[3] 张伟，刘红，陈明。化学洗涤法处理垃圾中转站恶臭的工程实践 [J]. 环境工程，2020，38（5）：112-116.（传统垃圾站除臭技术案例）​

[4] Zhao X, Liu J, He L. Performance of a biotrickling filter for ammonia and hydrogen sulfide removal from waste transfer station air [J]. Bioresource Technology, 2019, 287: 121543.（生物过滤法垃圾中转站氨气治理研究）​

[5] 王明远，李娜，张超。活性炭吸附 – 再生技术在垃圾站 VOCs 治理中的应用 [J]. 环境科学与技术，2021，44（S1）：189-193.（传统垃圾站 VOCs 治理技术分析）​

[6] Smith A, Johnson B, Williams C. High-energy negative ion technology for odor control in wastewater treatment plants [J]. Journal of Environmental Management, 2022, 311: 114890.（高能负离子技术恶臭治理参考）​

[7] 陈阳，赵伟，李娟。高能负离子技术在室内空气净化中的研究进展 [J]. 环境科学导刊，2023，42（2）：45-51.（国内高能负离子技术研究现状）​

[8] 王涛，刘敏，张凯。脉冲放电等离子体在高湿环境下的离子生成特性 [J]. 高电压技术，2021，47（8）：2865-2872.（垃圾站高湿环境技术适配研究）​

[9] 刘畅，李明，王浩。羟基自由基在恶臭污染物降解中的作用机制 [J]. 环境化学，2020，39（7）：1987-1995.（垃圾站恶臭降解机制研究）​

[10] 国家环境保护局。恶臭污染物排放标准（GB 14554-93）[S]. 北京：中国环境科学出版社，1993.（垃圾站除臭核心标准）