AERMOD模型在固體廢物處置環(huán)境影響中的應用

朱新勝　陳　飛，2　張后虎　高吉喜，2　柴發(fā)合

(1.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京　210042；2.南京信息工程大學江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京　210044；3.中國環(huán)境科學研究院，北京　10012)

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AERMOD模型在固體廢物處置環(huán)境影響中的應用

朱新勝1陳飛1，2張后虎1高吉喜1，2柴發(fā)合3

(1.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京210042；2.南京信息工程大學江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京210044；3.中國環(huán)境科學研究院，北京10012)

文章以江蘇某固體廢物處置項目大氣影響預測為例展開建設項目工程實例研究，分析其工藝流程和排污環(huán)節(jié)的基礎上，采用AERMOD模型定量預測該固體廢物處置項目對區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量的影響程度。預測結(jié)果表明：SO2，NO2，HCl，H2S和NH3的小時平均最大落地濃度占標率分別為23.38%，39.34%，38.96%，50.35和16.58%；PM10，SO2，NO2和HCl污染物日均最大落地濃度占標率分別為2.08%，12%，15.13%和20%；PM10，SO2和NO2年平均最大落地濃度占標率分別為0.27%，1.83%和2.75%；惡臭氣體濃度較低，不會造成惡臭影響，對周圍大氣環(huán)境影響較小。

固體廢物處置項目；大氣污染；AERMOD模型；環(huán)境評價

根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導則一大氣環(huán)境》(HJ 2.2—2008)要求，當大氣環(huán)境影響評價工作等級為二級以上時，需對大氣污染源進行大氣環(huán)境影響預測。其中AERMOD作為導則的推薦預測模式對建設項日進行大氣環(huán)境影響預測。AERMOD由美國環(huán)境保護署聯(lián)合美國氣象學會組建法規(guī)模式改善委員會開發(fā)[1-2]。AERMOD是一個穩(wěn)態(tài)煙羽擴散模式，可基于大氣邊界層數(shù)根據(jù)層數(shù)特征模擬點源、面源、體源等排放出的污染物在短期(小時平均、日平均) 、長期(年平均)的濃度分布，適合于農(nóng)村或城市地區(qū)、簡單或復雜地形。目前，國內(nèi)外學者廣泛采用AERMOD模型模擬污染物對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響和環(huán)境影響評價研究，并取得了一系列顯著的成果[3-8]。

根據(jù)南京市污染源普查數(shù)據(jù)，結(jié)合南京市危險廢物處置利用企業(yè)年處理規(guī)模，南京市2015年度危險廢物產(chǎn)生各類危險廢物共有34類，產(chǎn)生總量54.12萬噸。截止2015年6月，南京市在運行危險廢物處置利用設施共30座，各類危險廢物處置利用能力為38.73萬噸/年+18萬只/年，其中集中焚燒5萬噸/年，填埋0.96萬噸/年，其他收集、處置及綜合利用32.77萬噸/年+18萬只/年。目前南京市危險廢物處置缺口約16萬噸/年。同時，隨著南京市建設及經(jīng)濟的發(fā)展，以及固體廢物管理工作進一步加強，危險廢物的排放量近期仍將呈現(xiàn)增長趨勢。然而固體廢物處置行業(yè)又是重污染行業(yè)，垃圾貯存和焚燒過程造成的大氣環(huán)境污染也受到廣泛關(guān)注。因此本文以江蘇某固體廢物處置有限公司為試點，利用AERMOD模型預測固廢處置廠對區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，將對發(fā)展南京固廢處理行業(yè)、保護區(qū)域環(huán)境和保障人群健康具有重要作用。

1　研究方法

1.1AERMOD模型介紹

AERMOD模型以擴散統(tǒng)計理論為出發(fā)點，假設污染物的濃度分布在一定程度上服從高斯分布。模式系統(tǒng)可用于多種排放源(包括點源、面源和體源)的排放，也適用于鄉(xiāng)村環(huán)境和城市環(huán)境的模擬和預測。AERMOD具有如下特：(1)以行星邊界層(PBL)湍流結(jié)構(gòu)及理論為基礎，按空氣湍流結(jié)構(gòu)和尺度概念，湍流擴散由參數(shù)化方程給出，穩(wěn)定度用連續(xù)參數(shù)表示；(2)中等浮力通量對流條件采用非正態(tài)的模式；(3)考慮了對流條件下浮力煙羽和混合層頂?shù)南嗷プ饔茫?4)對簡單地形和復雜地形進行了一體化的處理；(5)包括處理夜間城市邊界層的算法[9-12]。

AERMOD系統(tǒng)包括AERMOD擴散模式、AERMET氣象預處理和AERMAP地形預處理模塊AERMET的邊界層參數(shù)數(shù)據(jù)和廓線數(shù)據(jù)可以由輸入的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)確定，或由輸入的國家氣象局常規(guī)氣象資料(地面數(shù)據(jù)、探空數(shù)據(jù))生成。將地面反射率、表面粗糙度等地面特征數(shù)據(jù)，以及風速、風向、溫度、云量等氣象觀測數(shù)據(jù)輸入到AERMET中，在AERMET計算出行星邊界層參數(shù)。得到的這些參數(shù)同氣象觀測數(shù)據(jù)一同傳遞給AERMOD中的Interface，在Interface里通過相似關(guān)系求得風速、水平方向和垂直方向的湍流強度，位溫梯度，位溫和水平拉格朗日時間尺度等變量垂直分布[13-15]。AERMET廓線數(shù)據(jù)和邊界層廓線數(shù)據(jù)經(jīng)AERMOD中的控制文件引用進入AERMOD系統(tǒng)，計算出相似參數(shù)，并對邊界層廓線數(shù)據(jù)進行內(nèi)插。AERMOD將平均風速、水平方向及垂直方向湍流量脈動、溫度梯度、位溫、水平拉格朗日時間尺度等輸入擴散模式，并計算出濃度。

1.2模型參數(shù)的選取

(1)地面常規(guī)氣象數(shù)據(jù)

地面氣象數(shù)據(jù)使用南京市氣象站2014全年8760小時的逐時氣象場，包括時間(年、月、日、時)、風向(以16個方位表示)、風速、干球溫度、低云量、總云量共6項。風向、風速、干球溫度為逐日定時(02、05、08、11、14、17、20、23時)，低云量、總云量由于觀測密度不夠為逐日一天3次(08、14、20時)。按AERMET(氣象預處理程序)參數(shù)輸入格式，采用線性插值生成近地面逐日逐時氣象輸入文件。

(2)高空氣象數(shù)據(jù)

本次預測選用2014全年一日兩次(GMT時間00時、12時)MM5模擬生成的最近格點的高空氣象資料。水平網(wǎng)格分辨率為27km×27km，垂直方向采用地形伴隨坐標，從1000百帕到100百帕共分為40層。高空探空數(shù)據(jù)的提取位置為：東經(jīng)117.15°，北緯34.28°。模式采用的原始數(shù)據(jù)有地形高度、土地利用、陸地-水體標志、植被組成等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源主要為美國的USGS數(shù)據(jù)。原始氣象數(shù)據(jù)采用美國國家大氣研究中心(NCAR)發(fā)布的

全球再分析氣象資料(NCEP)通過三層嵌套網(wǎng)格MM5中尺度氣象場模擬得到本地區(qū)的風溫廓線。

(3)地形參數(shù)

項目所在地地形復雜，預測所用地形數(shù)據(jù)為90m×90m分辨率網(wǎng)格數(shù)據(jù)。評價范圍內(nèi)的地形圖見圖1。本次大氣預測已考慮地形影響，由于本項目主要污染源為回轉(zhuǎn)窯廢氣，其排氣筒為100米，煙氣溫度高大140攝氏度，評價范圍內(nèi)最高海拔為179米，項目所在地海拔為19米，兩者之差為160米，從本項目大氣影響預測結(jié)果來看取決于氣象條件(風向、風速、溫度、總云量、低云量)與高海拔地區(qū)的協(xié)同影響。

圖1　評價范圍內(nèi)的地形等值線圖

(4)污染源參數(shù)

本項目采用的焚燒工藝為“回轉(zhuǎn)窯焚燒爐+尾氣處置系統(tǒng)”的工藝方案。根據(jù)工程分析結(jié)果，有組織廢氣主要有：焚燒產(chǎn)生的焚燒煙氣G1、危險廢物貯存產(chǎn)生的貯存廢氣G2、物化車間產(chǎn)生的廢氣G3。無組織排放源主要為：車輛、人員進出倉庫、車間時造成少量有害物質(zhì)或惡臭物質(zhì)以無組織形式向環(huán)境空氣逸散。因此確定本項目大氣環(huán)境影響預測的評價因子為：PM10、SO2、NO2、HCl、H2S和NH3，其中Cd、Pb、As+Ni 、二噁英等有害物質(zhì)未作為本次預測的評價因子。點源、面源排放參數(shù)見表1-2。

表1　項目點源排放參數(shù)

(5)預測方案

本項目的大氣評價等級為二級，環(huán)境空氣評價范圍為以焚燒爐煙囪為中心，半徑2.5km的圓形區(qū)域范圍。

2　結(jié)果與討論

根據(jù)南京浦口氣象站2014年全年氣象資料，對本項目正常排放的各污染物進行逐時平均濃度預測。模擬計算區(qū)域使用兩套等格距的笛卡爾坐標網(wǎng)格進行嵌套計算，計算的總網(wǎng)格范圍是5km×5km。廠界外1km設內(nèi)網(wǎng)格，內(nèi)網(wǎng)格格點大小為50m×50m，范圍1km×1km；外網(wǎng)格格點大小為200m×200m，范圍7.2km×7.2km。

2.1小時平均濃度分布預測

利用AERMOD高斯煙羽模型進行逐次逐時計算，得到全年8760小時預測范圍各網(wǎng)格點，預測本項目建成后排放的各污染物全年逐時的小時平均地面濃度。將各網(wǎng)格點的8760小時平均濃度進行從大到小排列，得出各污染物最大小時平均濃度及出現(xiàn)位置，見表3和圖3。本項目建成后排放的大氣污染物在評價區(qū)域內(nèi)，SO2，NO2，HCl，H2S和NH3的小時平均最大落地濃度分別為116.92μg/m3，78.69μg/m3，19.48μg/m3，5.04μg/m3和33.15μg/m3，相應污染物的排放標準值分別為500μg/m3，200μg/m3，50μg/m3，10μg/m3和200μg/m3，占標率分別為23.38%，39.34%，38.96%，50.35%和16.58%，由此可知各污染物最大小時平均落地濃度貢獻值均能達到國家標準，滿足我國污染物排放的要求，由表3可知，各污染物的最大小時平均落地濃度發(fā)生的時間也有差異，SO2和NO2出現(xiàn)在2014年8月13日23時，而H2S和NH3出現(xiàn)的時間也相同。

表2　項目面源排放參數(shù)

表3　最大小時平均落地濃度貢獻值

圖2　SO2、NO2、HCl、H2S和NH3最大小時平均濃度等值線分布圖(μg/m3)

圖3　PM10、SO2、NO2和HCl最大日平均濃度等值線分布圖(mg/m3)

2.2日平均濃度分布預測

各污染物最大日均濃度及出現(xiàn)位置如表4和圖4所示。項目建成后PM10，SO2，NO2和HCl污染物日均最大落地濃度分別為3.12μg/m3，18μg/m3，12.1μg/m3和3μg/m3，相應的各污染物排放標準為150μg/m3，150μg/m3，80μg/m3和15μg/m3，占標率分別為2.08%，12%，15.13%和20%，由此可見項目建成后總排放的各污染物對區(qū)域日均濃度最大貢獻值均可達到國家標準，并對周邊環(huán)境影響較少。

圖4　PM10、SO2和NO2最大年平均濃度等值線分布圖(mg/m3)

2.3年平均濃度分布預測分析

預測范圍各網(wǎng)格點總排放的各污染物的年平均濃度及出現(xiàn)位置如表5和圖5所示。建成后總排放的大氣污染物在評價區(qū)域內(nèi)，PM10，SO2和NO2年平均最大落地濃度分別為0.190μg/m3，1.098μg/m3和1.098μg/m3，相應污染物標準為70μg/m3，60μg/m3和40μg/m3，占標率分別為0.27%，1.83%和2.75%。根據(jù)計算結(jié)果可知，項目排放的各污染物對區(qū)域年均濃度最大貢獻均能達標。

表4　最大日平均落地濃度貢獻值

表5　最大年平均落地濃度貢獻值

2.4惡臭污染物預測分析

惡臭污染物廠界標準、嗅閾值和預測得到的正常和工況下小時最大落地濃度值如表6所示。根據(jù)計算結(jié)果，NH3和H2S惡臭氣體在正常工況下的污染物濃度都低于其相應的惡臭染物廠界標準值和相應的嗅閾值，項目產(chǎn)生的惡臭氣體濃度較低，不會造成惡臭影響，對周圍大氣環(huán)境影響較小。

表6　正常情況下惡臭污染物評價標準和小時最大落地濃度值

3　結(jié)　論

以江蘇某固體廢物處置項目大氣影響預測為例展開建設項目工程實例研究，分析其工藝流程和排污環(huán)節(jié)的基礎上，采用AERMOD模型定量預測改固體廢物處置項目對區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量的影響程度。預測結(jié)果表明：

(1)SO2，NO2，HCl，H2S和NH3的小時平均最大落地濃度分別為116.92μg/m3，78.69μg/m3，19.48μg/m3，5.04μg/m3和33.15μg/m3，相應占標率分別為23.38%，39.34%，38.96%，50.35和16.58%。

(2)PM10，SO2，NO2和HCl污染物日均最大落地濃度分別為3.12μg/m3，18μg/m3，12.1μg/m3和3μg/m3，相應占標率分別為2.08%，12%，15.13%和20%。

(3)PM10，SO2和NO2年平均最大落地濃度分別為0.19μg/m3，1.10μg/m3和1.10μg/m3，相應占標率分別為0.27%，1.83%和2.75%。根據(jù)計算結(jié)果，排放的各污染物對區(qū)域小時、日、年均濃度最大貢獻均能達標。

(4)NH3和H2S惡臭氣體在正常工況下的污染物濃度都低于其相應的惡臭染物廠界標準值和相應的嗅閾值，項目產(chǎn)生的惡臭氣體濃度較低，不會造成惡臭影響，對周圍大氣環(huán)境影響較小。

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The Application of AERMOD Model in Environmental Impact Assessment of Solid Waste Treatment Project

ZHU Xinsheng1CHEN Fei1，2ZHANG Houhu1GAO Jixi1，2CHAI Fahe3

(1.Nanjing Institute of Environmental Sciences，Ministry of Environmental Protection，Nanjing 210042，China；2.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology (CICAEET)，Nanjing 210044，China；3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012)

Taking a solid waste treatment project in Nanjing as an example，the technological process and the pollutant sources were studied，and the impact of the solid waste treatment project on regional atmospheric environmental quality was quantitatively predicted and evaluated using the AERMOD model.The results show that：the maximum ratio to standard of regional hourly average concentration of SO2，NO2，HCl，H2S and NH3is 23.38%，39.34%，38.96%，50.35% and 16.58%，respectively；the maximum ratio to standard of regional daily average concentration of PM10，SO2，NO2and HCl is 2.08%，12%，15.13% and 20%，respectively；the maximum ratio to standard of regional annual average concentration of PM10，SO2and NO2is 0.27%，1.83% and 2.75%，respectively；the concentration of odor pollutants is low and has little effect on the surrounding atmospheric environment.

solid waste treatment project；atmospheric pollution；AERMOD model；environment assessment

朱新勝，碩士，主要從事環(huán)境影響評價、規(guī)劃和管理等研究

陳飛，博士，助理研究員，主要從事大氣污染來源解析和控制研究

X51

A

1673-288X(2016)05-0020-05

項目資助：環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務專項資助項目，國家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(No.201509020)

引用文獻格式：朱新勝等.AERMOD模型在固體廢物處置環(huán)境影響中的應用[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(5)：20-24.