城市垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目煙氣中重金屬干沉降對(duì)土壤的影響

付 鵬，莫欣岳，舒 璐，呂 偉

1.北京中環(huán)博宏環(huán)境資源科技有限公司，北京 100107

2.蘭州大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院/半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加快和人口數(shù)量的增多，居民生活垃圾的產(chǎn)生量與日俱增。傳統(tǒng)的生活垃圾處置方式為填埋，但因填埋場(chǎng)占地面積大，對(duì)選址、惡臭、滲濾液的環(huán)保要求較高等，焚燒作為一種減量化、無(wú)害化、資源化的處理方式為眾多城市所接受（李薇等，2010；楊玉華，2010；歐陽(yáng)曉光和郭芬，2012）。由于生活垃圾來(lái)源多樣，成分復(fù)雜，其焚燒煙氣中的特征污染物，如二噁英、重金屬會(huì)隨大氣擴(kuò)散、遷移，并通過(guò)大氣的沉降作用進(jìn)入土壤，造成土壤污染。

土壤重金屬污染現(xiàn)已成為人類必須面臨的環(huán)境問(wèn)題之一（郭笑笑等，2011）。2016年1月，原環(huán)保部召開(kāi)了全國(guó)環(huán)境保護(hù)工作會(huì)議，時(shí)任部長(zhǎng)陳吉寧總結(jié)了“十二五”期間的環(huán)保工作，分析了“十三五”環(huán)境保護(hù)面臨的新形勢(shì)、新任務(wù)，提出“十三五”環(huán)境保護(hù)總體思路——以改善環(huán)境質(zhì)量為核心，將嚴(yán)格控制土壤污染尤其是重金屬污染作為工作重點(diǎn)。2016年5月28日，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡(jiǎn)稱“土十條”），將土壤污染治理尤其是重金屬污染的預(yù)防和治理提到了新的高度。

本文以某市生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目為例，對(duì)生活垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣中的重金屬干沉降對(duì)土壤環(huán)境的影響進(jìn)行研究，為氣體涉重金屬污染物擴(kuò)散沉降對(duì)土壤環(huán)境影響相關(guān)領(lǐng)域的科研、應(yīng)用工作提供參考和借鑒。

1 項(xiàng)目介紹

某城市垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目日處理量為生活垃圾 2000 t、干污泥 400 t，同時(shí)設(shè)置 800 t ? d?1循環(huán)流化床鍋爐3臺(tái)，額定23.5 t ? h?1蒸汽余熱鍋爐2臺(tái)及N40MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組2臺(tái)，年發(fā)電量為 6.32×108kWh ? a?1。

生活垃圾焚燒煙氣中的污染物分為顆粒物（粉塵）、酸性氣體（HCl、HF、SO2、NOx等）、重金屬（Hg、Pb、Cr等）和有機(jī)劇毒性污染物（二噁英、呋喃等）四大類。每套焚燒裝置配備一套煙氣凈化設(shè)施，由SNCR脫硝設(shè)施、脫硫裝置及煙道系統(tǒng)、袋式除塵器系統(tǒng)、活性炭噴射系統(tǒng)、灰循環(huán)系統(tǒng)、吸收劑存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)、灰輸送及儲(chǔ)存系統(tǒng)組成。處理工藝為“爐內(nèi)脫硫+SNCR脫硝工藝+半干法脫硫裝置+活性炭吸附+布袋除塵器”，處理后煙氣通過(guò)高80 m的四鋼內(nèi)筒集束煙囪排放。

2 預(yù)測(cè)模式及參數(shù)選取

采用《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則：大氣環(huán)境》（HJ 2.2 — 2008）（環(huán)境保護(hù)部，2009）推薦的進(jìn)一步預(yù)測(cè)模型AERMOD模型。AERMOD模型為穩(wěn)態(tài)煙羽擴(kuò)散模型，可基于大氣邊界層參數(shù)模擬多種污染源排放，同時(shí)適用于村莊和城市，對(duì)復(fù)雜或簡(jiǎn)單地形條件且預(yù)測(cè)范圍在50 km范圍內(nèi)的大氣影響預(yù)測(cè)有很好的適用性（Seinfeld and Pandis，1998；回蘊(yùn)珉，2011；王小燕，2013；付鵬等，2016）。

模式計(jì)算方法：

式中：Vdp是所有顆粒物的沉降速率，m ? s?1；fp是細(xì)顆粒物（直徑大于2.5 μm且小于10 μm）的百分比；Vdpf是細(xì)顆粒物的沉降速率，m ? s?1；Vdpc是粗顆粒物的沉降速率；Ra是空氣動(dòng)力學(xué)阻力系數(shù)，s ? m?1；Rp是準(zhǔn)層流層阻力系數(shù)，m ? s?1。

2.1 模型參數(shù)的選取

2.1.1 地面氣象常規(guī)數(shù)據(jù)

本次模擬采用項(xiàng)目所在區(qū)域氣象觀測(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。該氣象觀測(cè)站位于114.96°E、38.18°N，東8區(qū)，站臺(tái)編號(hào)為53699。距離擬建項(xiàng)目中心直線距離為5.97 km，站點(diǎn)與評(píng)價(jià)范圍地理特征基本一致。本次收集了研究區(qū)域2016年逐日逐次的氣象數(shù)據(jù)，地面氣象數(shù)據(jù)包括風(fēng)向、風(fēng)速、總云量、低云量、干球溫度，其中風(fēng)向、風(fēng)速、干球溫度每日24次觀測(cè)數(shù)據(jù)，總云量、低云量每日8次觀測(cè)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)次數(shù)不足24小時(shí)的進(jìn)行差值處理（付鵬等，2015）。通過(guò)對(duì)地面氣象數(shù)據(jù)分析可知，該地區(qū)全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，平均風(fēng)速為 1.47 m ? s?1，風(fēng)頻為 17.16%，風(fēng)玫瑰圖見(jiàn)圖1。

2.1.2 高空氣象數(shù)據(jù)

擬建項(xiàng)目周?chē)?0 km范圍內(nèi)無(wú)高空氣象探空站點(diǎn)，本次預(yù)測(cè)采用WRF模式兩層嵌套進(jìn)行模擬。第一層網(wǎng)格中心為北緯35°，東經(jīng)113°，格點(diǎn)為65×68，分辨率為81 km × 81 km；第二層網(wǎng)格格點(diǎn)為112×151，分辨率為27 km × 27 km，覆蓋我國(guó)大部分地區(qū)，WRF模式模擬探空數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)為北緯38.19°，東經(jīng)114.89°，距離本案例10.08 km，符合HJ 2.2?—?2008要求。資料包含時(shí)間、探空數(shù)據(jù)層數(shù)、氣壓、高度、干球溫度、露點(diǎn)、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等（馬巖等，2014）。

圖1 風(fēng)玫瑰圖Fig.1 Wind rose map

2.1.3 地形數(shù)據(jù)

地形數(shù)據(jù)源采用csi.cgiar.org提供的srtm數(shù)據(jù)，地形精度為3秒（90 m）。

本研究模擬的區(qū)域范圍為6 km × 6 km，網(wǎng)格間距為100 m，依據(jù)獲取的地形數(shù)據(jù)，模擬范圍內(nèi)海拔最高點(diǎn)為49 m。案例最高排氣筒高度為80 m，排氣筒基底高為44 m，可確定項(xiàng)目所在區(qū)域?yàn)楹?jiǎn)單地形，地形數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。

2.1.4 污染源及沉降參數(shù)

根據(jù)項(xiàng)目工程分析數(shù)據(jù)，確定焚燒煙氣中重金屬鉛、汞、鎘的排放源強(qiáng)如表1所示，重金屬干沉降參數(shù)參照美國(guó)環(huán)保局（EPA）網(wǎng)站上的有關(guān)沉降數(shù)據(jù)（https://www.epa.gov/scram/air-qualitydispersion-modeling-preferred-and-recommendedmodels#aermod/），見(jiàn)表 2。

圖2 地形數(shù)據(jù)（90 m × 90 m）Fig.2 Terrain data（90 m × 90 m）

表1 焚燒煙氣重金屬污染物排放源強(qiáng)Tab.1 Emission source intensity of heavy metals from the fl ue gas of incinerator

表2 干沉降參數(shù)Tab.2 Dry deposition parameters

2.2 預(yù)測(cè)方案

預(yù)測(cè)區(qū)域?yàn)橐耘欧旁矗ǚ贌隣t排氣筒）所在點(diǎn)位基準(zhǔn)點(diǎn)，面積6 km × 6 km的矩形，預(yù)測(cè)各重金屬因子年均最大干沉降量，并疊加區(qū)域現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)濃度后評(píng)價(jià)重金屬累積濃度是否滿足《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618?—?1995）中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

3 模擬結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)采用AERMOD模式中干沉降預(yù)測(cè)模塊，輸入沉降參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到Pb、Hg、Cd的干沉降預(yù)測(cè)結(jié)果，具體預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。Pb、Hg、Cd 的年最大沉 降量分別為 8950 μg ? m?2、140 μg ? m?2、50 μg ? m?2。項(xiàng)目按照運(yùn)行 20 年計(jì)算，通過(guò)以Pb、Hg、Cd的年最大沉降量來(lái)計(jì)算分析對(duì)所在區(qū)域土壤環(huán)境造成的影響，則每平方米土壤中累積的Pb、Hg、Cd分別為179 mg、2.8 mg、1.0 mg。通過(guò)實(shí)地調(diào)查，項(xiàng)目所在區(qū)域土壤容重約1.8 g ? cm?3，土層厚度約 40 cm，單位面積（1 m2）的土壤重量為720 kg。則項(xiàng)目在運(yùn)行期間土壤中Pb、Hg、Cd 的貢獻(xiàn)濃度 0.25 mg ? kg?1、0.0039 mg ? kg?1、0.0014 mg ? kg?1。Pb、Hg、Cd 的背景沉降值分別為16.10 mg ? kg?1，0.2681 mg ? kg?1，0.1296 mg ? kg?1；疊加背景值后Pb、Hg、Cd的累積濃度分別為16.35 mg ? kg?1、0.2720 mg ? kg?1、0.1310 mg ? kg?1。Pb、Hg、Cd累積濃度均滿足《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618?—?1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值（Pb：350 mg ? kg?1、Hg ：1.0 mg ? kg?1、Cd：0.6 mg ? kg?1）的要求，占標(biāo)率分別為4.7%、27.2%、21.8%，雖未超標(biāo)，但鑒于其危害性應(yīng)引起重視。

研究區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向?yàn)槲廴驹吹腘方位，下風(fēng)向Pb、Hg、Cd年均干沉降量隨離源距離的變化見(jiàn)圖4。

圖3 3種重金屬年均干沉降量分布圖Fig.3 Annual dry settlement distributions of the 3 kinds of heavy metals

據(jù)圖4，Pb在0?—?400 m沉降量呈現(xiàn)快速上升，最快時(shí)每100 m上升3.50 mg ? m?2，在400 m達(dá)到最大值 8.06 mg ? m?2，500?—?800 m 呈每 100 m 下降約1.00 mg ? m?2的趨勢(shì)，之后隨著離源距離的增加，下降趨勢(shì)逐漸變緩；Hg在0?—?400 m沉降量也呈現(xiàn)快速上升，在400 m達(dá)到最大值，為0.13 mg ? m?2，400?—?700 m 呈 每 100 m 下 降 0.02 mg ? m?2的 趨勢(shì)，之后隨著離源距離的增加，下降趨勢(shì)逐漸變緩，2000 m 以后保持 0.01 mg ? m?2不變；Cd的沉降量較小，0?—?300 m也呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，300?—?500 m 為 0.04 mg ? m?2，后呈現(xiàn)穩(wěn)步下降的趨勢(shì)，1000?—?1900 m 保持 0.01 mg ? m?2不變，2000 m后值小于0.01 mg ? m?2（模式輸出的最小精度為0.01 mg ? m?2，小于 0.01 mg ? m?2的值輸出為 0）。

圖4 各污染物沉降量隨距離變化（下風(fēng)向）Fig.4 Settlement of pollutants varies with distance(downwind)

引入污染系數(shù)衡量風(fēng)對(duì)污染物的擴(kuò)散傳輸作用：污染系數(shù)=風(fēng)向頻率/該風(fēng)向平均風(fēng)速。研究區(qū)域內(nèi)的年平均污染系數(shù)結(jié)果見(jiàn)圖5。以鉛的年均沉降量1 mg ? m?2、汞的年均沉降量0.02 mg ? m?2、鎘的年均沉降量 0.01 mg ? m?2為等值線計(jì)算對(duì)應(yīng)該等濃度線的離源距離（表3）。兩者相結(jié)合說(shuō)明污染物濃度與污染系數(shù)（風(fēng)向、風(fēng)頻和風(fēng)速）的關(guān)系。

對(duì)比圖3與圖5可以看出，污染物沉降量分布與污染系數(shù)具有較好的一致性，污染系數(shù)越大，等沉降量分布的距離越遠(yuǎn)。結(jié)合圖5和表3可知，污染系數(shù)在風(fēng)向?yàn)镾、N、NNE和SSW上數(shù)值較大，說(shuō)明污染物擴(kuò)散傳輸在南北向擴(kuò)散距離較東西向更遠(yuǎn)。S風(fēng)向的污染系數(shù)大于N風(fēng)向，對(duì)應(yīng)的沉降量擴(kuò)散距離北向較南向更遠(yuǎn)，W風(fēng)向的污染系數(shù)大于E風(fēng)向，對(duì)應(yīng)的東向的污染物較西向傳輸擴(kuò)散略遠(yuǎn)。N、S風(fēng)向污染系數(shù)較E、W分向的大，南北方向污染物擴(kuò)散距離大于東西方向。

圖5 年均污染系數(shù)玫瑰圖Fig.5 Annual average pollution coefficient rose diagram

表3 年平均污染系數(shù)與年均濃度離源距離關(guān)系表Tab.3 Relationship between annual average pollution coefficient and annual average concentration distance from source

4 結(jié)論

城市垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目焚燒煙氣中重金屬會(huì)隨著大氣沉降進(jìn)入土壤，因此在開(kāi)展此類項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)等工作時(shí)必須要進(jìn)行重金屬沉降對(duì)土壤環(huán)境的影響預(yù)測(cè)。本文以某城市垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目為例，采用AERMOD模式對(duì)焚燒爐煙氣中重金屬Pb、Hg、Cd進(jìn)行干沉降預(yù)測(cè):結(jié)合項(xiàng)目所在區(qū)域土壤重金屬背景值，得到Pb、Hg、Cd的累積濃度分別為 16.35 mg ? kg?1、0.272 mg ? kg?1、0.131 mg ? kg?1， 占 標(biāo) 率 分 別 為 4.7%、27.2%、21.8%；3項(xiàng)污染物的年均沉降量均隨離源距離呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；污染物沉降量分布與污染系數(shù)具有較好的一致性，污染物擴(kuò)散傳輸距離在南北方向大于東西方向。焚燒煙氣中重金屬污染物沉降雖滿足《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618?—?1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，但應(yīng)引起有關(guān)部門(mén)對(duì)垃圾焚燒污染物排放的重視，特別是Hg和Cd。