垃圾焚燒發(fā)電廠惡臭氣體大氣擴(kuò)散規(guī)律研究

梅志恒 MEI Zhi-heng；肖振航 XIAO Zhen-hang

（①中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430071；②中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

我國(guó)垃圾焚燒發(fā)電建設(shè)規(guī)模將加快增長(zhǎng)，垃圾焚燒發(fā)電具有占地面積小、處理快速、社會(huì)效益好等優(yōu)勢(shì)，但其惡臭污染問題也越發(fā)受到公眾關(guān)注。垃圾焚燒發(fā)電會(huì)產(chǎn)生大量惡臭物質(zhì)，不同工藝流程產(chǎn)生的惡臭污染物濃度和組成都有很大的差異。這些惡臭氣體不但會(huì)污染空氣也會(huì)產(chǎn)生二次污染物，威脅垃圾焚燒發(fā)電廠從業(yè)人員及周邊居民生命健康[1-2]。為合理評(píng)估垃圾焚燒發(fā)電廠臭氣擴(kuò)散對(duì)周邊環(huán)境影響范圍及程度，需掌握臭氣擴(kuò)散時(shí)空特征。衡量惡臭污染危害程度的指標(biāo)是臭氣強(qiáng)度，惡臭氣體的臭氣強(qiáng)度與其濃度成正比。惡臭污染物中氨和硫化氫占比大[3]，而在日常監(jiān)測(cè)中，氨的排放濃度遠(yuǎn)高于硫化氫。因此，本文以氨作為特征惡臭污染物，研究其大氣擴(kuò)散規(guī)律，為我國(guó)垃圾焚燒發(fā)電廠惡臭污染控制、推進(jìn)垃圾焚燒發(fā)電建設(shè)綠色健康發(fā)展提供一定的科學(xué)指導(dǎo)。

大氣擴(kuò)散模型用于研究排放進(jìn)入大氣的空氣污染物的擴(kuò)散、轉(zhuǎn)化、遷移和清除的規(guī)律[4]。目前描述大氣擴(kuò)散規(guī)律的模型主要有三類[5]：高斯煙羽模型、歐拉模型和拉格朗日模型。選擇空氣污染物擴(kuò)散模型應(yīng)考慮合適的時(shí)空尺度[6]，在探究中小尺度研究區(qū)域的空氣污染物擴(kuò)散規(guī)律時(shí)，高斯模型簡(jiǎn)單高效[7]，而高斯模型中的AERMOD（AMS/EPA Regulatory Model，AERMOD），預(yù)測(cè)值與監(jiān)測(cè)值具有很好的一致性[8-9]，AERMOD 預(yù)測(cè)效果受多因素影響[10-11]，適用于模擬平坦地形污染物的遷移擴(kuò)散[12]，已有學(xué)者應(yīng)用AERMOD 研究垃圾焚燒發(fā)電廠、鋼鐵廠、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠等煙氣特征污染物的擴(kuò)散特性[13-16]，獲得小尺度下污染物濃度的精準(zhǔn)模擬值，然而目前鮮有垃圾焚燒發(fā)電廠惡臭氣體時(shí)空特性方面的研究。

本文選取武漢某垃圾焚燒發(fā)電廠為研究對(duì)象，以氨作為特征惡臭污染物，基于AERMOD，探究垃圾焚燒發(fā)電廠惡臭氣體的時(shí)空特性，以期為環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理提供技術(shù)支撐。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的選取

AERMOD 涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要為研究區(qū)域的污染源數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)。

1.1 污染源數(shù)據(jù)的選取

污染源的排放及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取自某垃圾焚燒發(fā)電廠環(huán)境驗(yàn)收監(jiān)測(cè)報(bào)告，該垃圾焚燒發(fā)電廠地處武漢市蔡甸區(qū)，日處理能力1500 噸，臭氣處置后經(jīng)煙囪排放，煙囪高度110m。廠界廢氣監(jiān)測(cè)布設(shè)H1、H2、H3 和H4 共4 個(gè)測(cè)點(diǎn)；環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)布設(shè)A1、A2 和A3 共3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中，A1 為廠址下風(fēng)向0.4km 處、A2 距離廠址1.2km 處、A3 為廠址上風(fēng)向0.5km 處。廠界線及監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖見圖1，圖中紅色框線為廠界線。廠界污染物濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1，環(huán)境濃度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表1 廠界污染物監(jiān)測(cè)結(jié)果

表2 環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)結(jié)果-小時(shí)均值

圖1 廠界線及監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

1.2 氣象數(shù)據(jù)的選取

研究區(qū)域?qū)俦?、中亞熱帶過渡性季風(fēng)氣候，具有熱豐、水富、光足的氣候特征。地面和探空氣象資料主要來自于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局提供的公開氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，地面和探空氣象數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)資料均來源于武漢市天河機(jī)場(chǎng)氣象站（編號(hào)57494），在2022年連續(xù)1年的逐時(shí)、逐次的常規(guī)氣象觀測(cè)資料，氣象要素包括時(shí)間、總云量、低云量、干球溫度、風(fēng)向、風(fēng)速等，這些數(shù)據(jù)在輸入AERMOD前，需要使用AERMET 進(jìn)行預(yù)處理。

1.3 地形數(shù)據(jù)的選取

垃圾焚燒發(fā)電廠周邊1km 范圍內(nèi)，最高海拔高度不超過90m 且低于煙囪高度，所處區(qū)域?yàn)槠教沟匦?。地形?shù)據(jù)采用美國(guó)太空總署和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局聯(lián)合測(cè)量的SRTM 地形數(shù)據(jù)，精度為90m×90m。根據(jù)AERMAP 預(yù)處理程序得到地形等高線圖。預(yù)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)均為城市用地類型，反照率、波文比及地表粗糙度分別取0.2075、1.625、1。

2 模型構(gòu)建與模擬結(jié)果分析

2.1 污染源模型簡(jiǎn)化及參數(shù)選取

將垃圾焚燒發(fā)電廠煙囪作為惡臭污染排放源，排放源可簡(jiǎn)化為點(diǎn)源，氨作為特征惡臭污染物。出口煙氣流量、出口煙氣流速、出口煙氣溫度、出口煙氣濃度、煙囪出口內(nèi)徑、煙囪幾何高度分別為0.972g/s、11.7m/s、197℃、36.7566m3/s、2.0m、110m。

設(shè)定的受體網(wǎng)格是污染源排放單元周圍的一個(gè)矩形網(wǎng)格區(qū)域，為21×21 的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)間距為108.58m，約5.05km2的研究范圍，覆蓋廠區(qū)和周邊區(qū)域。

2.2 模擬結(jié)果與分析

垃圾焚燒發(fā)電廠污染物氨排放的最大小時(shí)平均濃度和最大月均濃度見圖2、圖3、主導(dǎo)風(fēng)下風(fēng)向臭氣濃度水平擴(kuò)散曲線見圖4。

圖2 垃圾發(fā)電廠氨最大小時(shí)平均濃度

圖4 主導(dǎo)風(fēng)下風(fēng)向臭氣濃度水平擴(kuò)散曲線

由圖2、圖3 可知，氨呈現(xiàn)沿南北方向擴(kuò)散趨勢(shì)，此趨勢(shì)在圖3 中尤為明顯，與當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向一致，表明氣象條件影響惡臭污染物在大氣環(huán)境中擴(kuò)散。沿南北方向，污染源上風(fēng)方惡臭氣體擴(kuò)散面積較下風(fēng)方大，近似倒三角形狀，結(jié)合該區(qū)域地形等高線圖，出現(xiàn)這種現(xiàn)象，可能因?yàn)榈匦卧?，較高地勢(shì)對(duì)于污染物的擴(kuò)散有一定的阻截作用，污染物在地勢(shì)較低區(qū)域的擴(kuò)散更為容易，使得地勢(shì)較低區(qū)域受污染物影響范圍更大。

運(yùn)用origin 軟件將圖4 臭氣濃度擴(kuò)散曲線與ExpDec1 單指數(shù)衰減函數(shù)模型進(jìn)行非線性曲線擬合，得到夏季、冬季擬合度R2分別為0.99754、0.99224，擬合度較好，表明污染濃度隨著距離的增大呈單指數(shù)衰減。在距發(fā)電廠惡臭污染排放源50～200m 范圍內(nèi)，污染濃度顯著下降，相較而言，冬季主導(dǎo)風(fēng)下風(fēng)向的水平擴(kuò)散濃度變化幅度較夏季更大；在距污染源下風(fēng)向200m 范圍外，主導(dǎo)風(fēng)下風(fēng)向惡臭污染物擴(kuò)散濃度下降幅度趨于平緩；距離污染源相同距離范圍內(nèi)，夏季污染物的擴(kuò)散濃度略高于冬季。

圖2 中最大小時(shí)平均濃度多出現(xiàn)在夏季。氣溫是惡臭污染產(chǎn)生和揮發(fā)擴(kuò)散的顯著影響因子，在較高溫度下，微生物活性較強(qiáng)，惡臭氣體產(chǎn)生量較大，其惡臭物質(zhì)更易揮發(fā)擴(kuò)散[17]。從時(shí)間維度分析，武漢夏季溫度較高，且夏季高溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。因此，垃圾發(fā)電廠夏季的惡臭氣體產(chǎn)生量較大，在這個(gè)時(shí)間段較容易出現(xiàn)極值濃度。

3 結(jié)論

①基于AERMOD 得到垃圾焚燒發(fā)電廠惡臭污染物大氣擴(kuò)散規(guī)律：當(dāng)惡臭污染物排放條件一定時(shí)，影響其大氣擴(kuò)散的主要因素為風(fēng)向、地形和氣溫；惡臭污染物擴(kuò)散方向?yàn)楫?dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)下方向，污染濃度隨著距離的增大呈單指數(shù)衰減，污染面積近似倒三角型；下風(fēng)向地勢(shì)較低區(qū)域更易受污染影響；污染濃度極值出現(xiàn)時(shí)間受氣溫影響，多分布于夏季，在相同距離范圍內(nèi)，夏季惡臭污染物的濃度略高于冬季。②本研究污染源數(shù)據(jù)為短期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，尚需進(jìn)一步收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，豐富和完善垃圾焚燒發(fā)電廠的時(shí)空分布規(guī)律。③研究成果為垃圾焚燒發(fā)電廠的設(shè)立、選址規(guī)劃、工藝流程、廠界及周邊大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)等提供參考，以期人與自然和諧共生高度謀劃發(fā)展。