深圳市南山區垃圾焚燒發電廠對空氣質量的影響

陳　飛　周　洋　胡　潔　朱新勝　謝　旻　歐陽琰　柴發合

(1.環境保護部南京環境科學研究所，江蘇 南京　210042；2.南京信息工程大學江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心，江蘇 南京　210044；3.南京大學大氣科學學院，江蘇 南京　210023；4.中國環境科學研究院，北京　10012)

深圳市南山區垃圾焚燒發電廠對空氣質量的影響

陳飛1，2周洋3胡潔1朱新勝1謝旻3歐陽琰1，2柴發合4

(1.環境保護部南京環境科學研究所，江蘇 南京210042；2.南京信息工程大學江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心，江蘇 南京210044；3.南京大學大氣科學學院，江蘇 南京210023；4.中國環境科學研究院，北京10012)

【摘要】利用氣象模式WRF生成的氣象數據，采用CALPUFF空氣質量模式模擬研究了深圳市南山區垃圾焚燒發電廠對空氣質量的影響。結果表明：SO2的最大小時濃度為19.0μg/m3；NO2的最大小時濃度為42.0μg/m3；HCl的最大小時濃度為5.27μg/m3，區域各污染物小時最大落地濃度均能達標。SO2的最大日均濃度為2.5μg/m3，為評價標準的1.67%；NO2的最大日均濃度為5.2μg/m3，為評價標準的6.50%；HCl的最大日均濃度為0.68μg/m3，為評價標準的4.53%；PM10的最大日均濃度為0.83μg/m3，為評價標準的0.55%。SO2的年均濃度最大值為0.11μg/m3，為評價標準的0.19%；NO2的年均濃度最大值為0.28μg/m3，為評價標準的0.70%；PM10的年均濃度最大值為0.04μg/m3，為評價標準的0.05%；Hg的年均濃度最大值為0.081 ng/m3，為評價標準的0.16%，對周邊大氣環境的影響較小，能夠滿足環境質量標準要求。

【關鍵詞】垃圾焚燒發電廠；污染源；Calpuff模式；空氣質量

深圳市環衛行業經過二十余年的發展，在基礎設施建設、處理技術的創新、業務管理及體制的改革等方面取得了非常大的成績。但隨著深圳市經濟發展，流動人口急劇增長，城市垃圾量快速增加，垃圾焚燒處理設施的建設仍處于不平衡，出現了與總體環衛規劃不相符合的現象。目前深圳市生活垃圾日產生量已超過15000t/d，在用的生活垃圾處理設施共有10座(5座垃圾焚燒廠和5座衛生填埋場)，各區的垃圾產生量的增多，現有的垃圾處理設施均存在容量趨于飽和的趨勢。既不利于垃圾處理設施本身的正常穩定運行，也導致垃圾處理設施故障或檢修期間，垃圾處理不能有效保障。

《深圳市人居環境保護與建設“十二五”規劃》提出：建立完善的垃圾分類收集體系，提高垃圾分類收集率和資源化率，逐步實現人均生活垃圾產生量“零增長”。完成老虎坑垃圾衛生填埋場和焚燒廠二期、下坪固體廢棄物填埋場二期、白鴿湖垃圾焚燒廠、南山垃圾焚燒發電廠二期工程、東部垃圾焚燒廠和坪山垃圾分選處理廠等項目建設。因此掌握深圳市南山區垃圾焚燒發電廠對空氣質量的影響具有十分重要的意義。目前，國內外學者廣泛采用空氣質量模型預測污染物對空氣質量的影響，并取得了一系列顯著的成果[1-7]。筆者結合南山垃圾焚燒發電廠二期工程的地形及氣象條件，采用Calpuff模型對污染物的擴散進行模擬，掌握污染物的擴散規律，和對周邊空氣質量的影響。

1研究方法

1.1Calpuff模型介紹

CALPUFF是US EPA(美國國家環保局)認證的模型之一，模型主要是針對復雜地形、海路風交界沿海項目、規劃環評項目進行大氣預測，根據地面站和高空站觀測數據，或MM5、WRF等數據并結合當地地形、地貌特征進行三維風場的模擬。針對多種點/面/線/體污染源類型、多種污染物和多種受體類型進行污染源擴散的模擬計算分析，包括多種化學轉化等計算模塊，可以計算污染物的化學轉化，干、濕沉降，并考慮建筑物下洗的影響。

Calpuff模型CALMET(網格化氣象風場模塊)、CALPUFF(非穩態拉格朗日高斯煙團模型)和CALPOST(數據分析后處理程序)三個核心。其中，CALMET包含了客觀化的參數分析、陡坡地形的斜煙流參數化處理、地形影響下的動力學流體效應、特殊地形對大氣流體的阻滯效應、輔散散度最小化處理、以及專門為處理海陸邊界層和大面積水體區域上空的氣體擴散的微氣象學處理算法；CALPUFF包括了復雜地形算法模塊、水面擴散和水陸邊界的相互影響算法、建筑物下洗算法、濕沉降、干沉降通量計算和各類化學污染物之間直接的化學變化算法；CALPOST用來處理CALPUFF模式的數值計算后的輸出結果，可選擇計算任意的小時、分鐘的時間平均濃度和各種沉降通量。考慮到本研究的實際情況，除了來自于垃圾焚燒發電廠鍋爐煙氣的直接排放，還有一部分二次粒子來自于前體物NOx和SO2(硝酸鹽和硫酸鹽)的化學反應。故選擇具備相應化學模塊的CALPUFF模型，對煙塵進行預測計算。

1.2模型參數設置

本研究選用CALPUFF擴散模式6.42版本和WRF氣象模式(ARW3.2.1版本)。CALPUFF模型所需輸入地理地形和土地利用類型數據。其中，地理地形數據參數包括計算區域的海拔高度，土地利用類型。地形數據范圍同預測范圍，海拔高度由計算區域的遙感圖像及數字高程DEM(美國網站下載的“SRTM 90m Digital Elevation Data”)數據提取，分辨率為90m。土地利用類型數據LULC(land use land cover)包括：城市和建筑區、農田、牧場、林地、水、濕地、荒地、凍土帶和終年積雪或終年結冰地帶的有關信息。其中WRF氣象模式采用三層嵌套模擬風場，驅動氣象場為模擬區域2014年深圳、香港地區的實測逐日逐次氣象資料，包括風速、風向、溫度、濕度、氣壓、降水、云量等。本模型化學轉化方法選擇MESOPUFF II模型，夜間轉換率：SO2損失為0.2%/hr；NOx損失為2%/hr；HNO3增益為2%/hr。

圖1　WRF數值模擬三層嵌套示意圖

2結果與討論

2.1區域的風場分析

區域的三層嵌套圖如圖1所示。采用WRF數值模擬三層嵌套風場矢量圖，如圖2所示。從圖中可知，該地區存在明顯的海陸風現象，海風勢力較強，春夏季受東南季風影響，以東風、南風為主，秋冬以西北風為主，與2014年評估區域所在地全年風向玫瑰圖比較吻合。由結果可知模擬區局地風場較為復雜，海洋風速較大，陸地風速較小，特別是秋冬季，海洋風速可達6m/s以上，有利于污染物擴散。

圖2　WRF數值模擬第三層嵌套風場矢量圖

2.2小時平均濃度預測結果

根據2014年項目所在區域的逐時氣象數據，計算常規污染物在大氣環境評價范圍內網格點的逐時小時濃度，獲得每個網格點最大小時濃度值，SO2、NO2和HCl各污染物區域最大小時平均濃度等值線分布情況見圖3。

圖3　SO2、NO2和HCl各污染物區域最大小時平均濃度等值線分布

表1是各污染物的小時最大濃度預測表。由表可知，SO2的最大小時濃度出現在(-200，200)位置，為19.0μg/m3，為評價標準的3.8%；NO2的最大小時濃度出現在(-1600，200)位置為42.0μg/m3，為評價標準的21%；HCl的最大小時濃度為5.27μg/m3，為評價標準的10.54%。

2.3日均值平均濃度預測結果

SO2、NO2、HCl和PM10各污染物區域最大日平均濃度等值線分布情況見圖4。表2為各污染物的日均最大濃度預測表。 有表2可知，日平均最大濃度均出現在點 (-200，200) 處，其中SO2的最大日均濃度為2.5μg/m3，為評價標準的1.67%；NO2的最大日均濃度為5.2μg/m3，為評價標準的6.50%；HCl的最大日均濃度為0.68μg/m3，為評價標準的4.53%；PM10的最大日均濃度為0.83μg/m3，為評價標準的0.55%。由此可見，區域各污染物日均濃度預測值均能達標。

表1　小時最大濃度預測統計表

表2　日平均最大濃度預測統計表

圖4　SO2、NO2、HCl、PM10各污染物區域最大日平均濃度等值線分布

2.4年(日)均值平均濃度預測結果

主要污染物區域最大年平均濃度等值線分布情況見圖5。表3為各污染物的年均最大濃度預測表。 有表3可知，年平均最大濃度均出現在點 (-1200，800) 處，其中SO2的年均濃度最大值為0.11μg/m3，為評價標準的0.19%；NO2的年均濃度最大值為0.28μg/m3，為評價標準的0.70%；PM10的年均濃度最大值為0.04μg/m3，為評價標準的0.05%；Hg的年均濃度最大值為0.000081μg/m3，為評價標準的0.16%。區域內各污染物年均最大落地濃度均能達標。

表3　年平均最大濃度預測統計表

圖5　SO2、NO2、PM10和Hg各污染物區域最大日平均濃度等值線分布

3結論

(1)本地區存在明顯的海陸風，海風勢力較強，春夏季受東南季風影響，以東風、南風為主，秋冬以西北風為主。模擬區局地風場較為復雜，海洋風速較大，陸地風速較小，特別是秋冬季，海洋風速可達6m/s以上，有利于污染物擴散。

(2)由Calpuff模擬結果可知：SO2的最大小時濃度為19.0μg/m3，為評價標準的3.8%；NO2的最大小時濃度為42.0μg/m3，為評價標準的21%；HCl的最大小時濃度為5.27μg/m3，為評價標準的10.54%。區域各污染物小時最大落地濃度均能達標。

(3)SO2的最大日均濃度為2.5μg/m3，為評價標準的1.67%；NO2的最大日均濃度為5.2μg/m3，為評價標準的6.50%；HCL的最大日均濃度為0.68μg/m3，為評價標準的4.53%；PM10的最大日均濃度為0.83μg/m3，為評價標準的0.55%。

(4)SO2的年均濃度最大值為0.11μg/m3，為評價標準的0.19%；NO2的年均濃度最大值為0.28μg/m3，為評價標準的0.70%；PM10的年均濃度最大值為0.04μg/m3，為評價標準的0.05%；Hg的年均濃度最大值為0.000081μg/m3，為評價標準的0.16%。由此可見，本項目正常排放情況下，對周邊大氣環境的影響較小，能夠滿足環境質量標準要求。

參考文獻：

[1]陳巧俊.基于CALPUFF模型的漳州市大氣環境容量研究[J].環境科學與管理，2014，39(9)：23-27.

[2]孫維，陳飛，王暉，等.CALPUFF模型在合肥地區SO2大氣環境容量測算中的應用．南京信息工程大學學報，2015，7(4).

[3]伯鑫，王剛，溫柔，等.京津冀地區火龜企業的大氣污染影響.中國環境科學，2015，35(2)：364-373.

[4]趙偉，范紹佳，謝文彰.AERMOD和CALPUFF對沿海電廠煙氣擴散模擬對比研究.環境科學與技術，2015，38(3)：189-194.

[5]Ohad Zivan，Michal Segal-Rosenheimer，Yael Dubowski.Airborne organophosphate pesticides drift in Mediterranean climate：The importance of secondary drift.Atmospheric Environment，2016，127：155-162.

[6]Leonardo Hoinaski，Davide Franco，Henrique de Melo Lisboa.Comparison of plume lateral dispersion coefficients schemes：Effect of averaging time.Atmospheric Pollution Research，2016，7(1)：134-141.

[7]Haofei Yu，Amy L.Stuart.Exposure and inequality for select urban air pollutants in the Tampa Bay area.Science of the Total Environment，2016，551：474-483.

Air Quality Effect of the Waste Incineration Power Plant in Nanshan District of Shenzhen City

CHEN Fei1，2ZHOU Yang3HU Jie1ZHU Xinsheng1XIE Min3OUYANG Yan1，2CHAI Fahe4

(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.School of Atmospheric Science，Nanjing University，Nanjing 210023，China；4.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012)

Abstract：Based on the WRF output data，we used the CALPUFF modeling system to simulate the Air quality effect of the Waste incineration power plant in Nanshan District of Shenzhen City.The simulation result showed that the maximum hourly concentration of SO2、NO2 and HCl was 19.0μg/m3，42.0μg/m3 and 5.27μg/m3，respectively.All of the maximum hourly concentrations in the area reach the standard.The maximum daily average concentration of SO2、NO2 、HCl and PM10was 2.5μg/m3，5.2μg/m3，0.68μg/m3 and 0.83μg/m3，respectively.The maximum annual average concentration of SO2、NO2 、PM10and Hg was 0.11μg/m3，0.28μg/m3，0.04μg/m3 and 0.081ng/m3，respectively.The effect of the surrounding atmospheric environment is little and can meet the requirements of environmental quality standards.

Keywords：waste incineration power plant；pollution source；Calpuff modeling；air quality

作者簡介：陳飛，博士研究生，主要從事大氣污染來源解析和控制研究

通訊作者：朱新勝，博士，工程師，主要研究方向為大氣污染控制

中圖分類號：X51

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)03-0165-04

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

引用文獻格式：陳飛等.深圳市南山區垃圾焚燒發電廠對空氣質量的影響[J].環境與可持續發展，2016，41(3)：165-168.