西安江村溝垃圾填埋場惡臭污染擴散區域調查及綜合防控措施*

潘瑞松，李婷婷，趙風斌，柴曉利，卞榮星

（1.常州環保科技開發推廣中心，江蘇 常州 213001； 2. 同濟大學 環境科學與工程學院，上海200092）

1 引言

隨著城鎮化的加速和人民生活水平的提高，垃圾產生量與日俱增。我國2004—2016 年城市生活垃圾清運量逐年增加，2016 年我國城市生活垃圾清運量達到2.04×108t，無害化處理率為96.6%［1］。我國的城市生活垃圾處理方式主要包括衛生填埋處理法、焚燒法及資源綜合利用，其所占比例分別為79.2%、2.0%及18.8%［2］。垃圾處理過程中會產生惡臭，惡臭污染已經成為繼大氣污染、水污染、噪聲污染之后重要的環境公害［3-4］。垃圾場的氣味主要來自廢物分解的生物和化學過程中形成的氣態化合物排放物，例如揮發性有機物、氨氣、硫化氫、甲硫醇和甲基硫醚等［5］，其中含硫化合物還會參與導致產生二次污染物的大氣反應，嚴重影響區域空氣質量，對人類健康產生危害［6］。

垃圾填埋氣排放量與環境條件的關系顯著，由于不同季節中大氣壓力、溫度、土壤濕度、風速和降雨的不同，填埋氣臭味濃度呈現出明顯的季節性和日變化差異［7-8］。有學者分析了上海市老港生活垃圾填埋場歷年的監測數據，發現填埋場污染物排放和環境質量與氣象條件（風速、溫度和濕度等） 存在顯著相關性［9］。粵港澳大灣區生活垃圾填埋場的物質存量特征及其環境影響研究結果表明，相比于其他地區，由于其屬亞熱帶季風氣候，降雨充足，氣溫較高，其垃圾填埋場內有機物腐化周期更短，滲濾液和填埋氣產生量更大，其填埋氣的產生和擴散影響受季節和環境條件影響較大［10］。我國垃圾填埋場均存在不同程度的惡臭問題，上海、北京、廣州、深圳、杭州［11］等地的垃圾填埋場氣體監測與表征研究較多，而西安江村溝垃圾填埋場作為目前西安市唯一的生活垃圾處理設施，關于其垃圾填埋場惡臭污染的研究較少。西安市江村溝垃圾填埋場受財政資金短缺的影響，機械設備嚴重短缺、老化，致使作業面較大，壓實度不能保證，覆蓋不及時，導致大量臭氣無序擴散。加之填埋氣收集利用率過低，大量填埋氣排空，周邊大氣污染嚴重，尤其是距填埋場僅3 km 左右的西安市紡織城地區受影響最為嚴重，社會反映極為強烈，嚴重影響了該區域的經濟發展和人民正常生活。因此確定垃圾填埋場惡臭釋放強度（源強），對惡臭影響范圍進行評估以及對惡臭進行治理是解決惡臭污染的主要手段。

本研究對西安江村溝垃圾填埋場惡臭在周邊地區不同季節的擴散特點進行監測，對易受惡臭污染區域進行分析，通過對比填埋區和滲濾液區與其下風向區域電子鼻譜圖特征，解析惡臭污染源，識別填埋場的現狀環境問題，并提出相應的防控措施建議，為有效控制西安填埋場臭氣擴散，改善周邊環境現狀提供技術支撐。

2 材料與方法

2.1 垃圾填埋場概況

江村溝垃圾填埋場（34°12′N、 109°5′E） 位于西安市灞橋區東南方向紡織城的江村附近，距離西安市18 km，白鹿西路北段公路北端為其入口，是一座集城市生活垃圾衛生填埋、垃圾滲濾液處理和垃圾填埋氣發電三位于一體的超大型生活垃圾填埋場［12］。西安江村溝垃圾填埋場1993 年開始建設，占地68.73 hm2，目前生活垃圾處理量接近1×104t/d，最大堆體高度達130 m。

2.2 監測方法

1） 填埋場惡臭的面源采樣裝置。本項目組基于風洞法，開發了一種用于大氣污染面源源強估算的采樣裝置。與現有技術相比，該裝置具有以下優點：更好地表征面源在不同表面風速條件下的散發排放情況；采樣風洞采用狹長形的矩形結構，可實現面源表面吹掃氣流的均勻性并保證一定的氣、固面傳質時間；采用潔凈后的空氣作為吹掃氣體，可避免環境空氣中本底污染物濃度影響。風洞采樣器示意見圖1，試驗裝置示意見圖2。將通過采樣風洞法從現場采集的填埋氣體儲存在5 L 的氣體采樣袋內，24 h 內送檢測定。

圖1 風洞采樣器示意

圖2 試驗裝置示意

2） 大氣污染面源釋放強度估算。大氣污染面源釋放強度是評估惡臭污染和評價惡臭治理效果的重要參數［13］。面源釋放源強計算公式：

ER=Q×C/S

式中：ER 為面源釋放強度，mg/（m2·s）；Q 為氣體流量，m3/s；C 為風洞排氣采樣口污染氣體濃度，mg/m3；S 為采樣風洞吹掃口面積，m2。

估算大氣污染面源源強時，首先通過變頻風機將環境空氣送入氣體凈化罐中去除雜質，潔凈空氣經壓差流量計組合計量后進入采樣風洞，以一定的吹掃風速從采樣風洞下方的面源表面流過并攜帶出面源表面所散發的污染物，通過在采樣風洞出口處采集測定該工況下污染物氣相濃度。典型惡臭氣體TVOC 和H2S 濃度采用GC-MS（Agilent 7890A）［14］測定，NH3濃度采用分光光度法（空氣和廢氣監測分析方法，第4 版） 測定。由于填埋氣體組分濃度較低，采用Entench 7100 型預濃縮儀對氣體樣品進行濃縮［15］。分析所用的標準物質見表1。結合測定的氣體流量可得到該吹掃風速下的每個工況下大氣污染面源釋放強度。在垃圾表面選取3 個點位進行測試，取3 次測試的平均值作為此工況的測試數據。

表1 分析所用的標準物質

3） 垃圾填埋氣組分測定。垃圾填埋氣成分采用德國AIRSENSE 的PEN3 系列電子鼻進行測定。本研究所用電子鼻安裝了10 個氣體感應器，可以識別填埋氣中芳香族化合物、含氮化合物、醛、氫氣、烷烴和低極性芳香烴、甲烷、含硫化合物和萜烯、醇、酮等常見填埋氣體，序號1～10 分別代表10 種不同的化合物，根據其測定的電子鼻數據繪制電子鼻譜圖。電子鼻具體感應物質類型及其檢測濃度范圍限值見表2。

表2 電子鼻各傳感器感知物質類型

2.3 惡臭影響區域劃分

西安市江村溝垃圾處理廠位于西安市東郊白鹿原，白鹿原為三級黃土臺塬地貌，高出平原，該垃圾處理廠處于三級臺塬中的二級狄寨塬，比平原高出140 m。為東西走向的溝，全長5.6 km，中間為容積較大的坑，直徑1.6 km，兩端筑壩，屬山谷型填埋場。以填埋場為中心，分別以1、2、3、…、8 km 為半徑做同心圓，然后以圓心為頂點間隔22.5°依次做射線將同心圓區域分成128 個分區。垃圾填埋操作區、滲濾液暴露區和下游水庫區位于中心同心圓中，分別標記為S1、S2、S3，具體位點標記和分區結果如圖3 所示。

在不同季節，根據氣象條件和地形特點選取處于下風向及下風向周邊的分區進行惡臭影響區域及強度的調查。檢測分區在30 min 內風向無明顯改變，且風速差異在10%以內的條件下，對惡臭濃度檢測3 次，取其中最大值。此外，因城區大氣背景有一定的臭氣濃度響應，取無惡臭影響城區的臭氣濃度響應值作為背景去除。

圖3 江村溝垃圾填埋場周邊區域分區示意

2.4 氣候及氣象

氣候與氣象數據在采樣時同時現場監測，采用空盒氣壓表檢測氣壓，采用手持式溫濕度計檢測氣溫、相對濕度，采用輕便三杯風向風速表檢測風速和風向。

在西安江村溝垃圾填埋場現場安裝1 臺可移動式微型氣象站（武漢新普惠科技有限公司，型號PH-1 自動氣象監測站），安裝有大氣壓、風速、風向、溫度、濕度等傳感器，每10 min 記錄1 次數據，實現2016—2017 年全年的大氣溫度、風速、風向和濕度實時在線監測。

3 結果與分析

3.1 惡臭擴散影響區域調查

3.1.1 春季惡臭擴散影響區域調查

江村溝垃圾填埋場風向玫瑰圖、全日風速曲線見圖4 和圖5。

圖4 江村溝垃圾填埋場風向玫瑰圖

圖5 江村溝垃圾填埋場全日風速曲線（站號00001，監測點-001）

如圖4（a） 所示，填埋場風向記錄數據的風向玫瑰圖顯示春季（以4 月為例） 以東南風和東北風為主導風向，與該地區歷年春季主導風向基本一致。由圖5（a） 可知4 月全日風速集中在1.0 m/s左右。2016 年4 月21 日調查當日的氣象條件（晴，溫度14.7～24.3 ℃，濕度36%，風向東南，風速1.2 m/s） 較為符合4 月整體氣象特征，因此，對處于下風向區域的惡臭釋放強度進行調查，結果如圖6 所示。

圖6（黃色部分） 中可見，相比垃圾填埋操作區（S1） 和下游水庫區（S3），滲濾液暴露區（S2）惡臭釋放強度最高，為95 mg/（m2·s），在東南風下風向3 km 內隨風向擴散，惡臭釋放強度逐漸減弱至74 mg/（m2·s），橫向擴散較弱；當擴散距離大于3 km 時惡臭釋放強度顯著衰減，從55 mg/（m2·s）減弱至10 mg/（m2·s），但橫向擴散顯著。惡臭氣體的橫向擴散顯然與其擴散進入城區有關，在1 m/s 的低風速下惡臭氣體擴散進入城區后，由于受建筑物的阻擋，惡臭改變了擴散方向，彌散入城區，同時也迅速的稀釋、衰減。因此，當擴散距離大于7 km時，幾乎檢測不到惡臭濃度。因此，春季東南風下，惡臭氣體主要影響到紡織城城區（圖6）。

春季雖然東南風向為主導風向，但也有瞬時的東北風，瞬時東北風向下，下風向的惡臭濃度分布調查見圖6（藍色部分）。填埋場正下風向沒有檢測到惡臭，惡臭出現在下風向偏東方向，且惡臭釋放強度較弱，為20～30 mg/（m2·s）。這與填埋場所處的地形有關，在較小的1 m/s 風速下東北風進入填埋場溝內，沿溝的走向改變方向向東南吹。惡臭沿此方向擴散至溝泉村，由于擴散過程中地勢逐漸抬高，擴散至溝泉村的惡臭氣體在高層東北風的作用下掉頭又向西南擴散，主要影響到金星屋、江家溝（圖6）。

圖6 春季（4 月）江村溝垃圾填埋場東南風（黃）、東北風（藍）下風向分區內惡臭釋放強度分布及主要影響區域（紅點）

3.1.2 夏季惡臭擴散影響區域調查

如圖4（b） 所示，填埋場的風向玫瑰圖顯示夏季（以7 月為例） 以東南風和東北風為主導風向。由圖5（b） 可知7 月6—8 日風速較大，最大風速達到3.2 m/s，但持續的天數較短，故7 月全日平均風速集中在1.2 m/s 左右。與春季全日平均風速1.0 m/s 相比，夏季風速有所增加。2016 年7 月29日調查當日的氣象條件（晴轉多云，溫度25～38 ℃，濕度60%，風向東南，風速1.5 m/s） 較為符合7月整體氣象特征，因此，選擇處于下風向區域的惡臭釋放強度進行調查，調查結果如圖7 所示。

圖7 夏季（7 月）江村溝垃圾填埋場東南風（黃）、東北風（藍）下風向分區內惡臭釋放強度分布及主要影響區域（紅點）

圖7（黃色部分） 中可見，垃圾填埋操作區（S1） 和滲濾液暴露區（S2） 惡臭釋放強度較高，夏季的惡臭釋放強度最大為270 mg/（m2·s），可能因為夏季較高的溫度和垃圾構成的有機質比較豐富，可加速厭氧分解過程。Lim 等［16］研究表明在夏季垃圾填埋場中氨、乙醛和揮發性有機化合物等濃度顯著增加，認為這可能是由于溫度升高促進了厭氧分解，且低風速下污染物濃度呈上升趨勢，這和本研究結果一致。在東南風下風向3 km 內惡臭隨風向擴散，惡臭釋放強度逐漸減弱至110 mg/（m2·s），橫向擴散較弱；當擴散距離大于4 km 時惡臭濃度顯著衰減至60 mg/（m2·s），但橫向擴散顯著。惡臭氣體的橫向擴散顯然與其擴散進入城區有關，在1.5 m/s 的低風速下惡臭氣體擴散進入城區后，由于受建筑物的阻擋，惡臭改變了擴散方向，彌散入城區，同時也迅速地稀釋、衰減。當風速小于0.5 m/s 時，惡臭消散速度減小，而隨著風速增加，惡臭擴散的同時濃度也會減小。因此，擴散距離4～6 km 是惡臭氣體迅速擴散、稀釋的區域，惡臭釋放強度擴散至10～30 mg/（m2·s），9 km 范圍外幾乎檢測不到惡臭濃度。因此，夏季東南風下，惡臭氣體主要影響到紡織城城區和浐灞新城一帶，最遠影響至灞橋火車站附近。

夏季雖然東南風向為主導風向，但也有瞬時的東北風，在東北風作用下，下風向的惡臭濃度分布調查見圖7（藍色部分）。填埋場正下風向惡臭濃度較低，較高濃度惡臭出現在下風向偏東方向，即溝泉村200 mg/（m2·s）。在進入填埋場溝內，沿溝的走向改變，方向向東南吹。惡臭沿此方向擴散至金星村一帶，由于擴散過程中地勢逐漸抬高，擴散金星村的惡臭氣體在高層東北風的作用下掉頭又向西南擴散，主要影響到江家溝、北大寨村。

3.1.3 秋季惡臭擴散影響區域調查

如圖4（c） 所示，填埋場風向記錄數據的風向玫瑰圖顯示秋季（以11 月為例） 以東北風和西南風為主導風向。由圖5（c） 可知11 月最大風速達到6 m/s，但持續的時間較短，整個11 月全日風速集中在2 m/s 左右。2016 年11 月11 日調查當日的氣象條件（多云，溫度7.4～16.2 ℃，濕度49.1%，風向東北，風速1.8 m/s） 較為符合11 月整體氣象特征，因此，選擇處于下風向進行調查，調查結果如圖8 所示。

圖8 秋季（11 月）江村溝垃圾填埋場東北風（黃）、西南風（藍）下風向分區內惡臭釋放強度分布及主要影響區域（紅點）

圖8（黃色部分） 中可見，垃圾填埋操作區（S1） 和滲濾液暴露區（S2） 惡臭釋放強度較高，秋季最高惡臭釋放強度達110 mg/（m2·s），秋季惡臭濃度僅低于夏季。研究表明，惡臭氣體也易在秋季積累［16］。在東北風向下，由于下風向山丘的阻擋，下風向未檢測到明顯惡臭物質，相反，在填埋場西北方向4 km 范圍內可以檢測到惡臭物質，惡臭釋放強度仍達40 mg/（m2·s），這主要是由于山丘的阻擋，惡臭氣體改變擴散方向，沿著山丘向西北方向擴散。西北方向的紡織城成為主要的污染擴散區。惡臭污染由于氣體的稀釋作用在5 km范圍外基本未檢測到。

秋季雖然東北風向為主導風向，但也有瞬時的西南風，瞬時西南下風向的惡臭濃度分布調查見圖8（藍色部分）。填埋場正下風向沒有檢測到惡臭，惡臭出現在下風向偏東方向，即溝泉村60mg/（m2·s）。由于擴散過程中地勢逐漸抬高，擴散至溝泉村的惡臭氣體掉頭又向西南擴散，主要影響到金星村和杜陵村。

3.1.4 冬季惡臭擴散影響區域調查

如圖4（d） 所示，填埋場風向記錄數據的風向玫瑰圖顯示冬季（以1 月為例） 以東北風為主導風向。由圖5（d） 可知1 月全日風速集中在3～4 m/s。2017 年1 月11 日調查當日的氣象條件（多云，溫度1～4 ℃，濕度36%，風向東北，風速3.91 m/s），較為符合1 月整體氣象特征，對處于下風向區域的惡臭釋放強度進行調查，調查結果如圖9 所示。

圖9 冬季（1 月）江村溝垃圾填埋場東南風（黃）、東北風（藍）下風向分區內惡臭釋放強度分布及主要影響區域（紅點）

圖9（黃色部分） 中可見，滲濾液暴露區（S2）惡臭釋放強度較高，相比于其他季節，冬季惡臭釋放強度明顯減小，均在30 mg/（m2·s）以下，這是由于冬季溫度降低，微生物活性受到抑制，惡臭污染物的揮發減弱［17］。在東南風下風3 km 內惡臭隨風向擴散，惡臭釋放強度逐漸減弱。當擴散距離大于4 km 時，幾乎檢測不到惡臭濃度。因此，冬季東南風下，惡臭氣體主要影響到紡織城城區。

冬季雖然東南風向為主導風向，但也有瞬時的東北風，瞬時東北風向下，下風向的惡臭濃度分布調查見圖9（藍色部分）。填埋場正下風向沒有檢測到惡臭，惡臭出現在下風向偏東方向，擴散至溝泉村和金星屋。

3.2 惡臭污染源解析

生活垃圾填埋場的主要惡臭釋放源為垃圾填埋作業面、覆膜區滲濾液暴露區及下游水庫。作業面垃圾的傾倒和壓實等填埋操作過程釋放大量的惡臭物質，在滲濾液浸出區也有大量的惡臭物質鼓泡析出，惡臭物質的產生與垃圾經歷的一系列生化過程有關，由于生化過程受溫度影響顯著，故不同季節由于氣溫的變化惡臭釋放和擴散的特征也不同，進而對周圍環境的影響程度不同。分別在東北風和東南風的下風向，選取1～2 km 的調查分區，進行了臭氣的電子鼻譜圖辨析。考慮到不同化合物的半徑距離代表的濃度差異較大，譜圖半徑根據化合物在環境中的檢測濃度的大概高低限值選定，具體限值（左1 列） 和譜圖結果見表3。

表3 不同季節下風向污染區域垃圾填埋氣主要釋放源的電子鼻圖譜

表3 分別比較了東北風和東南風下風向區域的電子鼻譜圖和不同填埋作業區電子鼻譜圖的特征。通過比較發現，不同季節的東北風下風向區域電子鼻譜圖具有相對應季節的填埋區和滲濾液區電子鼻譜圖的特征；同時，不同季節的東南風下風向區域電子鼻譜圖具有相對應季節的填埋區、滲濾液區和下游水庫區混合臭氣電子鼻譜圖的特征。這些結果說明，在東北風向下，下風向區域臭氣主要來自填埋區和滲濾液區，而下游水庫區的臭氣已被空氣所稀釋，臭氣特征在電子鼻譜圖上幾乎沒有體現。在東南風向下，下風向區域臭氣則來自填埋區、滲濾液區和下游水庫區的混合臭氣，下游水庫區臭氣的混入，使具有顯著臭氣物質1（芳香族化合物如苯乙烯）、3（醛）、5（烷烴和低極性芳香烴）、7（含硫化合物如硫化氫） 特征的電子鼻譜圖變得輪廓光滑。苯系物嗅閾值差距不大［18］，而含氧有機物嗅閾值差距較大，其中醛類嗅閾值普遍較低，基本呈現碳數越多、嗅閾值越低的趨勢，含碳數低于3 的乙醛和丙醛嗅閾值較高［18］。硫化氫是一種無色、有毒氣體，能夠產生令人討厭的臭雞蛋氣味，而且其嗅閾值很低［19］。在垃圾填埋場中不同惡臭氣體化合物之間可能存在協同和拮抗作用［20］。嗅閾值越低，對惡臭的貢獻越大，因此在惡臭防控治理中應首要考慮嗅閾值較低的氣體。

3.3 西安江村溝垃圾填埋場惡臭污染控制對策

根據西安江村溝垃圾填埋場惡臭污染在不同季節的擴散區域的調查，建議以源頭控制為前提，工藝除臭為關鍵，輔助噴灑藥劑為主要措施。本研究采用微生物除臭或者植物提取液除臭劑噴灑在垃圾表面，通過生物菌抑制垃圾中致臭微生物的生化活動，降低垃圾腐爛速度和惡臭程度；或者是植物提取液中的有效分子與惡臭分子發生作用，從而減少惡臭產生。在生物除臭中，臭氣進入細胞后，在體內作為營養物質被微生物所分解、利用，能有效去除垃圾惡臭氣體氨氣、硫化氫、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫有機惡臭氣體［21-22］。植物的提取液大多含有多個共軛雙鍵體系，具有較強的提供電子對的能力，促使苯硫醚及硫化氫等酸性臭氣分子發生催化氧化反應［23］。此外，針對酸堿廢氣（有機硫化合物、含氮化合物、有機酸、含氧碳氫化合物、含鹵化物等廢氣物質），主要采用化學除臭方法，化學藥劑與臭味成分通過中和、氧化或其他化學反應去除臭味物質［24］。輔助藥劑噴灑根據惡臭釋放源主成分選擇不同類型的除臭劑，根據不同釋放源不同季節惡臭污染物的差異組成，建議施用的除臭劑類型見表4。

表4 不同釋放源不同季節惡臭主成分和相應的除臭藥劑選擇

4 結論

1） 西安江村溝填埋場在不同季節源惡臭釋放強度表現為夏季＞秋季＞春季＞冬季。春季東南風下，在城區內橫向擴散明顯，最遠擴散至7 km。夏季在東南風下風3 km 內惡臭隨風向擴散，橫向擴散較弱；當擴散距離大于4 km 時惡臭濃度顯著衰減，但橫向擴散顯著，主要影響到紡織城城區和浐灞新城一帶，最遠影響至灞橋火車站附近。秋冬季在東北風向下，由于山丘的阻擋，在低風速條件下，惡臭氣體隨風向改變擴散方向，轉向西北風向擴散。

2） 電子鼻譜圖結果表明：在東北風向下，西安江村溝填埋場周邊惡臭污染源主要來自填埋區和滲濾液區；在東南風向下，下風向區域臭氣則來自填埋區、滲濾液區和下游水庫區的混合臭氣。

3） 西安江村溝垃圾填埋場惡臭污染控制以噴灑藥劑為主要措施。結合惡臭釋放的季節以及擴散影響區域范圍的惡臭主成分確定化學除臭劑、植物提取液、生物除臭劑等不同除臭劑混合使用方式。