垃圾焚燒發電廠惡臭氣體大氣擴散規律研究

梅志恒 MEI Zhi-heng；肖振航 XIAO Zhen-hang

（①中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，武漢 430071；②中國地質大學（武漢）工程學院，武漢 430074）

0 引言

我國垃圾焚燒發電建設規模將加快增長，垃圾焚燒發電具有占地面積小、處理快速、社會效益好等優勢，但其惡臭污染問題也越發受到公眾關注。垃圾焚燒發電會產生大量惡臭物質，不同工藝流程產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污染空氣也會產生二次污染物，威脅垃圾焚燒發電廠從業人員及周邊居民生命健康[1-2]。為合理評估垃圾焚燒發電廠臭氣擴散對周邊環境影響范圍及程度，需掌握臭氣擴散時空特征。衡量惡臭污染危害程度的指標是臭氣強度，惡臭氣體的臭氣強度與其濃度成正比。惡臭污染物中氨和硫化氫占比大[3]，而在日常監測中，氨的排放濃度遠高于硫化氫。因此，本文以氨作為特征惡臭污染物，研究其大氣擴散規律，為我國垃圾焚燒發電廠惡臭污染控制、推進垃圾焚燒發電建設綠色健康發展提供一定的科學指導。

大氣擴散模型用于研究排放進入大氣的空氣污染物的擴散、轉化、遷移和清除的規律[4]。目前描述大氣擴散規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。選擇空氣污染物擴散模型應考慮合適的時空尺度[6]，在探究中小尺度研究區域的空氣污染物擴散規律時，高斯模型簡單高效[7]，而高斯模型中的AERMOD（AMS/EPA Regulatory Model，AERMOD），預測值與監測值具有很好的一致性[8-9]，AERMOD 預測效果受多因素影響[10-11]，適用于模擬平坦地形污染物的遷移擴散[12]，已有學者應用AERMOD 研究垃圾焚燒發電廠、鋼鐵廠、燃氣輪機發電廠等煙氣特征污染物的擴散特性[13-16]，獲得小尺度下污染物濃度的精準模擬值，然而目前鮮有垃圾焚燒發電廠惡臭氣體時空特性方面的研究。

本文選取武漢某垃圾焚燒發電廠為研究對象，以氨作為特征惡臭污染物，基于AERMOD，探究垃圾焚燒發電廠惡臭氣體的時空特性，以期為環境風險管理提供技術支撐。

1 基礎數據的選取

AERMOD 涉及的基礎數據主要為研究區域的污染源數據、氣象數據和地形數據。

1.1 污染源數據的選取

污染源的排放及監測數據取自某垃圾焚燒發電廠環境驗收監測報告，該垃圾焚燒發電廠地處武漢市蔡甸區，日處理能力1500 噸，臭氣處置后經煙囪排放，煙囪高度110m。廠界廢氣監測布設H1、H2、H3 和H4 共4 個測點；環境空氣監測布設A1、A2 和A3 共3 個測點，其中，A1 為廠址下風向0.4km 處、A2 距離廠址1.2km 處、A3 為廠址上風向0.5km 處。廠界線及監測點分布圖見圖1，圖中紅色框線為廠界線。廠界污染物濃度監測數據見表1，環境濃度的監測數據見表2。

表1 廠界污染物監測結果

表2 環境空氣監測結果-小時均值

圖1 廠界線及監測點分布圖

1.2 氣象數據的選取

研究區域屬北、中亞熱帶過渡性季風氣候，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國家海洋和大氣管理局提供的公開氣象數據庫，地面和探空氣象數據的原始數據資料均來源于武漢市天河機場氣象站（編號57494），在2022年連續1年的逐時、逐次的常規氣象觀測資料，氣象要素包括時間、總云量、低云量、干球溫度、風向、風速等，這些數據在輸入AERMOD前，需要使用AERMET 進行預處理。

1.3 地形數據的選取

垃圾焚燒發電廠周邊1km 范圍內，最高海拔高度不超過90m 且低于煙囪高度，所處區域為平坦地形。地形數據采用美國太空總署和國防部國家測繪局聯合測量的SRTM 地形數據，精度為90m×90m。根據AERMAP 預處理程序得到地形等高線圖。預測區域范圍內均為城市用地類型，反照率、波文比及地表粗糙度分別取0.2075、1.625、1。

2 模型構建與模擬結果分析

2.1 污染源模型簡化及參數選取

將垃圾焚燒發電廠煙囪作為惡臭污染排放源，排放源可簡化為點源，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、煙囪出口內徑、煙囪幾何高度分別為0.972g/s、11.7m/s、197℃、36.7566m3/s、2.0m、110m。

設定的受體網格是污染源排放單元周圍的一個矩形網格區域，為21×21 的網格，每個網格點間距為108.58m，約5.05km2的研究范圍，覆蓋廠區和周邊區域。

2.2 模擬結果與分析

垃圾焚燒發電廠污染物氨排放的最大小時平均濃度和最大月均濃度見圖2、圖3、主導風下風向臭氣濃度水平擴散曲線見圖4。

圖2 垃圾發電廠氨最大小時平均濃度

圖4 主導風下風向臭氣濃度水平擴散曲線

由圖2、圖3 可知，氨呈現沿南北方向擴散趨勢，此趨勢在圖3 中尤為明顯，與當地主導風向一致，表明氣象條件影響惡臭污染物在大氣環境中擴散。沿南北方向，污染源上風方惡臭氣體擴散面積較下風方大，近似倒三角形狀，結合該區域地形等高線圖，出現這種現象，可能因為地形原因，較高地勢對于污染物的擴散有一定的阻截作用，污染物在地勢較低區域的擴散更為容易，使得地勢較低區域受污染物影響范圍更大。

運用origin 軟件將圖4 臭氣濃度擴散曲線與ExpDec1 單指數衰減函數模型進行非線性曲線擬合，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衰減。在距發電廠惡臭污染排放源50～200m 范圍內，污染濃度顯著下降，相較而言，冬季主導風下風向的水平擴散濃度變化幅度較夏季更大；在距污染源下風向200m 范圍外，主導風下風向惡臭污染物擴散濃度下降幅度趨于平緩；距離污染源相同距離范圍內，夏季污染物的擴散濃度略高于冬季。

圖2 中最大小時平均濃度多出現在夏季。氣溫是惡臭污染產生和揮發擴散的顯著影響因子，在較高溫度下，微生物活性較強，惡臭氣體產生量較大，其惡臭物質更易揮發擴散[17]。從時間維度分析，武漢夏季溫度較高，且夏季高溫持續時間較長。因此，垃圾發電廠夏季的惡臭氣體產生量較大，在這個時間段較容易出現極值濃度。

3 結論

①基于AERMOD 得到垃圾焚燒發電廠惡臭污染物大氣擴散規律：當惡臭污染物排放條件一定時，影響其大氣擴散的主要因素為風向、地形和氣溫；惡臭污染物擴散方向為當地主導風下方向，污染濃度隨著距離的增大呈單指數衰減，污染面積近似倒三角型；下風向地勢較低區域更易受污染影響；污染濃度極值出現時間受氣溫影響，多分布于夏季，在相同距離范圍內，夏季惡臭污染物的濃度略高于冬季。②本研究污染源數據為短期監測數據，尚需進一步收集監測數據，豐富和完善垃圾焚燒發電廠的時空分布規律。③研究成果為垃圾焚燒發電廠的設立、選址規劃、工藝流程、廠界及周邊大氣環境監測等提供參考，以期人與自然和諧共生高度謀劃發展。