垃圾焚烧发电厂恶臭气体大气扩散规律研究

梅志恒 MEI Zhi-heng；肖振航 XIAO Zhen-hang

（①中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，武汉 430071；②中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074）

0 引言

我国垃圾焚烧发电建设规模将加快增长，垃圾焚烧发电具有占地面积小、处理快速、社会效益好等优势，但其恶臭污染问题也越发受到公众关注。垃圾焚烧发电会产生大量恶臭物质，不同工艺流程产生的恶臭污染物浓度和组成都有很大的差异。这些恶臭气体不但会污染空气也会产生二次污染物，威胁垃圾焚烧发电厂从业人员及周边居民生命健康[1-2]。为合理评估垃圾焚烧发电厂臭气扩散对周边环境影响范围及程度，需掌握臭气扩散时空特征。衡量恶臭污染危害程度的指标是臭气强度，恶臭气体的臭气强度与其浓度成正比。恶臭污染物中氨和硫化氢占比大[3]，而在日常监测中，氨的排放浓度远高于硫化氢。因此，本文以氨作为特征恶臭污染物，研究其大气扩散规律，为我国垃圾焚烧发电厂恶臭污染控制、推进垃圾焚烧发电建设绿色健康发展提供一定的科学指导。

大气扩散模型用于研究排放进入大气的空气污染物的扩散、转化、迁移和清除的规律[4]。目前描述大气扩散规律的模型主要有三类[5]：高斯烟羽模型、欧拉模型和拉格朗日模型。选择空气污染物扩散模型应考虑合适的时空尺度[6]，在探究中小尺度研究区域的空气污染物扩散规律时，高斯模型简单高效[7]，而高斯模型中的AERMOD（AMS/EPA Regulatory Model，AERMOD），预测值与监测值具有很好的一致性[8-9]，AERMOD 预测效果受多因素影响[10-11]，适用于模拟平坦地形污染物的迁移扩散[12]，已有学者应用AERMOD 研究垃圾焚烧发电厂、钢铁厂、燃气轮机发电厂等烟气特征污染物的扩散特性[13-16]，获得小尺度下污染物浓度的精准模拟值，然而目前鲜有垃圾焚烧发电厂恶臭气体时空特性方面的研究。

本文选取武汉某垃圾焚烧发电厂为研究对象，以氨作为特征恶臭污染物，基于AERMOD，探究垃圾焚烧发电厂恶臭气体的时空特性，以期为环境风险管理提供技术支撑。

1 基础数据的选取

AERMOD 涉及的基础数据主要为研究区域的污染源数据、气象数据和地形数据。

1.1 污染源数据的选取

污染源的排放及监测数据取自某垃圾焚烧发电厂环境验收监测报告，该垃圾焚烧发电厂地处武汉市蔡甸区，日处理能力1500 吨，臭气处置后经烟囱排放，烟囱高度110m。厂界废气监测布设H1、H2、H3 和H4 共4 个测点；环境空气监测布设A1、A2 和A3 共3 个测点，其中，A1 为厂址下风向0.4km 处、A2 距离厂址1.2km 处、A3 为厂址上风向0.5km 处。厂界线及监测点分布图见图1，图中红色框线为厂界线。厂界污染物浓度监测数据见表1，环境浓度的监测数据见表2。

表1 厂界污染物监测结果

表2 环境空气监测结果-小时均值

图1 厂界线及监测点分布图

1.2 气象数据的选取

研究区域属北、中亚热带过渡性季风气候，具有热丰、水富、光足的气候特征。地面和探空气象资料主要来自于美国国家海洋和大气管理局提供的公开气象数据库，地面和探空气象数据的原始数据资料均来源于武汉市天河机场气象站（编号57494），在2022年连续1年的逐时、逐次的常规气象观测资料，气象要素包括时间、总云量、低云量、干球温度、风向、风速等，这些数据在输入AERMOD前，需要使用AERMET 进行预处理。

1.3 地形数据的选取

垃圾焚烧发电厂周边1km 范围内，最高海拔高度不超过90m 且低于烟囱高度，所处区域为平坦地形。地形数据采用美国太空总署和国防部国家测绘局联合测量的SRTM 地形数据，精度为90m×90m。根据AERMAP 预处理程序得到地形等高线图。预测区域范围内均为城市用地类型，反照率、波文比及地表粗糙度分别取0.2075、1.625、1。

2 模型构建与模拟结果分析

2.1 污染源模型简化及参数选取

将垃圾焚烧发电厂烟囱作为恶臭污染排放源，排放源可简化为点源，氨作为特征恶臭污染物。出口烟气流量、出口烟气流速、出口烟气温度、出口烟气浓度、烟囱出口内径、烟囱几何高度分别为0.972g/s、11.7m/s、197℃、36.7566m3/s、2.0m、110m。

设定的受体网格是污染源排放单元周围的一个矩形网格区域，为21×21 的网格，每个网格点间距为108.58m，约5.05km2的研究范围，覆盖厂区和周边区域。

2.2 模拟结果与分析

垃圾焚烧发电厂污染物氨排放的最大小时平均浓度和最大月均浓度见图2、图3、主导风下风向臭气浓度水平扩散曲线见图4。

图2 垃圾发电厂氨最大小时平均浓度

图4 主导风下风向臭气浓度水平扩散曲线

由图2、图3 可知，氨呈现沿南北方向扩散趋势，此趋势在图3 中尤为明显，与当地主导风向一致，表明气象条件影响恶臭污染物在大气环境中扩散。沿南北方向，污染源上风方恶臭气体扩散面积较下风方大，近似倒三角形状，结合该区域地形等高线图，出现这种现象，可能因为地形原因，较高地势对于污染物的扩散有一定的阻截作用，污染物在地势较低区域的扩散更为容易，使得地势较低区域受污染物影响范围更大。

运用origin 软件将图4 臭气浓度扩散曲线与ExpDec1 单指数衰减函数模型进行非线性曲线拟合，得到夏季、冬季拟合度R2分别为0.99754、0.99224，拟合度较好，表明污染浓度随着距离的增大呈单指数衰减。在距发电厂恶臭污染排放源50～200m 范围内，污染浓度显著下降，相较而言，冬季主导风下风向的水平扩散浓度变化幅度较夏季更大；在距污染源下风向200m 范围外，主导风下风向恶臭污染物扩散浓度下降幅度趋于平缓；距离污染源相同距离范围内，夏季污染物的扩散浓度略高于冬季。

图2 中最大小时平均浓度多出现在夏季。气温是恶臭污染产生和挥发扩散的显著影响因子，在较高温度下，微生物活性较强，恶臭气体产生量较大，其恶臭物质更易挥发扩散[17]。从时间维度分析，武汉夏季温度较高，且夏季高温持续时间较长。因此，垃圾发电厂夏季的恶臭气体产生量较大，在这个时间段较容易出现极值浓度。

3 结论

①基于AERMOD 得到垃圾焚烧发电厂恶臭污染物大气扩散规律：当恶臭污染物排放条件一定时，影响其大气扩散的主要因素为风向、地形和气温；恶臭污染物扩散方向为当地主导风下方向，污染浓度随着距离的增大呈单指数衰减，污染面积近似倒三角型；下风向地势较低区域更易受污染影响；污染浓度极值出现时间受气温影响，多分布于夏季，在相同距离范围内，夏季恶臭污染物的浓度略高于冬季。②本研究污染源数据为短期监测数据，尚需进一步收集监测数据，丰富和完善垃圾焚烧发电厂的时空分布规律。③研究成果为垃圾焚烧发电厂的设立、选址规划、工艺流程、厂界及周边大气环境监测等提供参考，以期人与自然和谐共生高度谋划发展。