西安江村沟垃圾填埋场恶臭污染扩散区域调查及综合防控措施*

潘瑞松，李婷婷，赵风斌，柴晓利，卞荣星

（1.常州环保科技开发推广中心，江苏 常州 213001； 2. 同济大学 环境科学与工程学院，上海200092）

1 引言

随着城镇化的加速和人民生活水平的提高，垃圾产生量与日俱增。我国2004—2016 年城市生活垃圾清运量逐年增加，2016 年我国城市生活垃圾清运量达到2.04×108t，无害化处理率为96.6%［1］。我国的城市生活垃圾处理方式主要包括卫生填埋处理法、焚烧法及资源综合利用，其所占比例分别为79.2%、2.0%及18.8%［2］。垃圾处理过程中会产生恶臭，恶臭污染已经成为继大气污染、水污染、噪声污染之后重要的环境公害［3-4］。垃圾场的气味主要来自废物分解的生物和化学过程中形成的气态化合物排放物，例如挥发性有机物、氨气、硫化氢、甲硫醇和甲基硫醚等［5］，其中含硫化合物还会参与导致产生二次污染物的大气反应，严重影响区域空气质量，对人类健康产生危害［6］。

垃圾填埋气排放量与环境条件的关系显著，由于不同季节中大气压力、温度、土壤湿度、风速和降雨的不同，填埋气臭味浓度呈现出明显的季节性和日变化差异［7-8］。有学者分析了上海市老港生活垃圾填埋场历年的监测数据，发现填埋场污染物排放和环境质量与气象条件（风速、温度和湿度等） 存在显著相关性［9］。粤港澳大湾区生活垃圾填埋场的物质存量特征及其环境影响研究结果表明，相比于其他地区，由于其属亚热带季风气候，降雨充足，气温较高，其垃圾填埋场内有机物腐化周期更短，渗滤液和填埋气产生量更大，其填埋气的产生和扩散影响受季节和环境条件影响较大［10］。我国垃圾填埋场均存在不同程度的恶臭问题，上海、北京、广州、深圳、杭州［11］等地的垃圾填埋场气体监测与表征研究较多，而西安江村沟垃圾填埋场作为目前西安市唯一的生活垃圾处理设施，关于其垃圾填埋场恶臭污染的研究较少。西安市江村沟垃圾填埋场受财政资金短缺的影响，机械设备严重短缺、老化，致使作业面较大，压实度不能保证，覆盖不及时，导致大量臭气无序扩散。加之填埋气收集利用率过低，大量填埋气排空，周边大气污染严重，尤其是距填埋场仅3 km 左右的西安市纺织城地区受影响最为严重，社会反映极为强烈，严重影响了该区域的经济发展和人民正常生活。因此确定垃圾填埋场恶臭释放强度（源强），对恶臭影响范围进行评估以及对恶臭进行治理是解决恶臭污染的主要手段。

本研究对西安江村沟垃圾填埋场恶臭在周边地区不同季节的扩散特点进行监测，对易受恶臭污染区域进行分析，通过对比填埋区和渗滤液区与其下风向区域电子鼻谱图特征，解析恶臭污染源，识别填埋场的现状环境问题，并提出相应的防控措施建议，为有效控制西安填埋场臭气扩散，改善周边环境现状提供技术支撑。

2 材料与方法

2.1 垃圾填埋场概况

江村沟垃圾填埋场（34°12′N、 109°5′E） 位于西安市灞桥区东南方向纺织城的江村附近，距离西安市18 km，白鹿西路北段公路北端为其入口，是一座集城市生活垃圾卫生填埋、垃圾渗滤液处理和垃圾填埋气发电三位于一体的超大型生活垃圾填埋场［12］。西安江村沟垃圾填埋场1993 年开始建设，占地68.73 hm2，目前生活垃圾处理量接近1×104t/d，最大堆体高度达130 m。

2.2 监测方法

1） 填埋场恶臭的面源采样装置。本项目组基于风洞法，开发了一种用于大气污染面源源强估算的采样装置。与现有技术相比，该装置具有以下优点：更好地表征面源在不同表面风速条件下的散发排放情况；采样风洞采用狭长形的矩形结构，可实现面源表面吹扫气流的均匀性并保证一定的气、固面传质时间；采用洁净后的空气作为吹扫气体，可避免环境空气中本底污染物浓度影响。风洞采样器示意见图1，试验装置示意见图2。将通过采样风洞法从现场采集的填埋气体储存在5 L 的气体采样袋内，24 h 内送检测定。

图1 风洞采样器示意

图2 试验装置示意

2） 大气污染面源释放强度估算。大气污染面源释放强度是评估恶臭污染和评价恶臭治理效果的重要参数［13］。面源释放源强计算公式：

ER=Q×C/S

式中：ER 为面源释放强度，mg/（m2·s）；Q 为气体流量，m3/s；C 为风洞排气采样口污染气体浓度，mg/m3；S 为采样风洞吹扫口面积，m2。

估算大气污染面源源强时，首先通过变频风机将环境空气送入气体净化罐中去除杂质，洁净空气经压差流量计组合计量后进入采样风洞，以一定的吹扫风速从采样风洞下方的面源表面流过并携带出面源表面所散发的污染物，通过在采样风洞出口处采集测定该工况下污染物气相浓度。典型恶臭气体TVOC 和H2S 浓度采用GC-MS（Agilent 7890A）［14］测定，NH3浓度采用分光光度法（空气和废气监测分析方法，第4 版） 测定。由于填埋气体组分浓度较低，采用Entench 7100 型预浓缩仪对气体样品进行浓缩［15］。分析所用的标准物质见表1。结合测定的气体流量可得到该吹扫风速下的每个工况下大气污染面源释放强度。在垃圾表面选取3 个点位进行测试，取3 次测试的平均值作为此工况的测试数据。

表1 分析所用的标准物质

3） 垃圾填埋气组分测定。垃圾填埋气成分采用德国AIRSENSE 的PEN3 系列电子鼻进行测定。本研究所用电子鼻安装了10 个气体感应器，可以识别填埋气中芳香族化合物、含氮化合物、醛、氢气、烷烃和低极性芳香烃、甲烷、含硫化合物和萜烯、醇、酮等常见填埋气体，序号1～10 分别代表10 种不同的化合物，根据其测定的电子鼻数据绘制电子鼻谱图。电子鼻具体感应物质类型及其检测浓度范围限值见表2。

表2 电子鼻各传感器感知物质类型

2.3 恶臭影响区域划分

西安市江村沟垃圾处理厂位于西安市东郊白鹿原，白鹿原为三级黄土台塬地貌，高出平原，该垃圾处理厂处于三级台塬中的二级狄寨塬，比平原高出140 m。为东西走向的沟，全长5.6 km，中间为容积较大的坑，直径1.6 km，两端筑坝，属山谷型填埋场。以填埋场为中心，分别以1、2、3、…、8 km 为半径做同心圆，然后以圆心为顶点间隔22.5°依次做射线将同心圆区域分成128 个分区。垃圾填埋操作区、渗滤液暴露区和下游水库区位于中心同心圆中，分别标记为S1、S2、S3，具体位点标记和分区结果如图3 所示。

在不同季节，根据气象条件和地形特点选取处于下风向及下风向周边的分区进行恶臭影响区域及强度的调查。检测分区在30 min 内风向无明显改变，且风速差异在10%以内的条件下，对恶臭浓度检测3 次，取其中最大值。此外，因城区大气背景有一定的臭气浓度响应，取无恶臭影响城区的臭气浓度响应值作为背景去除。

图3 江村沟垃圾填埋场周边区域分区示意

2.4 气候及气象

气候与气象数据在采样时同时现场监测，采用空盒气压表检测气压，采用手持式温湿度计检测气温、相对湿度，采用轻便三杯风向风速表检测风速和风向。

在西安江村沟垃圾填埋场现场安装1 台可移动式微型气象站（武汉新普惠科技有限公司，型号PH-1 自动气象监测站），安装有大气压、风速、风向、温度、湿度等传感器，每10 min 记录1 次数据，实现2016—2017 年全年的大气温度、风速、风向和湿度实时在线监测。

3 结果与分析

3.1 恶臭扩散影响区域调查

3.1.1 春季恶臭扩散影响区域调查

江村沟垃圾填埋场风向玫瑰图、全日风速曲线见图4 和图5。

图4 江村沟垃圾填埋场风向玫瑰图

图5 江村沟垃圾填埋场全日风速曲线（站号00001，监测点-001）

如图4（a） 所示，填埋场风向记录数据的风向玫瑰图显示春季（以4 月为例） 以东南风和东北风为主导风向，与该地区历年春季主导风向基本一致。由图5（a） 可知4 月全日风速集中在1.0 m/s左右。2016 年4 月21 日调查当日的气象条件（晴，温度14.7～24.3 ℃，湿度36%，风向东南，风速1.2 m/s） 较为符合4 月整体气象特征，因此，对处于下风向区域的恶臭释放强度进行调查，结果如图6 所示。

图6（黄色部分） 中可见，相比垃圾填埋操作区（S1） 和下游水库区（S3），渗滤液暴露区（S2）恶臭释放强度最高，为95 mg/（m2·s），在东南风下风向3 km 内随风向扩散，恶臭释放强度逐渐减弱至74 mg/（m2·s），横向扩散较弱；当扩散距离大于3 km 时恶臭释放强度显著衰减，从55 mg/（m2·s）减弱至10 mg/（m2·s），但横向扩散显著。恶臭气体的横向扩散显然与其扩散进入城区有关，在1 m/s 的低风速下恶臭气体扩散进入城区后，由于受建筑物的阻挡，恶臭改变了扩散方向，弥散入城区，同时也迅速的稀释、衰减。因此，当扩散距离大于7 km时，几乎检测不到恶臭浓度。因此，春季东南风下，恶臭气体主要影响到纺织城城区（图6）。

春季虽然东南风向为主导风向，但也有瞬时的东北风，瞬时东北风向下，下风向的恶臭浓度分布调查见图6（蓝色部分）。填埋场正下风向没有检测到恶臭，恶臭出现在下风向偏东方向，且恶臭释放强度较弱，为20～30 mg/（m2·s）。这与填埋场所处的地形有关，在较小的1 m/s 风速下东北风进入填埋场沟内，沿沟的走向改变方向向东南吹。恶臭沿此方向扩散至沟泉村，由于扩散过程中地势逐渐抬高，扩散至沟泉村的恶臭气体在高层东北风的作用下掉头又向西南扩散，主要影响到金星屋、江家沟（图6）。

图6 春季（4 月）江村沟垃圾填埋场东南风（黄）、东北风（蓝）下风向分区内恶臭释放强度分布及主要影响区域（红点）

3.1.2 夏季恶臭扩散影响区域调查

如图4（b） 所示，填埋场的风向玫瑰图显示夏季（以7 月为例） 以东南风和东北风为主导风向。由图5（b） 可知7 月6—8 日风速较大，最大风速达到3.2 m/s，但持续的天数较短，故7 月全日平均风速集中在1.2 m/s 左右。与春季全日平均风速1.0 m/s 相比，夏季风速有所增加。2016 年7 月29日调查当日的气象条件（晴转多云，温度25～38 ℃，湿度60%，风向东南，风速1.5 m/s） 较为符合7月整体气象特征，因此，选择处于下风向区域的恶臭释放强度进行调查，调查结果如图7 所示。

图7 夏季（7 月）江村沟垃圾填埋场东南风（黄）、东北风（蓝）下风向分区内恶臭释放强度分布及主要影响区域（红点）

图7（黄色部分） 中可见，垃圾填埋操作区（S1） 和渗滤液暴露区（S2） 恶臭释放强度较高，夏季的恶臭释放强度最大为270 mg/（m2·s），可能因为夏季较高的温度和垃圾构成的有机质比较丰富，可加速厌氧分解过程。Lim 等［16］研究表明在夏季垃圾填埋场中氨、乙醛和挥发性有机化合物等浓度显著增加，认为这可能是由于温度升高促进了厌氧分解，且低风速下污染物浓度呈上升趋势，这和本研究结果一致。在东南风下风向3 km 内恶臭随风向扩散，恶臭释放强度逐渐减弱至110 mg/（m2·s），横向扩散较弱；当扩散距离大于4 km 时恶臭浓度显著衰减至60 mg/（m2·s），但横向扩散显著。恶臭气体的横向扩散显然与其扩散进入城区有关，在1.5 m/s 的低风速下恶臭气体扩散进入城区后，由于受建筑物的阻挡，恶臭改变了扩散方向，弥散入城区，同时也迅速地稀释、衰减。当风速小于0.5 m/s 时，恶臭消散速度减小，而随着风速增加，恶臭扩散的同时浓度也会减小。因此，扩散距离4～6 km 是恶臭气体迅速扩散、稀释的区域，恶臭释放强度扩散至10～30 mg/（m2·s），9 km 范围外几乎检测不到恶臭浓度。因此，夏季东南风下，恶臭气体主要影响到纺织城城区和浐灞新城一带，最远影响至灞桥火车站附近。

夏季虽然东南风向为主导风向，但也有瞬时的东北风，在东北风作用下，下风向的恶臭浓度分布调查见图7（蓝色部分）。填埋场正下风向恶臭浓度较低，较高浓度恶臭出现在下风向偏东方向，即沟泉村200 mg/（m2·s）。在进入填埋场沟内，沿沟的走向改变，方向向东南吹。恶臭沿此方向扩散至金星村一带，由于扩散过程中地势逐渐抬高，扩散金星村的恶臭气体在高层东北风的作用下掉头又向西南扩散，主要影响到江家沟、北大寨村。

3.1.3 秋季恶臭扩散影响区域调查

如图4（c） 所示，填埋场风向记录数据的风向玫瑰图显示秋季（以11 月为例） 以东北风和西南风为主导风向。由图5（c） 可知11 月最大风速达到6 m/s，但持续的时间较短，整个11 月全日风速集中在2 m/s 左右。2016 年11 月11 日调查当日的气象条件（多云，温度7.4～16.2 ℃，湿度49.1%，风向东北，风速1.8 m/s） 较为符合11 月整体气象特征，因此，选择处于下风向进行调查，调查结果如图8 所示。

图8 秋季（11 月）江村沟垃圾填埋场东北风（黄）、西南风（蓝）下风向分区内恶臭释放强度分布及主要影响区域（红点）

图8（黄色部分） 中可见，垃圾填埋操作区（S1） 和渗滤液暴露区（S2） 恶臭释放强度较高，秋季最高恶臭释放强度达110 mg/（m2·s），秋季恶臭浓度仅低于夏季。研究表明，恶臭气体也易在秋季积累［16］。在东北风向下，由于下风向山丘的阻挡，下风向未检测到明显恶臭物质，相反，在填埋场西北方向4 km 范围内可以检测到恶臭物质，恶臭释放强度仍达40 mg/（m2·s），这主要是由于山丘的阻挡，恶臭气体改变扩散方向，沿着山丘向西北方向扩散。西北方向的纺织城成为主要的污染扩散区。恶臭污染由于气体的稀释作用在5 km范围外基本未检测到。

秋季虽然东北风向为主导风向，但也有瞬时的西南风，瞬时西南下风向的恶臭浓度分布调查见图8（蓝色部分）。填埋场正下风向没有检测到恶臭，恶臭出现在下风向偏东方向，即沟泉村60mg/（m2·s）。由于扩散过程中地势逐渐抬高，扩散至沟泉村的恶臭气体掉头又向西南扩散，主要影响到金星村和杜陵村。

3.1.4 冬季恶臭扩散影响区域调查

如图4（d） 所示，填埋场风向记录数据的风向玫瑰图显示冬季（以1 月为例） 以东北风为主导风向。由图5（d） 可知1 月全日风速集中在3～4 m/s。2017 年1 月11 日调查当日的气象条件（多云，温度1～4 ℃，湿度36%，风向东北，风速3.91 m/s），较为符合1 月整体气象特征，对处于下风向区域的恶臭释放强度进行调查，调查结果如图9 所示。

图9 冬季（1 月）江村沟垃圾填埋场东南风（黄）、东北风（蓝）下风向分区内恶臭释放强度分布及主要影响区域（红点）

图9（黄色部分） 中可见，渗滤液暴露区（S2）恶臭释放强度较高，相比于其他季节，冬季恶臭释放强度明显减小，均在30 mg/（m2·s）以下，这是由于冬季温度降低，微生物活性受到抑制，恶臭污染物的挥发减弱［17］。在东南风下风3 km 内恶臭随风向扩散，恶臭释放强度逐渐减弱。当扩散距离大于4 km 时，几乎检测不到恶臭浓度。因此，冬季东南风下，恶臭气体主要影响到纺织城城区。

冬季虽然东南风向为主导风向，但也有瞬时的东北风，瞬时东北风向下，下风向的恶臭浓度分布调查见图9（蓝色部分）。填埋场正下风向没有检测到恶臭，恶臭出现在下风向偏东方向，扩散至沟泉村和金星屋。

3.2 恶臭污染源解析

生活垃圾填埋场的主要恶臭释放源为垃圾填埋作业面、覆膜区渗滤液暴露区及下游水库。作业面垃圾的倾倒和压实等填埋操作过程释放大量的恶臭物质，在渗滤液浸出区也有大量的恶臭物质鼓泡析出，恶臭物质的产生与垃圾经历的一系列生化过程有关，由于生化过程受温度影响显著，故不同季节由于气温的变化恶臭释放和扩散的特征也不同，进而对周围环境的影响程度不同。分别在东北风和东南风的下风向，选取1～2 km 的调查分区，进行了臭气的电子鼻谱图辨析。考虑到不同化合物的半径距离代表的浓度差异较大，谱图半径根据化合物在环境中的检测浓度的大概高低限值选定，具体限值（左1 列） 和谱图结果见表3。

表3 不同季节下风向污染区域垃圾填埋气主要释放源的电子鼻图谱

表3 分别比较了东北风和东南风下风向区域的电子鼻谱图和不同填埋作业区电子鼻谱图的特征。通过比较发现，不同季节的东北风下风向区域电子鼻谱图具有相对应季节的填埋区和渗滤液区电子鼻谱图的特征；同时，不同季节的东南风下风向区域电子鼻谱图具有相对应季节的填埋区、渗滤液区和下游水库区混合臭气电子鼻谱图的特征。这些结果说明，在东北风向下，下风向区域臭气主要来自填埋区和渗滤液区，而下游水库区的臭气已被空气所稀释，臭气特征在电子鼻谱图上几乎没有体现。在东南风向下，下风向区域臭气则来自填埋区、渗滤液区和下游水库区的混合臭气，下游水库区臭气的混入，使具有显著臭气物质1（芳香族化合物如苯乙烯）、3（醛）、5（烷烃和低极性芳香烃）、7（含硫化合物如硫化氢） 特征的电子鼻谱图变得轮廓光滑。苯系物嗅阈值差距不大［18］，而含氧有机物嗅阈值差距较大，其中醛类嗅阈值普遍较低，基本呈现碳数越多、嗅阈值越低的趋势，含碳数低于3 的乙醛和丙醛嗅阈值较高［18］。硫化氢是一种无色、有毒气体，能够产生令人讨厌的臭鸡蛋气味，而且其嗅阈值很低［19］。在垃圾填埋场中不同恶臭气体化合物之间可能存在协同和拮抗作用［20］。嗅阈值越低，对恶臭的贡献越大，因此在恶臭防控治理中应首要考虑嗅阈值较低的气体。

3.3 西安江村沟垃圾填埋场恶臭污染控制对策

根据西安江村沟垃圾填埋场恶臭污染在不同季节的扩散区域的调查，建议以源头控制为前提，工艺除臭为关键，辅助喷洒药剂为主要措施。本研究采用微生物除臭或者植物提取液除臭剂喷洒在垃圾表面，通过生物菌抑制垃圾中致臭微生物的生化活动，降低垃圾腐烂速度和恶臭程度；或者是植物提取液中的有效分子与恶臭分子发生作用，从而减少恶臭产生。在生物除臭中，臭气进入细胞后，在体内作为营养物质被微生物所分解、利用，能有效去除垃圾恶臭气体氨气、硫化氢、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫有机恶臭气体［21-22］。植物的提取液大多含有多个共轭双键体系，具有较强的提供电子对的能力，促使苯硫醚及硫化氢等酸性臭气分子发生催化氧化反应［23］。此外，针对酸碱废气（有机硫化合物、含氮化合物、有机酸、含氧碳氢化合物、含卤化物等废气物质），主要采用化学除臭方法，化学药剂与臭味成分通过中和、氧化或其他化学反应去除臭味物质［24］。辅助药剂喷洒根据恶臭释放源主成分选择不同类型的除臭剂，根据不同释放源不同季节恶臭污染物的差异组成，建议施用的除臭剂类型见表4。

表4 不同释放源不同季节恶臭主成分和相应的除臭药剂选择

4 结论

1） 西安江村沟填埋场在不同季节源恶臭释放强度表现为夏季＞秋季＞春季＞冬季。春季东南风下，在城区内横向扩散明显，最远扩散至7 km。夏季在东南风下风3 km 内恶臭随风向扩散，横向扩散较弱；当扩散距离大于4 km 时恶臭浓度显著衰减，但横向扩散显著，主要影响到纺织城城区和浐灞新城一带，最远影响至灞桥火车站附近。秋冬季在东北风向下，由于山丘的阻挡，在低风速条件下，恶臭气体随风向改变扩散方向，转向西北风向扩散。

2） 电子鼻谱图结果表明：在东北风向下，西安江村沟填埋场周边恶臭污染源主要来自填埋区和渗滤液区；在东南风向下，下风向区域臭气则来自填埋区、渗滤液区和下游水库区的混合臭气。

3） 西安江村沟垃圾填埋场恶臭污染控制以喷洒药剂为主要措施。结合恶臭释放的季节以及扩散影响区域范围的恶臭主成分确定化学除臭剂、植物提取液、生物除臭剂等不同除臭剂混合使用方式。