深圳市南山区垃圾焚烧发电厂对空气质量的影响

陈　飞　周　洋　胡　洁　朱新胜　谢　旻　欧阳琰　柴发合

(1.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京　210042；2.南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京　210044；3.南京大学大气科学学院，江苏 南京　210023；4.中国环境科学研究院，北京　10012)

深圳市南山区垃圾焚烧发电厂对空气质量的影响

陈飞1，2周洋3胡洁1朱新胜1谢旻3欧阳琰1，2柴发合4

(1.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京210042；2.南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京210044；3.南京大学大气科学学院，江苏 南京210023；4.中国环境科学研究院，北京10012)

【摘要】利用气象模式WRF生成的气象数据，采用CALPUFF空气质量模式模拟研究了深圳市南山区垃圾焚烧发电厂对空气质量的影响。结果表明：SO2的最大小时浓度为19.0μg/m3；NO2的最大小时浓度为42.0μg/m3；HCl的最大小时浓度为5.27μg/m3，区域各污染物小时最大落地浓度均能达标。SO2的最大日均浓度为2.5μg/m3，为评价标准的1.67%；NO2的最大日均浓度为5.2μg/m3，为评价标准的6.50%；HCl的最大日均浓度为0.68μg/m3，为评价标准的4.53%；PM10的最大日均浓度为0.83μg/m3，为评价标准的0.55%。SO2的年均浓度最大值为0.11μg/m3，为评价标准的0.19%；NO2的年均浓度最大值为0.28μg/m3，为评价标准的0.70%；PM10的年均浓度最大值为0.04μg/m3，为评价标准的0.05%；Hg的年均浓度最大值为0.081 ng/m3，为评价标准的0.16%，对周边大气环境的影响较小，能够满足环境质量标准要求。

【关键词】垃圾焚烧发电厂；污染源；Calpuff模式；空气质量

深圳市环卫行业经过二十余年的发展，在基础设施建设、处理技术的创新、业务管理及体制的改革等方面取得了非常大的成绩。但随着深圳市经济发展，流动人口急剧增长，城市垃圾量快速增加，垃圾焚烧处理设施的建设仍处于不平衡，出现了与总体环卫规划不相符合的现象。目前深圳市生活垃圾日产生量已超过15000t/d，在用的生活垃圾处理设施共有10座(5座垃圾焚烧厂和5座卫生填埋场)，各区的垃圾产生量的增多，现有的垃圾处理设施均存在容量趋于饱和的趋势。既不利于垃圾处理设施本身的正常稳定运行，也导致垃圾处理设施故障或检修期间，垃圾处理不能有效保障。

《深圳市人居环境保护与建设“十二五”规划》提出：建立完善的垃圾分类收集体系，提高垃圾分类收集率和资源化率，逐步实现人均生活垃圾产生量“零增长”。完成老虎坑垃圾卫生填埋场和焚烧厂二期、下坪固体废弃物填埋场二期、白鸽湖垃圾焚烧厂、南山垃圾焚烧发电厂二期工程、东部垃圾焚烧厂和坪山垃圾分选处理厂等项目建设。因此掌握深圳市南山区垃圾焚烧发电厂对空气质量的影响具有十分重要的意义。目前，国内外学者广泛采用空气质量模型预测污染物对空气质量的影响，并取得了一系列显著的成果[1-7]。笔者结合南山垃圾焚烧发电厂二期工程的地形及气象条件，采用Calpuff模型对污染物的扩散进行模拟，掌握污染物的扩散规律，和对周边空气质量的影响。

1研究方法

1.1Calpuff模型介绍

CALPUFF是US EPA(美国国家环保局)认证的模型之一，模型主要是针对复杂地形、海路风交界沿海项目、规划环评项目进行大气预测，根据地面站和高空站观测数据，或MM5、WRF等数据并结合当地地形、地貌特征进行三维风场的模拟。针对多种点/面/线/体污染源类型、多种污染物和多种受体类型进行污染源扩散的模拟计算分析，包括多种化学转化等计算模块，可以计算污染物的化学转化，干、湿沉降，并考虑建筑物下洗的影响。

Calpuff模型CALMET(网格化气象风场模块)、CALPUFF(非稳态拉格朗日高斯烟团模型)和CALPOST(数据分析后处理程序)三个核心。其中，CALMET包含了客观化的参数分析、陡坡地形的斜烟流参数化处理、地形影响下的动力学流体效应、特殊地形对大气流体的阻滞效应、辅散散度最小化处理、以及专门为处理海陆边界层和大面积水体区域上空的气体扩散的微气象学处理算法；CALPUFF包括了复杂地形算法模块、水面扩散和水陆边界的相互影响算法、建筑物下洗算法、湿沉降、干沉降通量计算和各类化学污染物之间直接的化学变化算法；CALPOST用来处理CALPUFF模式的数值计算后的输出结果，可选择计算任意的小时、分钟的时间平均浓度和各种沉降通量。考虑到本研究的实际情况，除了来自于垃圾焚烧发电厂锅炉烟气的直接排放，还有一部分二次粒子来自于前体物NOx和SO2(硝酸盐和硫酸盐)的化学反应。故选择具备相应化学模块的CALPUFF模型，对烟尘进行预测计算。

1.2模型参数设置

本研究选用CALPUFF扩散模式6.42版本和WRF气象模式(ARW3.2.1版本)。CALPUFF模型所需输入地理地形和土地利用类型数据。其中，地理地形数据参数包括计算区域的海拔高度，土地利用类型。地形数据范围同预测范围，海拔高度由计算区域的遥感图像及数字高程DEM(美国网站下载的“SRTM 90m Digital Elevation Data”)数据提取，分辨率为90m。土地利用类型数据LULC(land use land cover)包括：城市和建筑区、农田、牧场、林地、水、湿地、荒地、冻土带和终年积雪或终年结冰地带的有关信息。其中WRF气象模式采用三层嵌套模拟风场，驱动气象场为模拟区域2014年深圳、香港地区的实测逐日逐次气象资料，包括风速、风向、温度、湿度、气压、降水、云量等。本模型化学转化方法选择MESOPUFF II模型，夜间转换率：SO2损失为0.2%/hr；NOx损失为2%/hr；HNO3增益为2%/hr。

图1　WRF数值模拟三层嵌套示意图

2结果与讨论

2.1区域的风场分析

区域的三层嵌套图如图1所示。采用WRF数值模拟三层嵌套风场矢量图，如图2所示。从图中可知，该地区存在明显的海陆风现象，海风势力较强，春夏季受东南季风影响，以东风、南风为主，秋冬以西北风为主，与2014年评估区域所在地全年风向玫瑰图比较吻合。由结果可知模拟区局地风场较为复杂，海洋风速较大，陆地风速较小，特别是秋冬季，海洋风速可达6m/s以上，有利于污染物扩散。

图2　WRF数值模拟第三层嵌套风场矢量图

2.2小时平均浓度预测结果

根据2014年项目所在区域的逐时气象数据，计算常规污染物在大气环境评价范围内网格点的逐时小时浓度，获得每个网格点最大小时浓度值，SO2、NO2和HCl各污染物区域最大小时平均浓度等值线分布情况见图3。

图3　SO2、NO2和HCl各污染物区域最大小时平均浓度等值线分布

表1是各污染物的小时最大浓度预测表。由表可知，SO2的最大小时浓度出现在(-200，200)位置，为19.0μg/m3，为评价标准的3.8%；NO2的最大小时浓度出现在(-1600，200)位置为42.0μg/m3，为评价标准的21%；HCl的最大小时浓度为5.27μg/m3，为评价标准的10.54%。

2.3日均值平均浓度预测结果

SO2、NO2、HCl和PM10各污染物区域最大日平均浓度等值线分布情况见图4。表2为各污染物的日均最大浓度预测表。 有表2可知，日平均最大浓度均出现在点 (-200，200) 处，其中SO2的最大日均浓度为2.5μg/m3，为评价标准的1.67%；NO2的最大日均浓度为5.2μg/m3，为评价标准的6.50%；HCl的最大日均浓度为0.68μg/m3，为评价标准的4.53%；PM10的最大日均浓度为0.83μg/m3，为评价标准的0.55%。由此可见，区域各污染物日均浓度预测值均能达标。

表1　小时最大浓度预测统计表

表2　日平均最大浓度预测统计表

图4　SO2、NO2、HCl、PM10各污染物区域最大日平均浓度等值线分布

2.4年(日)均值平均浓度预测结果

主要污染物区域最大年平均浓度等值线分布情况见图5。表3为各污染物的年均最大浓度预测表。 有表3可知，年平均最大浓度均出现在点 (-1200，800) 处，其中SO2的年均浓度最大值为0.11μg/m3，为评价标准的0.19%；NO2的年均浓度最大值为0.28μg/m3，为评价标准的0.70%；PM10的年均浓度最大值为0.04μg/m3，为评价标准的0.05%；Hg的年均浓度最大值为0.000081μg/m3，为评价标准的0.16%。区域内各污染物年均最大落地浓度均能达标。

表3　年平均最大浓度预测统计表

图5　SO2、NO2、PM10和Hg各污染物区域最大日平均浓度等值线分布

3结论

(1)本地区存在明显的海陆风，海风势力较强，春夏季受东南季风影响，以东风、南风为主，秋冬以西北风为主。模拟区局地风场较为复杂，海洋风速较大，陆地风速较小，特别是秋冬季，海洋风速可达6m/s以上，有利于污染物扩散。

(2)由Calpuff模拟结果可知：SO2的最大小时浓度为19.0μg/m3，为评价标准的3.8%；NO2的最大小时浓度为42.0μg/m3，为评价标准的21%；HCl的最大小时浓度为5.27μg/m3，为评价标准的10.54%。区域各污染物小时最大落地浓度均能达标。

(3)SO2的最大日均浓度为2.5μg/m3，为评价标准的1.67%；NO2的最大日均浓度为5.2μg/m3，为评价标准的6.50%；HCL的最大日均浓度为0.68μg/m3，为评价标准的4.53%；PM10的最大日均浓度为0.83μg/m3，为评价标准的0.55%。

(4)SO2的年均浓度最大值为0.11μg/m3，为评价标准的0.19%；NO2的年均浓度最大值为0.28μg/m3，为评价标准的0.70%；PM10的年均浓度最大值为0.04μg/m3，为评价标准的0.05%；Hg的年均浓度最大值为0.000081μg/m3，为评价标准的0.16%。由此可见，本项目正常排放情况下，对周边大气环境的影响较小，能够满足环境质量标准要求。

参考文献：

[1]陈巧俊.基于CALPUFF模型的漳州市大气环境容量研究[J].环境科学与管理，2014，39(9)：23-27.

[2]孙维，陈飞，王晖，等.CALPUFF模型在合肥地区SO2大气环境容量测算中的应用．南京信息工程大学学报，2015，7(4).

[3]伯鑫，王刚，温柔，等.京津冀地区火龟企业的大气污染影响.中国环境科学，2015，35(2)：364-373.

[4]赵伟，范绍佳，谢文彰.AERMOD和CALPUFF对沿海电厂烟气扩散模拟对比研究.环境科学与技术，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

作者简介：陈飞，博士研究生，主要从事大气污染来源解析和控制研究

通讯作者：朱新胜，博士，工程师，主要研究方向为大气污染控制

中图分类号：X51

文献标识码：A

文章编号：1673-288X(2016)03-0165-04

项目资助：环境保护部南京环境科学研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项资助项目，国家环保公益性行业科研专项(No.201509020)

引用文献格式：陈飞等.深圳市南山区垃圾焚烧发电厂对空气质量的影响[J].环境与可持续发展，2016，41(3)：165-168.