研究论文 正式出版 版本 4 Vol 9 (4) : 356-362 2018
下载
城市垃圾焚烧发电项目烟气中重金属干沉降对土壤的影响
Influence of heavy metal dry deposition on soil in flue gas of municipal solid waste incinerationpower generation project
: 2018 - 07 - 11
121 0 0
摘要&关键词
摘要:焚烧炉烟气中重金属沉降造成的土壤污染是城市垃圾焚烧发电项目环境影响评价及环境保护管理工作关注的重点。以某城市垃圾焚烧发电项目为例,在确定焚烧炉排放源强及气象数据等资料的基础上,采用AERMOD 模型预测焚烧烟气中Pb、Hg、Cd 的沉降特征和对项目所在区域土壤环境质量的影响。结果表明:土壤中污染物浓度随离源距离的增加均呈现出先上升后下降的趋势,其中Hg 的占标率最大为27.2%,其次Cd 为21.8%,Pb 的占标率最小为4.7%,预测的重金属浓度均满足《土壤环境质量标准》(GB 15618 — 1995)二级标准限值要求;污染物分布与风密切相关,利用污染系数衡量风对污染物扩散传输的影响,可知污染扩散距离北向大于南向、东向大于西向,南北向大于东西向,污染系数与污染物沉降量分布一致。研究可为气体涉重金属污染物扩散沉降对土壤环境影响相关领域的科研、应用工作提供参考和借鉴。
关键词:城市垃圾焚烧;重金属;干沉降;土壤;大气预测
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope Soil pollution caused by heavy metal deposition in flue gas of incineratorfrom municipal solid waste incineration power generation project is the focus of environmental impact assessmentand environmental protection management. Materials and methods A municipal solid waste incineration projectwas selected as an example. Based on determining the incinerator emission intensity and meteorological data, theAERMOD was used to predict the settlement characteristics of Pb, Hg and Cd in incineration flue gas and theinfluence on the soil environmental quality in the area of the project. Results The cumulative concentrations ofPb, Hg, Cd were 16.35 mg ∙ kg−1, 0.2720 mg ∙ kg−1, 0.1310 mg ∙ kg−1 and the corresponding concentration standardrates were 4.7%, 27.2%, 21.8% respectively. The annual settlement of Pb, Hg, Cd in the downwind direction allincreased first and then decreased with the distance from the source and the corresponding peaks were 8.06 mg ∙ m−2(d = 400 m), 0.13 mg ∙ m−2 (d = 400 m), 0.04 mg ∙ m−2 (d = 300 — 500 m). The pollution coefficient which was relatedto wind direction, wind frequency, wind speed was used to measure the influence of wind on the diffusion ofpollutants, and the larger pollution coefficient meant the farther distance of corresponding equal settlement. Pollutioncoefficient was greater in the south than in the north, the west was greater than the east and the north-south wasgreater than the east-west. Discussion Although the cumulative concentrations of Pb, Hg, Cd all met the secondarystandard limits of Soil Environmental Quality Standard for Soils (GB 15618 — 1995), it should be paid attentionto in view of its harmfulness. The settlement of pollutants increased first and then decreased with distance from thesource. The distribution of pollutants had a good consistency with the pollution coefficient. The pollution diffusiondistance of the north was greater than that of the south, the east was greater than the west and the north-south wasgreater than the east-west. Conclusions Heavy metal in incineration flue gas from municipal solid waste incinerationpower generation project would enter the soil with atmospheric deposition. Therefore, predictions on the impact ofheavy metal deposition on the soil environment was necessary when carrying out environmental impact assessmentof such projects. In this research, the relevant departments should pay attention to the emission of pollutants fromwaste incineration especially Hg and Cd, although the sedimentation of heavy metal pollutants in incineration fluegas had not exceeded the standard. Recommendations and perspectives This research would provide reference forthe research and application work related to effects of gas with heavy metal pollutants on soil environment.
Keywords: municipal waste incineration; heavy metals; dry deposition; soil; atmospheric prediction
近年来,随着城市化进程的加快和人口数量的增多,居民生活垃圾的产生量与日俱增。传统的生活垃圾处置方式为填埋,但因填埋场占地面积大,对选址、恶臭、渗滤液的环保要求较高等,焚烧作为一种减量化、无害化、资源化的处理方式为众多城市所接受(李薇等,2010;杨玉华,2010;欧阳晓光等,2012)。由于生活垃圾来源多样,成分复杂,其焚烧烟气中的特征污染物,如二噁英、重金属会随大气扩散、迁移,并通过大气的沉降作用进入土壤,造成土壤污染。
土壤重金属污染现已成为人类必须面临的环境问题之一(郭笑笑等,2011)。2016年1月,环保部召开了全国环境保护工作会议,陈吉宁部长总结了“十二五”期间的环保工作,分析了“十三五”环境保护面临的新形势、新任务,提出“十三五”环境保护总体思路——以改善环境质量为核心,将严格控制土壤污染尤其是重金属污染作为工作重点。2016年5月28日,国务院印发了《土壤污染防治行动计划》(简称“土十条”),将土壤污染治理尤其是重金属污染的预防和治理提到了新的高度。
本文以某市生活垃圾焚烧发电项目为例,对生活垃圾焚烧过程产生烟气中重金属干沉降对土壤环境的影响进行研究,为气体涉重污染物扩散沉降对土壤环境影响相关领域的科研、应用工作提供参考和借鉴。
1   项目介绍
某城市垃圾焚烧发电项目日处理量为生活垃圾2000t、干污泥400t,同时设置800t/d循环流化床锅炉3台,额定23.5t/h蒸汽余热锅炉2台及N40MW凝汽式汽轮发电机组2台,年发电量为6.32×108kWh/a。
生活垃圾焚烧烟气中的污染物分为颗粒物(粉尘)、酸性气体(HCl、HF、SO2、NOX)、重金属(Hg、Pb、Cr)和有机剧毒性污染物(二噁英、呋喃)四大类。每套焚烧装置配备一套烟气净化设施,由SNCR脱硝设施、脱硫装置及烟道系统、袋式除尘器系统、活性炭喷射系统、灰循环系统、吸收剂存储输送系统、灰输送及储存系统组成。处理工艺为“炉内脱硫+SNCR脱硝工艺+半干法脱硫装置+活性炭吸附+布袋除尘器”,处理后烟气通过高80m的四钢内筒集束烟囱排放。
2   预测模式及参数选取
采用《环境影响评价技术导则 大气环境》(HJ2.2-2008)(环境保护部,2009)推荐的进一步预测模型AERMOD模型。AERMOD模型为稳态烟羽扩散模型,可基于大气边界层参数模拟多种污染源排放,同时适用于村庄和城市,对复杂或简单地形条件且预测范围在50km范围内的大气影响预测有很好的适用性(回蕴民,2011;王小燕,2013;付鹏等,2016)。
模式计算方法:
(1)
(2)
(3)
式中:是所有颗粒物的沉降速率,m/s;是细颗粒物(直径大于2.5且小于10)的百分比;是细颗粒物的沉降速率,m/s;是粗颗粒物的沉降速率;是空气动力学阻力系数,s/m;是准层流层阻力系数,m/s。
2.1   模型参数的选取
2.1.1   地面气象常规数据
本次模拟采用项目所在区域气象观测站的实测数据。该气象观测站位于114.96°E、38.18°N,东8区,站台编号为53699。距离拟建项目中心直线距离为5.97km,站点与评价范围地理特征基本一致。本次收集了研究区域2016年逐日逐次的气象数据,地面气象数据包括风向、风速、总云量、低云量、干球温度,其中风向、风速、干球温度每日24次观测数据,总云量、低云量每日8次观测数据。在数据处理过程中对观测数据次数不足24小时的进行差值处理(付鹏等,2015)。通过对地面气象数据分析可知,该地区全年主导风向为南风,平均风速为1.47m/s,风频为17.16%,风玫瑰图见图1。
图1   风玫瑰图
Fig.1 Wind rose map
一月,平均风速1.36m/s 四月,平均风速1.87m/s
January, average wind speed 1.36m/s April, average wind speed 1.87m/s




 
七月,平均风速1.25m/s 十月,平均风速1.26m/s
July, average wind speed 1.25m/s October, average wind speed 1.26m/s


 
全年,平均风速1.47m/s
Annual mean wind speed 1.47m/s
2.1.2   高空气象数据
拟建项目周围50km范围内无高空气象探空站点,本次预测采用WRF模式两层嵌套进行模拟。第一层网格中心为北纬35°,东经113.0°,格点为65×68,分辨率为81km×81km;第二层网格格点为112×151,分辨率为27km×27km,覆盖我国大部分地区,WRF模式模拟探空数据点的坐标为北纬38.19°,东经114.89°,距离本案例10.08km,符合HJ2.2-2008要求。资料包含时间、探空数据层数、气压、高度、干球温度、露点、温度、风速、风向等(马岩等,2014)。
2.1.3   地形数据
地形数据源采用csi.cgiar.org提供的srtm数据,地形精度为3秒(90m)。
本研究模拟的区域范围为6km×6km,网格间距为100m,依据获取的地形数据,模拟范围内海拔最高点为49m。案例最高排气筒高度为80m,排气筒基底高为44m,可确定项目所在区域为简单地形,地形数据见图2。


图2   地形数据(90m×90m)
Fig.2 Terrain data(90m×90m)
2.1.4   污染源及沉降参数
根据项目工程分析数据,确定焚烧烟气中重金属铅、汞、镉的排放源强如表1所示,重金属干沉降参数参照美国环保局(EPA)网站上的有关沉降数据(M.L.Wesely et al,2002),见表2。
表1   焚烧烟气重金属污染物排放源强
排放速率(kg/h)
Emission rate
排放工况
Working condition of discharge
排放高度
Emission height
温度
Temperature
排气量
Gas displacement
内径
Inner diameter
CdHgPb连续consecutivemKm³/hm
0.0020.0060.37180284.255699765.6
表2   干沉降参数
名称
Name
25μm以下质量百分比
Mass percent below 25μm
(%)
中位粒径
The median size
(μm)
Cd700.6
Pb750.5
Hg800.4
2.2   预测方案
预测区域为以排放源(焚烧炉排气筒)所在点位基准点,面积6km×6km的矩形,预测各重金属因子年均最大干沉降量,并叠加区域现状监测浓度后评价重金属累积浓度是否满足《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)中二级标准限值要求。
3   模拟结果对比分析
通过采用AERMOD模式中干沉降预测模块,输入沉降参数进行预测,得到Pb、Hg、Cd的干沉降预测结果,具体预测结果见表3和图3。
表3   重金属干沉降预测结果
污染物
pollutant
年均最大干沉降量
Annual maximum dry settlement amount
(μg/m2
20年累积沉降量
Cumulative settlement of 20 years
(mg/m2
运行期间沉降贡献值
Settlement contribution during run time
(mg/kg)
背景沉降值
The background value of settlement
(mg/kg)
叠加背景值后沉降预测值
The value of settlement prediction after the background value is superimposed
(mg/kg)
Pb89501790.2516.116.35
Hg1402.80.00390.26810.272
Cd501.00.00140.12960.131
图3   3种重金属年均干沉降量分布图
铅年均干沉降量分布图
The annual dry settlement distribution of Pb
汞年均干沉降量分布图
The annual dry settlement distribution of Hg
镉年均干沉降量分布图
The annual dry settlement distribution of Cd
由表3可知,Pb、Hg、Cd的年最大沉降量分别为8950μg/m2、140μg/m2、50μg/m2。项目按照运行20年计算,通过以Pb、Hg、Cd的年最大沉降量来计算分析对所在区域土壤环境造成的影响,则每平方米土壤中累积的Pb、Hg、Cd分别为179mg、2.8mg、1.0mg。通过实地调查,项目所在区域土壤容重约1.8g/cm3,土层厚度约40cm,单位面积(1m2)的土壤重量为720kg。则项目在运行期间土壤中Pb、Hg、Cd的贡献浓度0.25mg/kg、0.0039mg/kg、0.0014mg/kg。叠加背景值后Pb、Hg、Cd的累积浓度分别为16.35mg/kg、0.272mg/kg、0.131mg/kg。Pb、Hg、Cd累积浓度均满足《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)二级标准限值(Pb:350mg/kg、Hg:1mg/kg、Cd:0.6mg/kg)的要求,占标率分别为4.7%、27.2%、21.8%,虽未超标,但鉴于其危害性应引起重视。
研究区域主导风向的下风向为污染源的N方位,下风向Pb、Hg、Cd年均干沉降量随离源距离的变化见图4。


图4   各污染物沉降量随距离变化(下风向)
Fig.4 The settlement of pollutants varies with distance(downwind)


 
由图4可知,Pb在0-400m沉降量呈现快速的上升,最快时每100m上升3.5mg/m²,在400m达到最大值8.06mg/m²,500m-800m呈每100m下降约1mg/m²的趋势,之后随着离源距离的增加,下降趋势逐渐变缓;Hg在0-400m沉降量也呈现快速的上升,在400m达到最大值,为0.13mg/m²,400m-700m呈每100m下降0.02mg/m²的趋势,之后随着离源距离的增加,下降趋势逐渐变缓,2000m以后保持0.01mg/m²不变;Cd的沉降量较小,但也可从图中看出,0-300m呈现明显的上升趋势,300-600m为0.04mg/m²,后呈现稳步下降的趋势,1000m-1900m保持0.01mg/m²不变,2000m后值小于0.01mg/m²(模式输出的最小精度为0.01mg/m²,小于0.01mg/m²的值输出为0)。
引入污染系数,衡量风对污染物的扩散传输作用。
污染系数=
计算研究区域内的年平均污染系数,结果见图5。以铅的年均沉降量0.1mg/m²、汞的年均沉降量0.02mg/m²,镉的年均沉降量0.01mg/m²为等值线计算对应该等浓度线的离源距离。两者相结合说明污染物浓度与污染系数(风向、风频和风速)的关系。


图5   年均污染系数玫瑰图
Fig.5 Annual average pollution coefficient rose diagram
对比图3与图5可以明显看出,污染物沉降量分布与污染系数具有较好的一致性,污染系数越大,等沉降量分布的距离越远。结合图5和表4可知,污染系数在风向为S,N,NNE和SSW上数值较大,说明污染物扩散传输在南北向扩散距离较东西向更远。S风向的污染系数大于N风向,对应的沉降量扩散距离北向较南向更远,W风向的污染系数大于E风向,对应的东向的污染物较西向传输扩散略远。N、S风向污染系数较E、S分向的大,故南北方向污染物扩散距离大于东西方向。
表4   年平均污染系数与年均浓度离源距离关系表
风向
Wind direction
NESW
污染系数
Pollution coefficient
7.102.078.162.66
对应污染物扩散方向
Corresponding pollutant diffusion direction
SWNE
Pb所选沉降量离源最远距离(m)
The farthest distance of the Pb seleted settlement from the source
1611.111153.331777.781416.67
Hg所选沉降量离源最远距离(m)
The farthest distance of the Hg seleted settlement from the source
1600110018001400
Cd所选沉降量离源最远距离(m)
The farthest distance of the Cd seleted settlement from the source
1600120019001400
4   结论
城市垃圾焚烧发电项目焚烧烟气中重金属会随着大气沉降进入土壤,因此在开展此类项目环境影响评价等工作时必须要进行重金属沉降对土壤环境的影响预测。本文以某城市垃圾焚烧发电项目为例,采用AERMOD模式对焚烧炉烟气中重金属Pb、Hg、Cd进行干沉降预测:结合项目所在区域土壤重金属背景值,得到Pb、Hg、Cd的累积浓度分别为16.35mg/kg、0.272mg/kg、0.131mg/kg,占标率分别为4.7%、27.2%、21.8%;3项污染物的年均沉降量均随离源距离呈现先上升后下降的趋势;污染物沉降量分布与污染系数具有较好的一致性,污染物扩散传输距离在南北方向大于东西方向。焚烧烟气中重金属污染物沉降虽满足《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)二级标准限值,但应引起有关部门对垃圾焚烧污染物排放的重视,特别是Hg和Cd。
致谢
李薇,张聚兴,葛大陆.生活垃圾焚烧发电项目对大气环境影响及对策分析[J].华东电力.2010,38(1): 129-132. [Li W, Zhang J X, Ge D L. 2010. Power generation of municipal solid waste incineration influence on atmospheric environment and counterm easure analysis[J].East China Electric Power, 38(1): 129-132]
杨玉华. 西安市垃圾填埋场及大气沉降物污染的评价[D]. 陕西师范大学, 2010.[Yang Y H.2010.Evaluation of pollution of landfill and atmospheric fallout in xi 'an city[D].Shanxi Xi’an:Shanxi Normal University.]
欧阳晓光,郭芬.城市垃圾焚烧烟气中重金属的源项解析和干沉降影响研究[J].环境科学与管理.2012,37(12):64-67.[Ouyang X G,Guo F.2012.Study on source apportionment and dry deposition of heavy metals in flue gas from municipal solid waste incineration[J].Environmental Science and Management,37(12): 64-67.]
郭笑笑,刘丛强,朱兆洲,等.土壤重金属污染评价方法[J].生态学杂志,2011,30(5):889-896.[Guo X X,Liu C Q,Zhu Z Z,et al. 2011.Evaluation methods for soil heavy metals contamination:A review[J].Chinese Journal of Ecology,30(5):889-896.]
环境保护部.HJ2.2-2008环境影响评价技术导则 大气环境[S].北京:中国环境科学出版社,2009.[Ministry of Environmental Protection.2009. Guidelines for environmental impact assessment atmospheric environment [S].Beijing:China Environmental Science Press]
回蕴珉.AERMOD模式在大气环境影响评价中的应用[D]:天津大学,2011.[Hui Y M.2011.Application of AERMOD model in atmospheric environmental impact Assessment[D].Tianjin:Tianjin University.]
王小燕.AERMOD在区域大气环评中的应用研究[D].兰州:兰州大学,2013.[Wang X Y.2013.Application of AERMOD in regional planning atmospheric environmental impact Assessment[D].Lanzhou:Lanzhou University.]
付鹏,仝纪龙,潘峰,等.不同地形数据对大气预测结果的影响性分析[J].环境工程.2016,34(213):170-173.
[Fu P,Tong J L,Pan F,et al. 2016.Influence analysis of different terrain data on the results of atmosphere forcasting [J].Environmental Engineering,34(213): 170-173.
Seinfeld,J.H.and S.N. Pandis,1998:Atmospheric Chemistry and Physics[M].John Wiley &Sons ,Inc.,New York ,NY.
Walcek,C.,G.Stensland,L.Zhang,H.Huang,J.Hales,C.Sweet,W.Massman,A.Williams,J,Dicke,2001: Scientific Peer - Review of the Report “Deposition Parameterization for the Industrial Source Complex ( ISC3 ) Model. ”The KEVRIC Company,Durham,North Carolina[R].
付鹏,潘峰,莫欣岳,等.不同地形数据下炼油污水处理装置卫生防护距离问题探讨[J].环境影响评价.2015,37(6): 52-56.[Fu P,Pan F,Mo X Y,et al. 2015Discussion of the health protection distance of refinery sewage treatment plant under different terrain [J].Environment Impact Assessment,2015,37(6): 52-56.]
马岩,仝纪龙,潘峰,等.焦化项目大气污染特征及环境影响评价[J].化工环保,2014,34(4): 366-370.[Ma Y,Tong J L,Pan F,et al. 2014.Characteristics and environmental impact assessment of atmospheric pollution from coking project [J]. and Environmental protection of chemical industry,2014,34(4): 366-370.]
M.L.Wesely,P. V.Doskey,and J. D. Shannon,2002: AERMOD Deposition Parameterization Document: Appendix B Particle Size Information for Selected HAPs. Environmental Protection Agency[M].
稿件与作者信息
付鹏
FU Peng
莫欣岳
MO Xinyue
545965475@qq.com
舒璐
SHU Lu
吕伟
LÜ Wei
国家自然科学基金(41475008);中央高校基本科研业务费专项资金(lzujbky-2016-k06)
National Natural Science Foundation of China (41475008); Fundamental Research Funds for the Central Universities (lzujbky-2016-k06)
出版历史
出版时间: 2018年7月11日 (版本4
参考文献列表中查看
地球环境学报
Journal of Earth Environment