2016, Vol. 37
2. 大气颗粒物监测技术北京市重点实验室, 北京 100048
2. Beijing Key Laboratory of Airborne Particulate Matter Monitoring Technology, Beijing 100048, China
随着城镇化进程的加快和城市垃圾产生量的不断增加，多数城市垃圾填埋场处于超负荷运行状态，恶臭污染事件频发，对周围居民的生活质量和城市经济发展产生巨大影响. 氨(NH3)是生活垃圾填埋场产生的主要恶臭物质之一，其排放特点为产生量大、 影响面广、 持续时间长等，属于典型的无组织排放面源污染[1~3]. 同时，NH3是PM2.5的重要前体物，环境空气中的NH3与其他一次前体物经过复杂反应形成硫酸铵和硝酸铵等铵盐[4]. 目前北京市每年大约有5万t NH3进入大气环境，具体的减排措施尚未明确. 因此，研究典型城市生活垃圾填埋场的NH3排放特征和扩散特征具有重要意义，可为垃圾场氨排放水平本地化研究提供基础数据支持，为NH3监测方法和管理措施提出相关建议.
通过调研发现，北京市的垃圾填埋场NH3浓度低于国内平均水平. Ding等[5]、 王俊君等[6]和李元元等[7]研究了杭州市、 西安市等地垃圾填埋场的NH3环境空气浓度，结果显示填埋作业面的NH3浓度为1.27~5.95mg·m-3，渗滤液调节池的NH3浓度为4.02~7.8 mg·m-3，厂界处的NH3浓度为0.512~2.02 mg·m-3. 刘杰云等[8]和张晶[9]对北京市某垃圾填埋场进行采样检测，渗滤液调节池的NH3浓度为0.137~6.581 mg·m-3，污泥脱水车间的NH3浓度为0.039~0.538 mg·m-3，厂界处的NH3浓度为0.076 mg·m-3.
与国内其他城市相比，北京市垃圾填埋场的填埋工艺和管理措施更加规范先进，NH3浓度明显偏低，符合《恶臭污染物排放标准》(GB 14554-93)的浓度限值. 但由于北京市土地资源紧张，人口居住密集，环境空气质量改善压力大，需要根据本地化的NH3排放特征，提出适用于北京本地区垃圾填埋场的监测管理建议，同时也可应用于同等工艺管理水平的其他垃圾填埋场.
1 材料与方法 1.1 布点监测本研究选择了阿苏卫垃圾填埋场和田各庄垃圾填埋场(图 1和图 2)，前者接收昌平区和部分中心城区的生活垃圾，有机成分较高，后者接收房山区城区和周边农村垃圾. 阿苏卫垃圾填埋场属于大型、 正规垃圾填埋场，管理措施完善，填埋作业面覆膜及时； 田各庄垃圾填埋场属于小型、 非正规填埋场，处理设施比较落后，管理粗放. 表 1为垃圾填埋场概况.
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图 1 阿苏卫垃圾填埋场采样点位示意 Fig. 1 Location of sampling sites in Asuwei Landfill |
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图 2 田各庄垃圾填埋场采样示意 Fig. 2 Location of sampling sites in Tiangezhuang Landfill |
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表 1 垃圾填埋场概况 Table 1 Profile of the landfills |
监测期为2015年6~12月，选择有系统性风气象条件的日期，监测时间为当日15:00和20:00左右. 监测24 h NH3浓度规律时，当日进行逐小时采样监测. 监测布点选取垃圾填埋场工艺关键点(填埋作业面、 渗滤液调节池和污泥处理车间)，以及厂界下风向和厂界外30~300 m处. 根据文献[11]，在厂界和厂界外扇形布点，另设置上风向厂界外对照采样点[10~13]. 同时测量并记录采样点经纬度、 气温、 气压、 风向、 风速、 湿度等数据.
1.2 样品分析样品采集依据《环境空气氨的测定次氯酸钠-水杨酸分光光度法》(HJ 534-2009)，配备0.005 mol·L-1的吸收液，使用气体采样泵，设定采样流量为0.5 L·min-1，采样时间为60 min[14]. 经实验室处理后，用紫外可见分光光度计(普析T6新世纪)在波长 697 nm 处测定吸光度. 气象参数测试仪器采用便携式数字综合气象仪(上海双旭FY-A).
2 结果与讨论 2.1 工艺关键点NH3排放浓度水平在填埋作业面上选取两个采样点，同时采集污泥处理车间或是渗滤液调节池附近的环境空气样品. 以上采样点定义为垃圾填埋场的工艺关键点，是垃圾填埋场NH3的主要排放源. 两个垃圾填埋场均进行10次采样，每个垃圾场获得30个有效数据. 工艺关键点的监测时间为2015年下半年，表 2为采样日气象条件. 采样期间气温-2~34℃，基本涵盖北京市全年气象温度变化范围. 两家垃圾填埋场采样期间均有一天阴雨天气.
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表 2 采样日气象条件 Table 2 Weather condition of sampling days |
2.1.1 填埋作业面
两个垃圾填埋场的填埋作业面NH3浓度比较接近(图 3)，浓度范围在0.078~0.341 mg·m-3，阴雨天气时NH3浓度偏低50%以上. 阴雨天气对垃圾场NH3监测有较大影响，监测时应避开类似天气. 天气晴好时，阿苏卫垃圾填埋场作业面的NH3平均浓度为0.276 mg·m-3，田各庄为0.259 mg·m-3.
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图 3 工艺关键点NH3排放浓度水平 Fig. 3 NH3 emission level of key processes |
根据张玉红等[15]的研究，厨余垃圾堆肥的第7~30 d是NH3产生量的高峰期. 垃圾堆体中随着氧的消耗，转变为厌氧环境，厌氧微生物将碳水化合物、 蛋白质、 脂肪水解为糖，并进一步分解为CO2、 H2、 NH3和有机酸. 微生物酶法水解蛋白质生成相应的氨基酸，然后发酵生成CO2、 NH3和挥发性脂肪酸. 发酵后的氨基酸通过耦合反应，部分氨基酸作为电子给体和电子受体，生成NH3和CO2. 以丙氨酸和甘氨酸的耦合反应为例: CH3CHNH2COOH+2CH2NH2COOH3NH3+CH3COOH+CO2. 因此垃圾中蛋白质含量直接影响NH3产生量[16, 17].
阿苏卫填埋场采样点附近为填埋时间在1周内的垃圾，但从垃圾产生计算，经过转运、 填埋等步骤，所监测作业面的垃圾基本在1周左右. 田各庄垃圾填埋场的垃圾暴露时间在一个月左右，垃圾腐败较为严重. 研究对象均处于NH3产生的高峰期. 从垃圾组分分析，阿苏卫垃圾填埋场接收的是城区生活垃圾，蛋白质含量高于田各庄. 因此，阿苏卫垃圾填埋场的NH3产生强度应略高于田各庄.
阿苏卫垃圾填埋场敞露作业面小，其余作业区均覆膜封包； 田各庄垃圾填埋场管理较粗放，垃圾填埋作业覆盖不及时，垃圾暴露面积比阿苏卫垃圾填埋场大. 但是阿苏卫垃圾填埋场的日处理垃圾量约是田各庄的6倍. 在上述因素的共同作用下，两者填埋作业面上的NH3环境浓度接近，阿苏卫稍高，监测结果可代表北京市管理规范的大型生活垃圾填埋场，以及管理粗放的小型生活垃圾填埋场的本地化平均NH3排放水平.
2.1.2 污泥处理车间污泥处理车间也是垃圾填埋场恶臭的重要源头，污泥在车间内停留和污泥发酵产生的恶臭强度较大. 在污泥烘干的过程中，随着温度的升高，会挥发出大量恶臭气体[18, 19]. 研究监测的是阿苏卫垃圾填埋场内的污泥处理车间，该污泥处理车间另设置有排气筒，将车间内部分无组织逸散废气转化为有组织排放. 天气晴好时，污泥处理车间附近环境空气中NH3浓度平均为0.246 mg·m-3，比填埋作业面低12.01%. 排气筒废气中的废气流量很小，但是NH3浓度高达36.6 mg·m-3，是污泥处理车间的148.63倍，也远高于填埋作业区等其他工艺关键点. 针对这种情况，运营单位应安装相应净化设施处理废气，监管部门也应将监测该排气筒废气纳入到例行监管中.
2.1.3 渗滤液调节池天气晴好时，渗滤液调节池监测点NH3平均浓度为0.290 mg·m-3，略高于填埋作业面. 渗滤液调节池的NH3除了源于池内存留的渗滤液挥发外，在渗滤液调节池工作时，内置的潜水泵将填埋场渗滤出的渗滤液抽取至调节池中，在此过程中渗滤液剧烈搅动，促进了NH3在水相内和气液两相界面的扩散和传质[20, 21]. 因此，渗滤液调节池处NH3浓度与调节池潜水泵是否工作有很大关系，同时受渗滤液调节池构筑物密封程度影响. 几次采样期间调节池潜水泵均未工作，且调节池上方仅有简陋遮阳棚、 四周为开放状态，因此测试浓度水平仅代表粗放管理模式下渗滤液调节池NH3排放水平.
2.2 下风向NH3浓度特征分析研究在监测工艺关键点的同时，在垃圾填埋场厂界下风向和厂界外扇形布点，每层布置3个采样点. 两个垃圾填埋场的每层采样点RSD均小于14.21%和7.92%，平行性较好. 为方便表示，填埋作业面的横坐标均以-50表示. 6月18日和7月9日两次阴雨天气，监测数据偏低. 结果如图 4所示.
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图 4 阿苏卫垃圾填埋场和田各庄垃圾填埋场NH3浓度扩散水平 Fig. 4 NH3 concentration diffusion level in Asuwei Landfill and Tiangezhuang Landfill |
厂界处与填埋作业面NH3浓度相比下降较为明显，下降比率超过38.83%. 阿苏卫垃圾填埋场规模较大，研究期内垃圾填埋作业面与厂界下风向采样点距离较远，填埋作业面至厂界监测点NH3浓度下降较快，厂界至100 m监测点的NH3浓度下降速率变缓. 厂界外100 m处与填埋作业面相比NH3浓度平均下降55.34%，300 m处平均下降69.90%.
由于采样日的填埋作业面NH3浓度和气象扩散条件不同，垃圾填埋场NH3浓度扩散曲线有一定差异，厂界外300 m处浓度趋于一致，范围在0.041~0.096 mg·m-3. 阴雨天气时NH3浓度也在此范围内，不受工艺关键点和厂界浓度偏低影响. 根据北京市环境保护监测中心数据，2015年北京市城市环境大气中NH3平均浓度为0.020 mg·m-3. 厂界外300 m处浓度高于北京市平均值1~4倍.
2.2.2 田各庄垃圾填埋场田各庄垃圾填埋场厂界处NH3浓度有高于填埋作业面浓度或是下降不明显的情况，下降比例为13.39%. 在厂界外100 m处NH3浓度平均下降到0.088 mg·m-3，与填埋作业面浓度相比平均降低了62.50%.
田各庄垃圾填埋场作业面距离厂界较近，厂界建有围墙，污染物受围墙影响形成累积，在厂区内可以闻到明显的臭味. 厂界外下垫面为开阔农田，扩散条件良好，NH3浓度衰减迅速. 厂界外扩散条件良好和场区内的构筑物布局恰当有利于减轻垃圾填埋场NH3排放造成的影响.
两个垃圾填埋场在厂界外100 m处NH3平均浓度接近，说明两个垃圾填埋场对周边环境的影响程度相当. 应根据下垫面实际情况，布点监测厂界外一定距离的污染物浓度，进一步评价垃圾填埋场产生的气态污染物在环境空气中的扩散衰减情况和对周边环境的影响程度. 由文献[22]，环境空气中氨的嗅觉阈值为0.114 mg·m-3. 除两次阴雨天气外，厂界处的NH3浓度均高于这一限值，至厂界外300 m处NH3浓度衰减至嗅觉阈值以下.
2.3 日变化规律2015年12月16~18日分别对阿苏卫垃圾填埋场和田各庄垃圾填埋场的工艺关键点、 厂界上风向和厂界下风向的NH3环境空气浓度进行逐小时采样监测(图 5和图 6)，记录气象数据，研究NH3环境空气浓度的24 h变化规律，探究其气象影响因素.
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图 5 阿苏卫垃圾填埋场NH3浓度日变化 Fig. 5 Daily variation of NH3 concentration in Asuwei Landfill |
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图 6 田各庄垃圾填埋场NH3浓度日变化 Fig. 6 Daily variation of NH3 concentration in Tiangezhuang Landfill |
两个垃圾填埋场的工艺关键点NH3浓度呈现日间高，夜间低的特点. 14:00~16:00 NH3浓度处于峰值，04:00~06:00 NH3浓度处于谷值. 填埋作业在22:00~次日07:00停止，污泥处理车间为24 h连续工作，因此由于工况不同，污泥处理车间NH3浓度变化率小于填埋作业面，浓度变化曲线相对平稳. 填埋作业面上两个采样点的NH3浓度在09:00后有较大抬升. 一方面由于此时温度升高速率高于其他时段，垃圾的NH3产生量增加； 另一方面此时垃圾的填埋作业量处于较高水平，垃圾转运站运送来的垃圾在卸载、 翻动和填埋等操作下，加速了待填埋垃圾和垃圾填埋层中NH3的逸散.
垃圾填埋场厂界下风向NH3浓度受填埋场内工艺关键点的影响，同样具有日间浓度高于夜间的特点. NH3浓度的峰值和谷值分别出现在14:00和04:00时左右，峰谷值浓度如表 3所示. 日间07:00后NH3浓度上升较快，14:00左右到达峰值，之后缓慢下降. 因此环保部门对垃圾填埋场厂界浓度监测执法时应选择14:00左右采样，方能最大程度地反映其对周边环境的影响程度.
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表 3 垃圾填埋场的24 h NH3浓度峰谷值 Table 3 Maximum and minimum of NH3 concentration in 24 h in landfills |
本研究还对厂界外上风向位置的NH3浓度进行24 h逐小时采样检测，结果显示上风向处日间夜间NH3浓度变化不大，受填埋场内部工艺关键点影响较小. 日平均浓度波动小于0.010 mg·m-3.
阿苏卫垃圾填埋场作业面浓度昼夜差高于田各庄垃圾填埋场. 阿苏卫垃圾填埋场采样日风速较大，扩散条件优于田各庄垃圾填埋场采样日，厂界下风向浓度受填埋作业面影响较大，两个垃圾填埋场均显示作业面和厂界下风向的NH3浓度下降率比较接近.
2.3.2 工艺关键点、 厂界NH3浓度与气象因素关系本文研究工艺关键点附近NH3浓度与温度、 湿度的关系(表 4). 用SPSS软件做Pearson相关性分析，判断影响工艺关键点NH3浓度的主要气象因素.
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表 4 Pearson相关性分析 Table 4 Pearson correlation analysis |
采样时间为12月中旬，采样日气温为-7~4℃. 随着地表温度的上升，微生物的反应活性增加，垃圾中有机物的发酵反应速率增加，NH4+-N转化生成NH3的速率增加，同时温度的升高还对NH3挥发逸散起到积极作用[23~25].
相对湿度的变化主要是由于太阳辐射减少，地表温度下降，水汽无法经蒸腾进入大气层，而滞留在近地面的空气中. 由于NH3极易溶于水的性质和化学平衡规律，认为相对湿度较高时可能不利于NH3的挥发. 从相关性角度分析，填埋作业面和污泥处理车间的NH3浓度与相对湿度存在负相关关系.
温度与工艺关键点的NH3浓度水平呈显著正相关，湿度与工艺关键点的NH3浓度水平呈显著负相关，是其主要气象影响因素，张晶[9]的研究也呈现相似规律. 天气晴好时，太阳辐射使地表温度升高，相对湿度受太阳辐射和温度影响，与温度呈显著负相关. 6月18日和7月9日两次阴雨天气时，相对湿度增加而温度仍保持较高水平，NH3浓度监测结果明显偏低，表明温度和相对湿度均是影响垃圾填埋场工艺关键点的主要影响因素.
3 结论(1) 天气晴好的条件下，垃圾填埋场填埋作业面浓度平均为0.268 mg·m-3，污泥处理车间为0.246 mg·m-3，渗滤液调节池为0.290 mg·m-3，可代表北京市生活垃圾填埋场的NH3排放水平.
(2) 垃圾填埋场厂界NH3浓度和厂界外NH3扩散衰减速率受工艺关键点浓度和扩散条件影响. 两家垃圾填埋场的厂界下风向NH3平均浓度为0.172 mg·m-3，厂界外100 m处为0.090 mg·m-3. 在厂界外300 m处NH3浓度趋于一致，关键点浓度和气象条件影响减少.
(3) 工艺关键点NH3浓度呈现日间高，夜间低的特点，分别在14:00~16:00和04:00~06:00达到峰值和谷值. 厂界外下风向监测点受此影响表现出相似规律.
(4) 温度和相对湿度是影响垃圾填埋场工艺关键点的主要气象影响因素，阴雨天气时监测结果明显偏低.
4 建议(1) 阴雨天气对垃圾场填埋场的NH3浓度水平有较大影响，数值偏低50%以上，监测时应避开类似天气.
(2) 垃圾填埋场监测时应当选择14:00~16:00采样，方能最大程度代表NH3排放情况和对周边环境的影响程度.
(3) 污泥处理车间的废气有组织排放虽然流量小，但NH3浓度远高于其他工艺关键点，监管部门应增加对该排气筒的废气监测，督促运营单位安装废气处理设施.
(4) 垃圾填埋场的规模和堆体高度不同、 下垫面扩散条件不同，在监测过程中，仅由厂界下风向NH3环境浓度不能完全代表该垃圾填埋场的对周边环境的影响程度，应根据实际情况适当增加厂界外100 m或300 m等监测点位，完善垃圾填埋场NH3对周边环境影响的监测评估.
| [1] | 贾子利. 北京市生活垃圾分类及处置方式研究[D]. 北京: 北京林业大学, 2011. |
| [2] | 张倩, 刘茂. 垃圾填埋场恶臭气体的扩散规律研究[J]. 安全与环境学报 , 2010, 10 (6) : 133–136. Zhang Q, Liu M. Research on the diffusion law of odor from landfill site[J]. Journal of Safety and Environment , 2010, 10 (6) : 133–136. |
| [3] | 胡斌. 垃圾填埋场恶臭污染解析与控制技术研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2010. |
| [4] | 邓利群, 李红, 柴发合, 等. 北京东北部城区大气细粒子与相关气体污染特征研究[J]. 中国环境科学 , 2011, 31 (7) : 1064–1070. Deng L Q, Li H, Chai F H, et al. The pollution characteristics of the atmospheric fine particles and related gaseous pollutants in the northeastern urban area of Beijing[J]. China Environmental Science , 2011, 31 (7) : 1064–1070. |
| [5] | Ding Y, Cai C Y, Hu B, et al. Characterization and control of odorous gases at a landfill site: a case study in Hangzhou, China[J]. Waste Management , 2012, 32 (2) : 317–326. DOI:10.1016/j.wasman.2011.07.016 |
| [6] | 王俊君, 赵卫锋. 生活垃圾填埋场中恶臭气体的季节变化特点[J]. 广东化工 , 2014, 42 (19) : 127–129. Wang J J, Zhao W F. The seasonal variation characteristics of odor gas in domestic waste landfill sites[J]. Guangzhou Chemical Industry , 2014, 42 (19) : 127–129. |
| [7] | 李元元, 吴健萍, 齐长青, 等. 垃圾填埋场恶臭气体排放影响因素的研究[J]. 环境卫生工程 , 2010, 18 (3) : 7–9. Li Y Y, Wu J P, Qi C Q, et al. Influencing factors of odor emission in waste landfill sites[J]. Environmental Sanitation Engineering , 2010, 18 (3) : 7–9. |
| [8] | 刘杰云, 况福虹, 唐傲寒, 等. 不同排放源周边大气环境中NH3浓度动态[J]. 生态学报 , 2013, 33 (23) : 7537–7544. Liu J Y, Kuang F H, Tang A H, et al. Dynamics of atmospheric ammonia concentrations near different emission sources[J]. Acta Ecologica Sinica , 2013, 33 (23) : 7537–7544. DOI:10.5846/stxb |
| [9] | 张晶. 典型生活垃圾填埋场恶臭污染特征研究[D]. 北京: 清华大学, 2012. |
| [10] | GB 14554-1993, 恶臭污染物排放标准[S]. |
| [11] | HJ/T 55-2000, 大气污染物无组织排放监测技术导则[S]. |
| [12] | 奚旦立, 孙裕生. 环境监测[M]. 北京: 高等教育出版社, 2010 . |
| [13] | 强娟, 都国标, 韩靖, 等. 恶臭源厂界空气中恶臭物质监测技术要点及结果分析探讨--以西安市某大型垃圾填埋场为例[J]. 中国环境监测 , 2012, 28 (1) : 81–84. Qiang J, Du G B, Han J, et al. A study on the key monitoring techniques and the analysis of the results in odor source boundry air taking a large scale garbage landfill in Xi'an for example[J]. Environmental Monitoring in China , 2012, 28 (1) : 81–84. |
| [14] | HJ 534-2009, 环境空气氨的测定次氯酸钠-水杨酸分光光度法[S]. |
| [15] | 张红玉, 邹克华, 杨金兵, 等. 厨余垃圾堆肥过程中恶臭物质分析[J]. 环境科学 , 2012, 33 (8) : 2563–2568. Zhang H Y, Zou K H, Yang J B, et al. Analysis of odor pollutants in kitchen waste composting[J]. Environmental Science , 2012, 33 (8) : 2563–2568. |
| [16] | Burton S A Q, Watson-Craik I A. Ammonia and nitrogen fluxes in landfill sites: applicability to sustainable landfilling[J]. Waste Management & Research , 1998, 16 (1) : 41–53. |
| [17] | 贺琪, 李国学, 张亚宁, 等. 高温堆肥过程中的氮素损失及其变化规律[J]. 农业环境科学学报 , 2005, 24 (1) : 169–173. He Q, Li G X, Zhang Y N, et al. N loss and its characteristics during high temperature composting[J]. Journal of Agro-Environment Science , 2005, 24 (1) : 169–173. |
| [18] | 邓特刚. 污泥脱水机房恶臭扩散分布规律及控制研究[D]. 天津: 天津大学, 2008. |
| [19] | 刘瓒. 污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点[D]. 杭州: 浙江大学, 2007. |
| [20] | 席劲瑛, 胡洪营, 罗彬, 等. 城市污水处理厂主要恶臭源的排放规律研究[J]. 中国给排水 , 2006, 22 (21) : 99–103. Xi J Y, Hu H Y, Luo B, et al. Odorants emission characteristics in a municipal wastewater treatment plant[J]. China Water & Wastewater , 2006, 22 (21) : 99–103. |
| [21] | 肖峰. 浅谈垃圾填埋场渗滤液处理工艺和方式[J]. 环境科学与管理 , 2008, 33 (8) : 187–191. Xiao F. Preliminary discussion on the treatment arts and method of landfill leachate[J]. Environmental Science and Management , 2008, 33 (8) : 187–191. |
| [22] | 加藤龙夫, 石黑智彦, 重田芳广, 董福来, 荆治严, 李桂琴. 恶臭的仪器分析[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 1992 . |
| [23] | 李海玲. 我国典型城市生活垃圾填埋场温室气体甲烷排放特征研究[D]. 兰州: 兰州大学, 2014. |
| [24] | 周渭. 垃圾填埋场温室气体甲烷排放量观测与预测[D]. 南京: 南京信息工程大学, 2012. |
| [25] | 刘鸿霆. 某垃圾填埋场甲烷释放速率研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2009. |