垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站惡臭對(duì)高層住宅影響的數(shù)值模擬

劉楓，程言君，劉春紅，王碩

(輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所，北京 100089)

垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站惡臭對(duì)高層住宅影響的數(shù)值模擬

劉楓，程言君，劉春紅，王碩

(輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所，北京 100089)

基于北京某現(xiàn)有生活垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站技改工程環(huán)評(píng)案例，采用ADMS-Urban大氣擴(kuò)散模型就其惡臭對(duì)高層住宅的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究。模擬前，以現(xiàn)場(chǎng)地面實(shí)測(cè)結(jié)果，采用與模擬預(yù)測(cè)相同的大氣擴(kuò)散模型反推惡臭無組織排放源強(qiáng)，進(jìn)而確定技改工程有組織排放源強(qiáng)；模擬中，采用ADMS-Urban擴(kuò)散模型計(jì)算高層住宅不同高度模擬結(jié)果，分析無組織排放和有組織排放對(duì)不同高度住宅的影響規(guī)律，以此提出對(duì)應(yīng)的管理和控制措施。該套實(shí)測(cè)反推法確定惡臭排放源強(qiáng)的研究方法及惡臭污染物對(duì)不同高度敏感點(diǎn)環(huán)境影響規(guī)律的研究成果，對(duì)同類垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站環(huán)評(píng)案例具有一定借鑒和推廣價(jià)值。

垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站；惡臭；高層住宅；數(shù)值模擬

A轉(zhuǎn)運(yùn)站是位于北京市區(qū)內(nèi)的一座現(xiàn)有半開放型生活垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站。為更好地保護(hù)環(huán)境，該轉(zhuǎn)運(yùn)站將實(shí)施技改工程，將主要惡臭工序做全密閉負(fù)壓處理，并采取更為高效的除臭措施。技改工程完成后，現(xiàn)狀無組織排放惡臭污染物將大大減少，主要有組織排放源為新建除臭塔排氣筒?；趪?guó)內(nèi)尚無與A轉(zhuǎn)運(yùn)站技改工程惡臭收集處理措施具有可類比性的垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站已運(yùn)行案例，且城市高大建筑區(qū)微環(huán)境中就多個(gè)大氣排放源對(duì)敏感建筑不同樓層高度處影響規(guī)律的預(yù)測(cè)模擬研究在環(huán)評(píng)案例中較為少見，本文采用實(shí)測(cè)—反推—類比的方法確定技改工程惡臭排放源強(qiáng)，設(shè)定特定的氣象條件，分別就技改工程有組織排放、現(xiàn)有工程無組織排放、技改工程惡臭未經(jīng)除臭處理的有組織排放對(duì)高層住宅不同高度的影響規(guī)律進(jìn)行研究，以期為同類垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供參考和借鑒。

1 大氣數(shù)值模擬模型概述

城市生活垃圾發(fā)酵主要產(chǎn)生氨、硫化氫、甲硫醇等惡臭污染物[1]，多為無組織排放，其排放源強(qiáng)因產(chǎn)污環(huán)節(jié)復(fù)雜、排放源分散無規(guī)則而通常難于確定[2-3]。就無組織排放源強(qiáng)確定方法而言，物料衡算法、通量法不易推廣，類比法、經(jīng)驗(yàn)公式法等主觀因素相對(duì)較大，地面濃度反推法公式中的擴(kuò)散參數(shù)難于準(zhǔn)確確定[2-5]。在大氣數(shù)值模擬研究相關(guān)模型中，ADMS-Urban經(jīng)北京具體案例實(shí)測(cè)驗(yàn)證其模擬準(zhǔn)確度是可以接受的，而AERMOD、CALPUFF、METRAS、WRF 3.3、大渦模擬方法等在城區(qū)里的應(yīng)用均有一定局限性[6]。

ADMS-Urban模型主要應(yīng)用于城市區(qū)域內(nèi)工業(yè)、民用生活和道路交通污染源，對(duì)于A轉(zhuǎn)運(yùn)站涉及的點(diǎn)源、面源等排放源均可模擬計(jì)算。該模型參數(shù)化描述邊界層結(jié)構(gòu)主要是基于Monin-Obukhov長(zhǎng)度和邊界層高度，這是區(qū)別于其他模型的顯著特征，其定義邊界層結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)可通過測(cè)量直接得到，以便于更真實(shí)地表現(xiàn)出擴(kuò)散過程隨高度變化的特征，所得預(yù)測(cè)模擬結(jié)果相對(duì)更為準(zhǔn)確可信。

2 數(shù)值模擬研究實(shí)施方案

(1)平面幾何建模。以技改工程新建小除臭塔排氣筒基底中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，向東、南、西、北四個(gè)方向分別拓展210 m、150 m、160 m、200 m，該范圍剛好涵蓋了A轉(zhuǎn)運(yùn)站及其周邊緊鄰道路、西側(cè)三棟高層住宅樓(均為25層)，以此建立平面坐標(biāo)體系，結(jié)果如圖1所示。

圖1 研究范圍內(nèi)幾何建模Fig.1 Geometric modeling in research range

(2)現(xiàn)狀面源劃分。如圖1所示，結(jié)合A轉(zhuǎn)運(yùn)站現(xiàn)狀平面布局和運(yùn)行工序，將現(xiàn)狀廠區(qū)內(nèi)惡臭排放面源概化劃分為地磅房—引橋—卸料平臺(tái)—粗分選車間—精分選車間、吊箱區(qū)、裝箱區(qū)、重箱區(qū)等。上述劃分的面源中，地磅房、引橋排放的惡臭將由技改工程小除臭塔1根排氣筒有組織排放，其余無組織排放惡臭將由技改工程大除臭塔4根排氣筒有組織排放。

(3)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)頻次。共布設(shè)7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在主要環(huán)境空氣保護(hù)目標(biāo)A轉(zhuǎn)運(yùn)站西側(cè)三棟高層住宅樓東側(cè)位置(編號(hào)為1#、2#、3#)，其余4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在A轉(zhuǎn)運(yùn)站各廠界惡臭嗅覺最大處(編號(hào)為4#、5#、6#、7#)。如圖1所示。2015年10月17—19日連續(xù)采樣3天，每天4次。

(4)模擬研究因子。因現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)硫化氫、甲硫醇有較多未檢出結(jié)果，故以氨為本次模擬研究因子，選用ADMS-Urban大氣擴(kuò)散模型對(duì)其小時(shí)貢獻(xiàn)濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬。

(5)模擬網(wǎng)格及特征點(diǎn)位。建立三維模擬網(wǎng)格體系，即平面以10 m為網(wǎng)格劃分間隔，高度上自2 m(近似人的呼吸線高度)起，以9 m(3個(gè)樓層高度)為網(wǎng)格劃分間隔，至74 m(25層住宅高度)終，共計(jì)38×36×9=12 312個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。以西側(cè)三棟高層住宅的東側(cè)各層高度處(2 m、5 m、8 m……71 m、74 m)為模擬特征點(diǎn)位，共計(jì)25×3=75個(gè)。

(6)模擬氣象條件。相對(duì)云量、氣溫、氣壓、相對(duì)濕度等而言，影響大氣污染物擴(kuò)散的主要?dú)庀髤?shù)為風(fēng)向和風(fēng)速[7]。采用人工設(shè)定氣象條件，使得西側(cè)住宅樓完全位于惡臭排放源的下風(fēng)向側(cè)(NE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE)，風(fēng)速按最不利、兼顧可信度選取(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1、1.5、2、2.5、3、4、5 m/s)，云量(八進(jìn)制)選取區(qū)域統(tǒng)計(jì)年份(2014年)逐時(shí)常規(guī)氣象觀測(cè)資料總云量的均值為0.7，氣溫選取區(qū)域近20年平均氣溫13.5℃，共計(jì)7×12=84組氣象條件組合。

(7)模擬區(qū)域地形。研究范圍內(nèi)地勢(shì)總體起伏不大，主要敏感點(diǎn)住宅東西狹長(zhǎng)、南北很短，朝向排放源一側(cè)的住宅寬度較小，不考慮建筑物下洗效應(yīng)。

3 排放源強(qiáng)確定

3.1 實(shí)測(cè)反推法確定現(xiàn)有工程無組織排放源強(qiáng)

采用ADMS-Urban模型，利用無組織排放監(jiān)控點(diǎn)的多組實(shí)測(cè)篩選結(jié)果，以“試錯(cuò)法”反推得到已劃分的A轉(zhuǎn)運(yùn)站5個(gè)面源各自源強(qiáng)范圍區(qū)間值，進(jìn)而計(jì)算得出技改工程大、小除臭塔氨的有組織產(chǎn)生源強(qiáng)分別為0.495～0.528 kg/h、0.211～0.286 kg/h。

上述實(shí)測(cè)反推確定源強(qiáng)的方法主要基于：(1)面源下風(fēng)向污染物濃度與面源排放量呈線性比例關(guān)系，遵循高斯擴(kuò)散規(guī)律[2-3]；(2)監(jiān)測(cè)結(jié)果的篩選中，認(rèn)為用于反推各面源源強(qiáng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)剛好處于相應(yīng)面源的下風(fēng)向側(cè)；(3)反推源強(qiáng)與預(yù)測(cè)模擬采用同種擴(kuò)散模型，可提高預(yù)測(cè)模擬的可信度；(4)“試錯(cuò)法”即不斷調(diào)整模式輸入源強(qiáng)的大小，直至模式輸出結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果相同。

3.2 類比實(shí)測(cè)法確定技改工程有組織排放源強(qiáng)

通過對(duì)與A轉(zhuǎn)運(yùn)站采取同樣惡臭收集處理措施的某垃圾堆肥廠除臭塔惡臭處理前進(jìn)口及排氣筒出口處的類比監(jiān)測(cè)，獲得該套惡臭收集處理措施對(duì)氨的去除率為87.6%，進(jìn)而計(jì)算技改工程大、小除臭塔氨的有組織排放源強(qiáng)分別為0.0614～0.0655 kg/h、0.0261～0.0355 kg/h。上述現(xiàn)有工程無組織排放源強(qiáng)及技改工程有組織排放源強(qiáng)，在下文的數(shù)值模擬中均保守選用最大值。

4 擴(kuò)散模擬結(jié)果及分析

經(jīng)ADMS-Urban擴(kuò)散模型模擬計(jì)算，技改工程有組織排放的氨對(duì)各高層住宅每個(gè)樓層高度的小時(shí)濃度(下同)計(jì)算結(jié)果如圖2所示，不同高度小時(shí)濃度等值線分布如圖3(濃度量綱均為μg/m3，刻度量綱均為m，下同)所示。

現(xiàn)有工程無組織排放及技改工程惡臭未經(jīng)處理的有組織排放的氨對(duì)各高層住宅每個(gè)樓層高度的計(jì)算結(jié)果如圖4所示，現(xiàn)有工程無組織排放不同高度濃度等值線分布如圖5所示。

圖2 NH3有組織排放不同樓層高度模擬計(jì)算結(jié)果Fig.2 The simulation results of organized NH3 emission at different heights

圖3 NH3有組織排放不同樓層高度濃度等值線分布Fig.3 Concentration distribution of organized NH3 emission at different heights

圖4 NH3無組織排放和有組織排放不同樓層高度模擬計(jì)算結(jié)果比較Fig.4 The comparison of simulation results between unorganized NH3 emission and organized NH3 emission at different heights

圖5 NH3無組織排放不同樓層高度濃度等值線分布Fig.5 Concentration distribution of unorganized NH3 emission under different heights

技改工程采取密閉負(fù)壓收集措施，將無組織排放改為有組織排放，在不考慮和考慮除臭措施兩種情況下，各住宅代表性樓層的預(yù)測(cè)結(jié)果及變化比例如表1所示。由此可知：

(1)有組織排放在1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)高層住宅鉛垂方向出現(xiàn)最大貢獻(xiàn)濃度的高度分別為29 m、36 m、39 m(分別近似對(duì)應(yīng)10層、12層、13層)，自最大貢獻(xiàn)濃度高度起，隨著高度的增大與減小，貢獻(xiàn)濃度隨高度的變化均呈單調(diào)變小趨勢(shì)；無組織排放在1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)高層住宅鉛垂方向最大貢獻(xiàn)濃度隨高度的增大呈單調(diào)變小趨勢(shì)。

(2)技改工程采取密閉負(fù)壓收集措施變無組織排放為有組織排放，在不考慮除臭措施的情況下，可使1號(hào)樓14層以下、2號(hào)樓8層以下、3號(hào)樓11層以下惡臭影響變小，相應(yīng)樓層以上惡臭影響有所增大；在同時(shí)考慮除臭措施的情況下，可使1號(hào)樓全部、2號(hào)樓19層以下、3號(hào)樓24層以下惡臭影響變小，相應(yīng)樓層以上惡臭影響略有增大。樓層越低，技改工程收效越顯著。

(3)技改工程采取密閉負(fù)壓收集措施將無組織排放改為有組織排放，在不考慮除臭措施的情況下，依據(jù)表1，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)住宅各樓層氨的預(yù)測(cè)結(jié)果變化比例分別為-78.8%～381.2%、-80.8%～1606.3%、-80.7%～955.0%，最大預(yù)測(cè)結(jié)果僅占其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值(0.20 mg/m3)的14.8%；在考慮除臭措施的情況下，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)住宅各樓層氨的預(yù)測(cè)結(jié)果變化比例分別為-97.4%～-41.2%、-97.6%～108.8%、-97.6%～29.0%，最大預(yù)測(cè)結(jié)果僅占其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值(0.20 mg/m3)的1.8%。

表1 技改工程住宅代表性樓層氨的預(yù)測(cè)結(jié)果及變化比例

注：“變化比例”是指采取收集、收集+除臭措施后的有組織排放預(yù)測(cè)結(jié)果，相對(duì)于未采取相關(guān)措施時(shí)的無組織排放預(yù)測(cè)結(jié)果的變化百分比。

5 結(jié)論與展望

(1)技改工程采取密閉負(fù)壓收集措施變無組織排放為有組織排放，并采取高效除臭措施，對(duì)住宅不同樓層的惡臭影響總體上有明顯緩解作用，樓層越低技改工程收效越顯著。

(2)本文確定生活垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站惡臭源強(qiáng)的研究方法及對(duì)不同高度敏感點(diǎn)影響規(guī)律數(shù)值模擬的研究成果，可成為開展同類環(huán)境影響評(píng)價(jià)的有效工具。

(3)受條件限制，本文目前僅開展了A轉(zhuǎn)運(yùn)站對(duì)周邊住宅樓環(huán)境影響的預(yù)測(cè)模擬，待A轉(zhuǎn)運(yùn)站技改工程完成并投用后，將對(duì)與文中同模擬點(diǎn)位的住宅各樓層開展實(shí)測(cè)驗(yàn)證。

[1] 嚴(yán)方, 李靜, 田宇, 等. 城市生活垃圾填埋場(chǎng)惡臭污染及衛(wèi)生防護(hù)距離的探討[J]. 科技創(chuàng)業(yè)月刊, 2008(4): 135- 137.

[2] 趙東風(fēng), 張鵬, 戚麗霞, 等. 地面濃度反推法計(jì)算石化企業(yè)無組織排放源強(qiáng)[J]. 化工環(huán)保, 2013, 33(1): 71- 75.

[3] 崔積山, 張鵬, 歐陽(yáng)振宇. 地面濃度反推法計(jì)算無組織排放廢氣的應(yīng)用研究[J]. 廣東化工, 2013, 40(5): 3- 5.

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Numerical Simulation of Waste Transfer Station’s Stench Effectes on High-rise Residential Buildings

LIU Feng, CHENG Yan-jun, LIU Chun-hong, WANG Shuo

(Environmental Protection Research Institute of Light Industry, Beijing 100089, China)

Based on the technical renovation project EIA case of an existing domestic waste transfer station in Beijing, ADMS-Urban atmospheric diffusion model was employed to study the numerical simulation of its stench effect on high-rise residential buildings. Before the simulation, the measured results of work field and the same atmospheric diffusion model in simulating prediction were used to inversely deduce the unorganized emission source intensity of stench. Then the organized emission source intensity of technical renovation projects was determined. During the simulation, ADMS-Urban diffusion model was used to calculate simulation results at various heights of high-rise residential buildings to analyze the influence rule of unorganized or organized emission from different heights of high-rise residential buildings, and corresponding administrating and controlling methods were put forward. The research method used to determine the stench emission source intensity and the results concerning influence regulation of smell emission at various heights of high-rise residential buildings are useful and worth promoting in the similar EIA cases of waste transfer station.

waste transfer station; stench; high-rise residential building; numerical simulation

2016-01-06

北京市科學(xué)技術(shù)研究院改革與發(fā)展專項(xiàng)(613-2015A-22)

劉楓(1982—)，男，漢族，遼寧沈陽(yáng)人，助理研究員，碩士，主要從事建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)和大氣數(shù)值模擬研究，E-mail：liepi_chess@163.com

10.14068/j.ceia.2017.01.013

X820.3

A

2095-6444(2017)01-0051-06