基于定量模擬的惡臭治理技術方案評估體系的構建與應用*

朱劍秋 陳金勝 任翔宇# 朱 晶 樓 劼 張志豪,3

(1.浙江省環(huán)境科技有限公司,浙江 杭州 311121;2.浙江求實環(huán)境監(jiān)測有限公司,浙江 杭州 311121;3.浙江智慧云環(huán)境科技有限公司,浙江 杭州 310030)

惡臭是指一切能刺激嗅覺器官而引起人們不愉悅感覺以及損害生活環(huán)境的異味氣體[1-2]。惡臭污染不僅對人體健康造成傷害,同時也會影響社會、經(jīng)濟的發(fā)展[3-4]。2018、2019、2020年“全國生態(tài)環(huán)境信訪投訴舉報管理平臺”接到的惡臭(異味)投訴舉報分別有15.3萬、11.1萬、9.8萬件,占環(huán)境問題總投訴量的21.5%、20.8%和22.1%,是當前公眾投訴最強烈的環(huán)境問題之一[5]?？傮w看來,近些年盡管全國大力開展工業(yè)企業(yè)惡臭異味的管控及整治,但相關投訴占比仍處于高位。

我國目前的惡臭標準主要是從臭氣濃度方面對污染產(chǎn)生單位進行約束,缺少對環(huán)境敏感點異味強度和發(fā)生頻率的相關要求[6-8]?，F(xiàn)有標準沒有考慮到不同惡臭物質的自然特征,并不是以人的“可接受性”為準則,這也是“達標性異味污染”的原因所在。有些污染物在極低濃度下異味刺激仍然強烈,多種未超過標準限量的污染物在相互疊加作用下異味刺激也不容忽視[9-11]。在異味投訴中存在較多數(shù)量的“達標投訴”,即企業(yè)自身廢氣排放達標,但依然對周邊居民造成異味困擾。實際案例中即使認定了責任企業(yè),但由于缺乏技術支撐,無法確定治理到何種程度可以解決問題,因此整治效果往往較差。

不同行業(yè)產(chǎn)業(yè)排放的惡臭物質種類差異大,采用單一的惡臭污染治理技術方法,往往無法滿足企業(yè)復雜的生產(chǎn)工況,從而導致惡臭氣體難治理、難評估、方案難決策等問題。由于惡臭物質嗅閾值低,在達到現(xiàn)有的排放標準情況下,也需要進一步綜合研究提出深度惡臭治理方案,才能滿足惡臭控制要求。企業(yè)如何篩選出最適合自身排放特征、治理效果最優(yōu)、能徹底解決周邊居民異味困擾的惡臭治理技術具有重要研究意義。已有研究多采用單一惡臭強度評價準則作為治理技術的評判標準[12-13],但并不能全面剖析存在的問題。實際情況中需要結合企業(yè)自身惡臭治理工藝、排放特征及惡臭影響現(xiàn)狀,并需要兼顧企業(yè)周邊環(huán)境敏感點受影響程度與相關國家政策管控要求,選擇合適的評估標準與方法。因此,建立一套涵蓋多角度的惡臭治理技術綜合評估體系對于企業(yè)量化評估不同治理技術的實施效果,科學選擇惡臭治理技術具有重要意義。

針對上述問題,本研究創(chuàng)新性地采用惡臭擴散模型與德國異味發(fā)生頻率控制標準建立了惡臭污染影響定量評價方法,同時結合“減污降碳協(xié)同管控”政策制定了一套評估賦分體系,從惡臭治理效率、環(huán)境改善效果、減污降碳水平以及技術經(jīng)濟成本4個方面對惡臭治理技術實施效果進行量化并差異化評分。為驗證方法的科學性與可操作性,使用上述方法對某染料企業(yè)尾氣惡臭進行不同情景下的預測評估,篩選得出最優(yōu)的惡臭異味管控辦法,有效解決了“達標性異味擾民”整治目標不明確的問題。

1 基于定量模擬的惡臭治理技術評估體系

1.1 評估指標選取

企業(yè)在設計惡臭治理技術方案時,不僅要考慮治理技術的治理效果,還要關注是否會對周邊環(huán)境敏感點產(chǎn)生影響;同時結合實際,治理技術還應響應國家“減污降碳協(xié)同管控”政策方針,實現(xiàn)環(huán)保和節(jié)能減排的雙重目標,并最終確保其在經(jīng)濟投入和環(huán)境效益之間取得平衡。通過上述4個方面來評估企業(yè)惡臭整治效果,可全面、客觀地評估企業(yè)整治惡臭問題的效果和成本,利于其合理規(guī)劃并實施環(huán)保治理措施,并促進可持續(xù)發(fā)展。

1.1.1 惡臭治理效率指標

惡臭治理效率以總惡臭排放強度(TOER)的削減率作為量化指標,TOER的削減率越高,表示惡臭治理效率越好。TOER計算方法見式(1):

ITOER=Q×C

(1)

式中:ITOER為總惡臭排放強度,m3/min;Q為廢氣風量,m3/min;C為臭氣濃度,無量綱。

1.1.2 環(huán)境改善效果指標

在傳統(tǒng)評估惡臭污染影響中,治理工程易出現(xiàn)達標性污染以及需要重復性信訪,存在成本高、效果不佳等問題。因此,選擇利用模型進行模擬定量評估,通過建立惡臭污染的數(shù)學模型,對惡臭污染的來源、擴散、影響等進行定量分析,從而為治理惡臭污染提供科學依據(jù)。

AUSTAL 2000模型是《德國空氣質量控制標準》推薦的法規(guī)模型,被歐盟國家廣泛采用。AUSTAL 2000模型自身擁有診斷風場的模塊(TALdia),且考慮風場中的地形因素,適用于模擬惡臭污染擴散,可通過預測污染源周邊區(qū)域惡臭發(fā)生頻率從而進行惡臭模擬與氣味影響評價[14-16]。為此,本研究選用AUSTAL 2000模型用于模擬惡臭擴散,同步參考《德國污染控制法》中的方法量化評價惡臭污染對周邊環(huán)境敏感點的影響,周邊敏感點惡臭發(fā)生頻率越低,環(huán)境改善效果越好。

1.1.3 減污降碳水平指標

減污降碳水平指標以各項處理工藝的碳排放量作為量化依據(jù),碳排放量越小,表明治理工藝的減污降碳效果越好。各項處理工藝主要考慮相關設備運行時的碳排放量,依照各類生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南進行核算?；趯μ幚砉に囍饕O備清單的梳理與能耗核算,選擇相應的碳排放因子計算工藝碳排放量,計算方法見式(2)。

(2)

式中:E為設備運行時耗能產(chǎn)生的CO2排放量,kg/h;Ai為工藝設備對能源i的能耗活動水平,GJ/h;Fi為能源i的CO2排放因子,kg/GJ;n為能源種類數(shù)。

1.1.4 技術經(jīng)濟成本指標

企業(yè)在選擇治理工藝時要綜合考慮工藝的經(jīng)濟成本,主要包括處理工藝運行時的耗能、耗材等。技術經(jīng)濟指標以各項處理工藝的小時運行成本作為量化依據(jù)。

1.2 評估指標賦分

評估賦分體系總分值為100分,根據(jù)各項指標的相對重要程度,設定惡臭治理效率、環(huán)境改善效果、減污降碳水平與技術經(jīng)濟成本等評估指標滿分分別為30、40、15、15分。

1.2.1 惡臭治理效率指標賦分

鑒于我國尚未發(fā)布TOER削減效率要求,故參照《揮發(fā)性有機物無組織排放控制標準》(GB 37822—2019)中揮發(fā)性有機物處理設施效率不低于80%的規(guī)定,設定TOER削減要求。將TOER削減率≤80%的惡臭治理效率賦分為0分;TOER削減率≥90%的惡臭治理效率賦分為30分;TOER削減率在80%～90%的惡臭治理效率按比例賦分,具體見式(3)。

ST=[(T-80)/(90-80)]×30

(3)

式中:ST為TOER削減率在80%～90%時惡臭治理效率的得分;T為TOER削減率,%。

環(huán)境改善效果指標選擇環(huán)境周邊敏感點惡臭發(fā)生頻率作為賦分依據(jù),利用AUSTAL 2000對惡臭的影響進行模擬分析,參考《德國污染控制法》中的惡臭影響標準進行評價。《德國污染控制法》中的臭氣濃度定義與我國標準中的無量綱臭氣濃度概念相同,均指將惡臭氣體稀釋至嗅覺閾值的倍數(shù),并要求居民區(qū)、混雜區(qū)年臭氣濃度超出1的小時數(shù)占全年小時數(shù)(8 760 h)的比例不超過10%;商業(yè)區(qū)、工業(yè)園區(qū)年惡臭濃度超出1的小時數(shù)占全年小時數(shù)的比例不超過15%。

鑒于此,本研究將惡臭發(fā)生頻率超過15%的環(huán)境改善效果賦分為0分;惡臭發(fā)生頻率為10%的環(huán)境改善效果賦分為30分;惡臭發(fā)生頻率在[0,10%)與(10%,15%)的環(huán)境改善效果按比例賦分。賦分方法見式(4):

(4)

式中:SI為環(huán)境改善效果的得分;η為惡臭發(fā)生頻率,%。

1.2.3 減污降碳水平指標賦分

在相同工況下平行測試多種惡臭治理工藝的碳排放量,減污降碳水平指標賦分按式(5)進行計算:

(5)

式中:SR為減污降碳水平的得分;Eave為幾種備選惡臭治理工藝CO2排放量的平均值,kg/h;E’為待評估工藝的CO2排放量,kg/h。

ABC分類法是目前最常用的庫存管理方法之一。ABC分類法又稱主次因素分析法或“帕累托”現(xiàn)象。這種方法簡單易行，在庫存管理中應用廣泛。ABC分類法的基本原理是將庫存物資按品種和占用資金的多少分為特別重要的庫存（A類）、一般重要的庫存（B類）和不重要的庫存（C類）三個等級，然后針對不同重要等級分別進行管理和控制[2]。該方法的核心是“分清主次，抓住重點”，針對企業(yè)庫存中占用大量資金的少數(shù)生鮮農(nóng)產(chǎn)品，需要進一步加強庫存管理和控制；而企業(yè)庫存中占用少量資金的大多數(shù)生鮮農(nóng)產(chǎn)品，可進行相對較為寬松的庫存管理與控制。

1.2.4 技術經(jīng)濟成本指標賦分

技術經(jīng)濟指標以各項惡臭治理工藝的運行成本作為賦分依據(jù)。在相同工況下平行測試多種惡臭治理工藝的運行成本,技術經(jīng)濟成本指標賦分按式(6)計算:

(6)

式中:SE為惡臭治理工藝技術經(jīng)濟成本的得分;Oave為幾種備選惡臭治理工藝運行成本的平均值,元/h;O’為待評估工藝的運行成本,元/h。

2 實例應用

2.1 企業(yè)概況

某染料企業(yè)為杭州灣的龍頭企業(yè),企業(yè)廠界周圍共有12處環(huán)境敏感點(見圖1),臨近高架橋交通樞紐,地勢平坦,園區(qū)周邊多為農(nóng)田。廠內(nèi)全部采用噴霧干塔用于分散染料干燥。企業(yè)擬對噴干塔尾氣進行深化治理以降低惡臭影響,備選技術方案包括“冷凝回用+分子共振”與“高能粒子氧化耦合”,評估比選兩種工藝在惡臭治理效率、環(huán)境改善效果、技術成本經(jīng)濟性與減污降碳協(xié)同效能方面的表現(xiàn)。

圖1 染料企業(yè)廠區(qū)范圍與敏感點位置

2.2 預測情景設置

針對該企業(yè)噴干塔尾氣惡臭問題,結合備選的兩種治理工藝,設置3種情景進行模擬,其中情景1為當前現(xiàn)狀;情景2為采用高能粒子氧化治理噴干塔尾氣惡臭;情景3為冷凝回用+分子共振治理噴干塔尾氣惡臭。利用AUSTAL 2000模型對不同情景下惡臭影響進行預測,擴散模型模擬使用的氣象參數(shù)來源于研究對象所在區(qū)域2020年整年逐時觀測數(shù)據(jù),包括風速、風向、莫奧長度等。根據(jù)染料企業(yè)所在區(qū)域的主導風向,設置16 km×8 km的矩形區(qū)域為模擬區(qū)域,模擬區(qū)域可以覆蓋廠界周圍12處環(huán)境敏感點。

2.3 結果與分析

2.3.1 惡臭治理效率與改善效果

通過AUSTAL 2000模型模擬預測,得到3個情景下惡臭發(fā)生頻率的區(qū)域分布,結果見圖2。由圖2可見,在情景2與情景3下,模擬區(qū)域中惡臭發(fā)生頻率較高的面積相比情景1明顯縮小,說明兩種治理方案均能讓大部分敏感點惡臭影響問題得到改善。

圖2 染料企業(yè)惡臭發(fā)生頻率區(qū)域分布

進一步分析該染料企業(yè)在3種情景下的惡臭發(fā)生頻率與TOER模擬結果。情景1企業(yè)尾氣沒有惡臭治理措施的情況下,大部分模擬區(qū)域的惡臭發(fā)生頻率均處在5.0%～50.0%,其中最大值落在廠區(qū)內(nèi),為52.0%;廠界外部分區(qū)域達到20.0%以上,敏感點中最高為22.3%,敏感點TOER均值為7.137×106。情景2使用高能粒子氧化技術進行尾氣處理后,模擬區(qū)域惡臭發(fā)生頻率基本處于1.0%～15.0%,其中廠區(qū)內(nèi)最大值為28.5%,廠界外絕大部分區(qū)域控制在15.0%內(nèi),敏感點中僅有1個點位惡臭發(fā)生頻率大于10.0%,情景2下敏感點TOER均值為0.785×106。情景3使用冷凝回流+分子共振技術后,模擬區(qū)域的惡臭發(fā)生頻率在1.0%～15.0%,廠區(qū)內(nèi)最大值為22.6%,廠界外區(qū)域惡臭發(fā)生頻率全部在15.0%以內(nèi),所有敏感點的惡臭發(fā)生頻率均在10.0%以下,情景3下敏感點TOER均值為0.478×106,與情景2相比惡臭治理效果有一定提升。

根據(jù)模擬得到的TOER,得到高能粒子氧化技術與冷凝回用+分子共振技術的TOER削減率分別為89.0%、93.3%;在情景2中,12處敏感點中最大惡臭發(fā)生頻率為10.7%,而情景3中該指標為7.4%。根據(jù)賦分規(guī)則,高能粒子氧化耦合工藝與冷凝回用+分子共振工藝的惡臭治理效率得分分別為27.0、30.0分,環(huán)境改善效果得分分別為25.8、32.6分。

2.3.2 減污降碳水平與經(jīng)濟成本指標

根據(jù)工藝原理分析,結合企業(yè)設備運行參數(shù),對不同工藝下的碳排放量與運行成本進行推算與審核,得到兩種治理技術CO2排放量分別為243.94、424.77 kg/h;運行成本分別為327.49、580.79 元/h。按照式(3)、式(4)進行計算,得到高能粒子氧化耦合工藝與冷凝回用+分子共振工藝的減污降碳水平得分分別為10.6、7.4分,技術經(jīng)濟成本得分分別為10.7、7.3分。

2.3.3 工藝比選

綜合4項指標得分情況,高能粒子氧化耦合工藝、冷凝回用+分子共振工藝的評估總分分別為74.1、77.3分,二者得分同在70～80分的檔次區(qū)間,總體相差不大。就單項指標而言,前者在惡臭治理效率與環(huán)境改善效果方面均略差于后者,但在減污降碳和運行成本上優(yōu)于后者,綜合而言,兩種工藝均可滿足該企業(yè)惡臭治理需求。結合染料行業(yè)實際生產(chǎn)來看,高能粒子氧化耦合工藝是《重點行業(yè)揮發(fā)性有機物綜合治理方案》[17]中惡臭異味治理的推薦技術“低溫等離子”的優(yōu)化形式,該治理工藝可以在確保噴干尾氣惡臭異味治理效果的同時,減少企業(yè)環(huán)保負擔,在能耗方面也有降低,因此建議染料行業(yè)推廣使用此法。

3 結 論

(1) 創(chuàng)新性建立了包含惡臭治理效率、環(huán)境改善效果、減污降碳水平與技術經(jīng)濟成本4個維度的惡臭治理技術綜合評估體系,為企業(yè)惡臭治理技術方案的制定與優(yōu)化提供科學支撐。

(2) 基于AUSTAL 2000模擬結果與德國異味發(fā)生頻率控制標準判斷惡臭污染對環(huán)境周邊敏感點的影響,定量評估技術方案的惡臭治理效率與環(huán)境改善效果。

(3) 采用某染料企業(yè)尾氣惡臭管控評估實例對構建的方法進行驗證。惡臭治理技術綜合評估結果表明,冷凝回用+分子共振工藝與高能粒子氧化耦合工藝均能讓大部分敏感點惡臭影響問題得到改善;高能粒子氧化耦合技術可以在確保噴干尾氣惡臭異味治理效果的同時,減少企業(yè)經(jīng)濟、環(huán)保負擔,并降低能耗。

(4) 惡臭污染影響定量評價方法與惡臭治理技術綜合評估體系有助于客觀評價惡臭嗅辨結果,綜合全面地評估惡臭治理工藝的治理效果,對解決“達標性異味擾民”等問題具有積極作用。