煉油污水處理裝置惡臭氣體源強(qiáng)估算方法的比較

安偉銘，楊 宏，潘 峰，仝紀(jì)龍，馬 巖

（1. 蘭州大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2. 蘭州大學(xué) 環(huán)境質(zhì)量評價研究中心，甘肅 蘭州 730000）

煉油污水處理裝置無組織排放的廢氣大多為有毒有害氣體［1］。在20世紀(jì)80年代，胡更新［2］對于無組織排放量的測定方法進(jìn)行了研究。但煉油污水處理裝置的無組織排放源具有產(chǎn)污環(huán)節(jié)多、分散且不規(guī)則以及無特定監(jiān)測口等特點(diǎn)，導(dǎo)致源強(qiáng)核算困難。并且煉油污水處理裝置的無組織排放源眾多，相互干擾的情況極易發(fā)生［3-4］。因此，準(zhǔn)確確定惡臭氣體源強(qiáng)是煉油污水處理裝置環(huán)境影響評價工作的重點(diǎn)。

本工作以某煉油污水處理裝置的運(yùn)行現(xiàn)狀及惡臭氣體的監(jiān)測結(jié)果為列，通過衛(wèi)生防護(hù)距離反推法、源強(qiáng)經(jīng)驗估算法和地面濃度反推法研究了煉油污水處理裝置惡臭氣體源強(qiáng)的估算方法，得出了較為適合煉油污水處理裝置的源強(qiáng)確定方法。

1 惡臭氣體排放源

許多煉油污水處理裝置，由于建設(shè)初期很少考慮廢氣處理問題，使敞口的煉油污水處理裝置成為主要的惡臭氣體無組織排放源。惡臭氣體源于污水中有機(jī)物的揮發(fā)和污水中微生物進(jìn)行生化反應(yīng)后形成的分解物，大多以無組織面源方式擴(kuò)散，惡臭氣體的濃度隨擴(kuò)散距離的增加而衰減［5-7］。

某環(huán)境監(jiān)測站在距離某煉油污水處理裝置廠界245 m處進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明NH3和H2S的平均質(zhì)量濃度分別為0.113，0.006 mg/m3。

2 惡臭氣體源強(qiáng)的估算方法

2.1 衛(wèi)生防護(hù)距離反推法

SH 3093—1999《石油化工企業(yè)衛(wèi)生防護(hù)距離》［8］中給出的衛(wèi)生防護(hù)距離的計算公式，見式（1）。

式中：Qc為無組織排放源強(qiáng)，kg/h；Cm為標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度限值，mg/Nm3；L為所需衛(wèi)生防護(hù)距離，m；r為無組織排放源所在生產(chǎn)單元的等效半徑，m；A，B，C，D均為衛(wèi)生防護(hù)距離計算系數(shù)。

由式（1）得到無組織排放源強(qiáng)的計算公式，見式（2）。

式中：ρ為監(jiān)測點(diǎn)的質(zhì)量濃度，mg/m3；L′為該點(diǎn)與無組織排放源間的距離，m；由衛(wèi)生防護(hù)距離計算系數(shù)表中查得A=400，B=0.01，C=1.85，D=0.78。根據(jù)式（2）計算，得到該煉油污水處理裝置NH3和H2S的無組織排放源強(qiáng)分別為2.395，0.127 kg/h。

2.2 源強(qiáng)經(jīng)驗估算法

污水處理廠的惡臭氣體源強(qiáng)與污水水質(zhì)、處理工藝、構(gòu)筑物尺寸、風(fēng)速、溫度等因素有較大關(guān)系，惡臭氣體源強(qiáng)通常可按產(chǎn)生惡臭的污水處理設(shè)施的構(gòu)筑物尺寸和惡臭氣體排污系數(shù)進(jìn)行粗算［9］。污水廠主要處理設(shè)施的NH3和H2S產(chǎn)生強(qiáng)度見表1。由表1中各主要處理設(shè)施惡臭氣體產(chǎn)生強(qiáng)度，結(jié)合構(gòu)筑物尺寸（處理設(shè)施無組織排放面源的面積），計算出該煉油污水處理裝置NH3和H2S的無組織排放源強(qiáng)分別為0.255，0.080 kg/h。

表1 污水處理廠主要處理設(shè)施的NH3和H2S產(chǎn)生強(qiáng)度

2.3 地面濃度反推法

地面濃度反推法以高斯模式為理論基礎(chǔ)［10-11］，無組織排放源強(qiáng)的計算見式（3）。

式中：ρz0為無組織排放物的地面質(zhì)量濃度，mg／m3；u10為距地面10 m處的平均風(fēng)速，m/s；σz為垂直擴(kuò)散參數(shù)，m；σy為水平擴(kuò)散參數(shù)，m；σy0為初始水平擴(kuò)散參數(shù)，m；H為無組織排放物的平均排放高度，m。

根據(jù)H2S和NH3的監(jiān)測質(zhì)量濃度以及相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)，按地面濃度反推法計算污水處理裝置的源強(qiáng)。當(dāng)ρz0（NH3）=0.113 mg/m3，ρz0（H2S）=0.006 mg/m3，u10=0.8 m/s，σz=39.35 m，σy=60.70 m，σy0=29.43 m，H=2.50 m時，通過計算得到NH3和H2S的無組織排放源強(qiáng)分別為3.120，0.250 kg/h。

3 3種源強(qiáng)估算方法的分析與比較

3.1 3種源強(qiáng)估算方法的比較

AERMOD模式將最新的大氣邊界層和大氣擴(kuò)散理論應(yīng)用到空氣污染擴(kuò)散模式中［12］，適合無組織排放源的擴(kuò)散特點(diǎn)，更能反映污染物的實際擴(kuò)散規(guī)律。以污染物H2S為例，采用AERMOD模式，根據(jù)3種估算方法得到的源強(qiáng)，分別預(yù)測監(jiān)測點(diǎn)濃度并與監(jiān)測值進(jìn)行比對。根據(jù)3種不同方法預(yù)測的小時質(zhì)量濃度分布圖見圖1。由圖1可見，由于采用統(tǒng)一的氣象條件和地形等因素，并且在同一模式下進(jìn)行預(yù)測，所以污染物濃度分布的趨勢大體一致，但由于源強(qiáng)不同，導(dǎo)致預(yù)測的煉油污水處理裝置周圍H2S的小時濃度具有差異。

圖1 根據(jù)不同方法預(yù)測的監(jiān)測點(diǎn)小時質(zhì)量濃度分布圖● 廠界監(jiān)測點(diǎn)1，2，3，4，5，6，7，8；● 敏感點(diǎn)

各監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測質(zhì)量濃度與預(yù)測質(zhì)量濃度見表2。由表2可見：由于監(jiān)測點(diǎn)3，4，5，6處于污染源的下風(fēng)向，因而它們的預(yù)測值較其他監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)測值高；除監(jiān)測點(diǎn)2外，其他各監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)測值均高于監(jiān)測值；敏感點(diǎn)的監(jiān)測值與預(yù)測值偏差較小；通過3種不同源強(qiáng)預(yù)測監(jiān)測點(diǎn)的質(zhì)量濃度，其中，由源強(qiáng)經(jīng)驗估算法預(yù)測的監(jiān)測點(diǎn)質(zhì)量濃度與監(jiān)測質(zhì)量濃度最為接近。

表2 各監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測質(zhì)量濃度與預(yù)測質(zhì)量濃度 mg/m3

考慮到監(jiān)測值是在正常氣象條件下得到的，分別對9個監(jiān)測點(diǎn)和去掉預(yù)測值偏大的4個監(jiān)測點(diǎn)（監(jiān)測點(diǎn)3，4，5，6）后的5個監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析［13］。以監(jiān)測值與3種方法得到的各監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)測值作為原始數(shù)據(jù)，建立SPSS文件，選用最小顯著差數(shù)法，用t檢驗完成各組均值間的配對比較，并設(shè)定檢驗的顯著性概率臨界值為0.05，得到的方差分析結(jié)果見表3。其中，均方差為離差平方和與自由度的比，F(xiàn)為組間均方差與組內(nèi)均方差之比，p為F對應(yīng)的概率值。

表3 方差分析結(jié)果

由表3可見：考察全部9個監(jiān)測點(diǎn)時，3種方法得到的各監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)測值與監(jiān)測值間的概率值為0.002（＜0.05），說明不滿足零假設(shè)，即其中4組數(shù)據(jù)間存在顯著性差異；而只考慮5個監(jiān)測點(diǎn)時，對應(yīng)的概率值為0.248（＞0.05），滿足零假設(shè)，數(shù)據(jù)間無顯著性差異。因此，以下只對5個監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)測值進(jìn)行多重方差分析，分析結(jié)果見表4。

由表4可見，由源強(qiáng)經(jīng)驗估算法得到的預(yù)測值與監(jiān)測值間計算所得的概率值最大，說明源強(qiáng)經(jīng)驗估算法得到的預(yù)測值與監(jiān)測值間的差異性最不明顯。

表4 多重方差分析結(jié)果

3.2 綜合分析

1）衛(wèi)生防護(hù)距離反推法中的石油化工企業(yè)衛(wèi)生防護(hù)距離公式涉及污染物的選定、最大容許濃度、無組織排放源源強(qiáng)的可控水平和氣象條件，以最佳實用技術(shù)原則為基礎(chǔ)，原理為大氣擴(kuò)散理論。該法所需的氣象資料僅為近5年平均風(fēng)速，并劃分為3檔（＜2.0 m/s，2.0～4.0 m/s，＞4.0 m/s），并且未考慮有效源高度。該方法需要進(jìn)行地面濃度監(jiān)測，較為費(fèi)時、費(fèi)力，但估算結(jié)果與實際情況較為接近。

2）源強(qiáng)經(jīng)驗估算法主要參考污水廠主要處理設(shè)施的NH3和H2S產(chǎn)生強(qiáng)度。城市污水處理廠的水質(zhì)和煉油污水處理裝置的水質(zhì)雖有一定差別，但污染物的逸散存在一定的相似性，能客觀反映污染物源強(qiáng)與原水、工藝、設(shè)備、環(huán)保設(shè)施運(yùn)行效果及管理水平等因素之間的關(guān)系。該法具有計算簡單、應(yīng)用廣泛的優(yōu)點(diǎn)，與實際情況更為接近。

3）地面濃度反推法所需的氣象數(shù)據(jù)最多，包括時間、溫度、相對濕度、風(fēng)向、近地面風(fēng)速、總云量、低云量、大氣壓等［14］。能否準(zhǔn)確確定公式中的垂直擴(kuò)散參數(shù)、水平橫向擴(kuò)散參數(shù)和初始擴(kuò)散參數(shù)對于計算結(jié)果有較大影響。胡更新［2］進(jìn)一步分析了該公式中主要因子的選擇、確定和修正方法，并結(jié)合其他類似公式的估算結(jié)果進(jìn)行對比驗證，最終發(fā)現(xiàn)該公式準(zhǔn)確可行。但該方法受到地面粗糙度、大氣物理以及大氣化學(xué)因素的影響，存在一定誤差。

4 結(jié)論

a）對某煉油污水處理裝置無組織排放的NH3和H2S進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果運(yùn)用3種方法計算源強(qiáng)。其中，衛(wèi)生防護(hù)距離反推法得到的NH3和H2S的無組織排放源強(qiáng)分別為2.395，0.127 kg/h；源強(qiáng)經(jīng)驗估算法得到的NH3和H2S的源強(qiáng)分別為0.255，0.080 kg/h；地面濃度反推法得到的NH3和H2S的源強(qiáng)分別為3.120，0.250 kg/h。

b）分別將3種方法計算得到的某煉油污水處理裝置的無組織排放源強(qiáng)，運(yùn)用AERMOD模式模擬預(yù)測各廠界監(jiān)測點(diǎn)和敏感點(diǎn)的濃度，并對預(yù)測結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行方差分析和多重方差分析，得出由源強(qiáng)經(jīng)驗估算法預(yù)測得到的監(jiān)測點(diǎn)質(zhì)量濃度與監(jiān)測質(zhì)量濃度間的差異性最小，確定源強(qiáng)經(jīng)驗估算法為煉油污水處理裝置源強(qiáng)估算的最優(yōu)方法。

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