垃圾轉運站惡臭對高層住宅影響的數(shù)值模擬

劉楓，程言君，劉春紅，王碩

(輕工業(yè)環(huán)境保護研究所，北京 100089)

垃圾轉運站惡臭對高層住宅影響的數(shù)值模擬

劉楓，程言君，劉春紅，王碩

(輕工業(yè)環(huán)境保護研究所，北京 100089)

基于北京某現(xiàn)有生活垃圾轉運站技改工程環(huán)評案例，采用ADMS-Urban大氣擴散模型就其惡臭對高層住宅的影響進行數(shù)值模擬研究。模擬前，以現(xiàn)場地面實測結果，采用與模擬預測相同的大氣擴散模型反推惡臭無組織排放源強，進而確定技改工程有組織排放源強；模擬中，采用ADMS-Urban擴散模型計算高層住宅不同高度模擬結果，分析無組織排放和有組織排放對不同高度住宅的影響規(guī)律，以此提出對應的管理和控制措施。該套實測反推法確定惡臭排放源強的研究方法及惡臭污染物對不同高度敏感點環(huán)境影響規(guī)律的研究成果，對同類垃圾轉運站環(huán)評案例具有一定借鑒和推廣價值。

垃圾轉運站；惡臭；高層住宅；數(shù)值模擬

A轉運站是位于北京市區(qū)內的一座現(xiàn)有半開放型生活垃圾轉運站。為更好地保護環(huán)境，該轉運站將實施技改工程，將主要惡臭工序做全密閉負壓處理，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。基于國內尚無與A轉運站技改工程惡臭收集處理措施具有可類比性的垃圾轉運站已運行案例，且城市高大建筑區(qū)微環(huán)境中就多個大氣排放源對敏感建筑不同樓層高度處影響規(guī)律的預測模擬研究在環(huán)評案例中較為少見，本文采用實測—反推—類比的方法確定技改工程惡臭排放源強，設定特定的氣象條件，分別就技改工程有組織排放、現(xiàn)有工程無組織排放、技改工程惡臭未經除臭處理的有組織排放對高層住宅不同高度的影響規(guī)律進行研究，以期為同類垃圾轉運站環(huán)境影響評價提供參考和借鑒。

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，其排放源強因產污環(huán)節(jié)復雜、排放源分散無規(guī)則而通常難于確定[2-3]。就無組織排放源強確定方法而言，物料衡算法、通量法不易推廣，類比法、經驗公式法等主觀因素相對較大，地面濃度反推法公式中的擴散參數(shù)難于準確確定[2-5]。在大氣數(shù)值模擬研究相關模型中，ADMS-Urban經北京具體案例實測驗證其模擬準確度是可以接受的，而AERMOD、CALPUFF、METRAS、WRF 3.3、大渦模擬方法等在城區(qū)里的應用均有一定局限性[6]。

ADMS-Urban模型主要應用于城市區(qū)域內工業(yè)、民用生活和道路交通污染源，對于A轉運站涉及的點源、面源等排放源均可模擬計算。該模型參數(shù)化描述邊界層結構主要是基于Monin-Obukhov長度和邊界層高度，這是區(qū)別于其他模型的顯著特征，其定義邊界層結構的物理參數(shù)可通過測量直接得到，以便于更真實地表現(xiàn)出擴散過程隨高度變化的特征，所得預測模擬結果相對更為準確可信。

2 數(shù)值模擬研究實施方案

(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為坐標原點，向東、南、西、北四個方向分別拓展210 m、150 m、160 m、200 m，該范圍剛好涵蓋了A轉運站及其周邊緊鄰道路、西側三棟高層住宅樓(均為25層)，以此建立平面坐標體系，結果如圖1所示。

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

(2)現(xiàn)狀面源劃分。如圖1所示，結合A轉運站現(xiàn)狀平面布局和運行工序，將現(xiàn)狀廠區(qū)內惡臭排放面源概化劃分為地磅房—引橋—卸料平臺—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)測布點頻次。共布設7個監(jiān)測點，其中3個監(jiān)測點布設在主要環(huán)境空氣保護目標A轉運站西側三棟高層住宅樓東側位置(編號為1#、2#、3#)，其余4個監(jiān)測點布設在A轉運站各廠界惡臭嗅覺最大處(編號為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)測硫化氫、甲硫醇有較多未檢出結果，故以氨為本次模擬研究因子，選用ADMS-Urban大氣擴散模型對其小時貢獻濃度進行預測模擬。

(5)模擬網格及特征點位。建立三維模擬網格體系，即平面以10 m為網格劃分間隔，高度上自2 m(近似人的呼吸線高度)起，以9 m(3個樓層高度)為網格劃分間隔，至74 m(25層住宅高度)終，共計38×36×9=12 312個網格點。以西側三棟高層住宅的東側各層高度處(2 m、5 m、8 m……71 m、74 m)為模擬特征點位，共計25×3=75個。

(6)模擬氣象條件。相對云量、氣溫、氣壓、相對濕度等而言，影響大氣污染物擴散的主要氣象參數(shù)為風向和風速[7]。采用人工設定氣象條件，使得西側住宅樓完全位于惡臭排放源的下風向側(NE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE)，風速按最不利、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(八進制)選取區(qū)域統(tǒng)計年份(2014年)逐時常規(guī)氣象觀測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7×12=84組氣象條件組合。

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

3 排放源強確定

3.1 實測反推法確定現(xiàn)有工程無組織排放源強

采用ADMS-Urban模型，利用無組織排放監(jiān)控點的多組實測篩選結果，以“試錯法”反推得到已劃分的A轉運站5個面源各自源強范圍區(qū)間值，進而計算得出技改工程大、小除臭塔氨的有組織產生源強分別為0.495～0.528 kg/h、0.211～0.286 kg/h。

上述實測反推確定源強的方法主要基于：(1)面源下風向污染物濃度與面源排放量呈線性比例關系，遵循高斯擴散規(guī)律[2-3]；(2)監(jiān)測結果的篩選中，認為用于反推各面源源強的監(jiān)測點剛好處于相應面源的下風向側；(3)反推源強與預測模擬采用同種擴散模型，可提高預測模擬的可信度；(4)“試錯法”即不斷調整模式輸入源強的大小，直至模式輸出結果與監(jiān)測結果相同。

3.2 類比實測法確定技改工程有組織排放源強

通過對與A轉運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口及排氣筒出口處的類比監(jiān)測，獲得該套惡臭收集處理措施對氨的去除率為87.6%，進而計算技改工程大、小除臭塔氨的有組織排放源強分別為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及技改工程有組織排放源強，在下文的數(shù)值模擬中均保守選用最大值。

4 擴散模擬結果及分析

經ADMS-Urban擴散模型模擬計算，技改工程有組織排放的氨對各高層住宅每個樓層高度的小時濃度(下同)計算結果如圖2所示，不同高度小時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處理的有組織排放的氨對各高層住宅每個樓層高度的計算結果如圖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算結果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算結果比較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測結果及變化比例如表1所示。由此可知：

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

(2)技改工程采取密閉負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號樓14層以下、2號樓8層以下、3號樓11層以下惡臭影響變小，相應樓層以上惡臭影響有所增大；在同時考慮除臭措施的情況下，可使1號樓全部、2號樓19層以下、3號樓24層以下惡臭影響變小，相應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，依據表1，1號、2號、3號住宅各樓層氨的預測結果變化比例分別為-78.8%～381.2%、-80.8%～1606.3%、-80.7%～955.0%，最大預測結果僅占其質量標準限值(0.20 mg/m3)的14.8%；在考慮除臭措施的情況下，1號、2號、3號住宅各樓層氨的預測結果變化比例分別為-97.4%～-41.2%、-97.6%～108.8%、-97.6%～29.0%，最大預測結果僅占其質量標準限值(0.20 mg/m3)的1.8%。

表1 技改工程住宅代表性樓層氨的預測結果及變化比例

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測結果，相對于未采取相關措施時的無組織排放預測結果的變化百分比。

5 結論與展望

(1)技改工程采取密閉負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運站惡臭源強的研究方法及對不同高度敏感點影響規(guī)律數(shù)值模擬的研究成果，可成為開展同類環(huán)境影響評價的有效工具。

(3)受條件限制，本文目前僅開展了A轉運站對周邊住宅樓環(huán)境影響的預測模擬，待A轉運站技改工程完成并投用后，將對與文中同模擬點位的住宅各樓層開展實測驗證。

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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

北京市科學技術研究院改革與發(fā)展專項(613-2015A-22)

劉楓(1982—)，男，漢族，遼寧沈陽人，助理研究員，碩士，主要從事建設項目環(huán)境影響評價和大氣數(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