垃圾转运站恶臭对高层住宅影响的数值模拟

刘枫，程言君，刘春红，王硕

(轻工业环境保护研究所，北京 100089)

垃圾转运站恶臭对高层住宅影响的数值模拟

刘枫，程言君，刘春红，王硕

(轻工业环境保护研究所，北京 100089)

基于北京某现有生活垃圾转运站技改工程环评案例，采用ADMS-Urban大气扩散模型就其恶臭对高层住宅的影响进行数值模拟研究。模拟前，以现场地面实测结果，采用与模拟预测相同的大气扩散模型反推恶臭无组织排放源强，进而确定技改工程有组织排放源强；模拟中，采用ADMS-Urban扩散模型计算高层住宅不同高度模拟结果，分析无组织排放和有组织排放对不同高度住宅的影响规律，以此提出对应的管理和控制措施。该套实测反推法确定恶臭排放源强的研究方法及恶臭污染物对不同高度敏感点环境影响规律的研究成果，对同类垃圾转运站环评案例具有一定借鉴和推广价值。

垃圾转运站；恶臭；高层住宅；数值模拟

A转运站是位于北京市区内的一座现有半开放型生活垃圾转运站。为更好地保护环境，该转运站将实施技改工程，将主要恶臭工序做全密闭负压处理，并采取更为高效的除臭措施。技改工程完成后，现状无组织排放恶臭污染物将大大减少，主要有组织排放源为新建除臭塔排气筒。基于国内尚无与A转运站技改工程恶臭收集处理措施具有可类比性的垃圾转运站已运行案例，且城市高大建筑区微环境中就多个大气排放源对敏感建筑不同楼层高度处影响规律的预测模拟研究在环评案例中较为少见，本文采用实测—反推—类比的方法确定技改工程恶臭排放源强，设定特定的气象条件，分别就技改工程有组织排放、现有工程无组织排放、技改工程恶臭未经除臭处理的有组织排放对高层住宅不同高度的影响规律进行研究，以期为同类垃圾转运站环境影响评价提供参考和借鉴。

1 大气数值模拟模型概述

城市生活垃圾发酵主要产生氨、硫化氢、甲硫醇等恶臭污染物[1]，多为无组织排放，其排放源强因产污环节复杂、排放源分散无规则而通常难于确定[2-3]。就无组织排放源强确定方法而言，物料衡算法、通量法不易推广，类比法、经验公式法等主观因素相对较大，地面浓度反推法公式中的扩散参数难于准确确定[2-5]。在大气数值模拟研究相关模型中，ADMS-Urban经北京具体案例实测验证其模拟准确度是可以接受的，而AERMOD、CALPUFF、METRAS、WRF 3.3、大涡模拟方法等在城区里的应用均有一定局限性[6]。

ADMS-Urban模型主要应用于城市区域内工业、民用生活和道路交通污染源，对于A转运站涉及的点源、面源等排放源均可模拟计算。该模型参数化描述边界层结构主要是基于Monin-Obukhov长度和边界层高度，这是区别于其他模型的显著特征，其定义边界层结构的物理参数可通过测量直接得到，以便于更真实地表现出扩散过程随高度变化的特征，所得预测模拟结果相对更为准确可信。

2 数值模拟研究实施方案

(1)平面几何建模。以技改工程新建小除臭塔排气筒基底中心点为坐标原点，向东、南、西、北四个方向分别拓展210 m、150 m、160 m、200 m，该范围刚好涵盖了A转运站及其周边紧邻道路、西侧三栋高层住宅楼(均为25层)，以此建立平面坐标体系，结果如图1所示。

图1 研究范围内几何建模Fig.1 Geometric modeling in research range

(2)现状面源划分。如图1所示，结合A转运站现状平面布局和运行工序，将现状厂区内恶臭排放面源概化划分为地磅房—引桥—卸料平台—粗分选车间—精分选车间、吊箱区、装箱区、重箱区等。上述划分的面源中，地磅房、引桥排放的恶臭将由技改工程小除臭塔1根排气筒有组织排放，其余无组织排放恶臭将由技改工程大除臭塔4根排气筒有组织排放。

(3)监测布点频次。共布设7个监测点，其中3个监测点布设在主要环境空气保护目标A转运站西侧三栋高层住宅楼东侧位置(编号为1#、2#、3#)，其余4个监测点布设在A转运站各厂界恶臭嗅觉最大处(编号为4#、5#、6#、7#)。如图1所示。2015年10月17—19日连续采样3天，每天4次。

(4)模拟研究因子。因现状监测硫化氢、甲硫醇有较多未检出结果，故以氨为本次模拟研究因子，选用ADMS-Urban大气扩散模型对其小时贡献浓度进行预测模拟。

(5)模拟网格及特征点位。建立三维模拟网格体系，即平面以10 m为网格划分间隔，高度上自2 m(近似人的呼吸线高度)起，以9 m(3个楼层高度)为网格划分间隔，至74 m(25层住宅高度)终，共计38×36×9=12 312个网格点。以西侧三栋高层住宅的东侧各层高度处(2 m、5 m、8 m……71 m、74 m)为模拟特征点位，共计25×3=75个。

(6)模拟气象条件。相对云量、气温、气压、相对湿度等而言，影响大气污染物扩散的主要气象参数为风向和风速[7]。采用人工设定气象条件，使得西侧住宅楼完全位于恶臭排放源的下风向侧(NE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE)，风速按最不利、兼顾可信度选取(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1、1.5、2、2.5、3、4、5 m/s)，云量(八进制)选取区域统计年份(2014年)逐时常规气象观测资料总云量的均值为0.7，气温选取区域近20年平均气温13.5℃，共计7×12=84组气象条件组合。

(7)模拟区域地形。研究范围内地势总体起伏不大，主要敏感点住宅东西狭长、南北很短，朝向排放源一侧的住宅宽度较小，不考虑建筑物下洗效应。

3 排放源强确定

3.1 实测反推法确定现有工程无组织排放源强

采用ADMS-Urban模型，利用无组织排放监控点的多组实测筛选结果，以“试错法”反推得到已划分的A转运站5个面源各自源强范围区间值，进而计算得出技改工程大、小除臭塔氨的有组织产生源强分别为0.495～0.528 kg/h、0.211～0.286 kg/h。

上述实测反推确定源强的方法主要基于：(1)面源下风向污染物浓度与面源排放量呈线性比例关系，遵循高斯扩散规律[2-3]；(2)监测结果的筛选中，认为用于反推各面源源强的监测点刚好处于相应面源的下风向侧；(3)反推源强与预测模拟采用同种扩散模型，可提高预测模拟的可信度；(4)“试错法”即不断调整模式输入源强的大小，直至模式输出结果与监测结果相同。

3.2 类比实测法确定技改工程有组织排放源强

通过对与A转运站采取同样恶臭收集处理措施的某垃圾堆肥厂除臭塔恶臭处理前进口及排气筒出口处的类比监测，获得该套恶臭收集处理措施对氨的去除率为87.6%，进而计算技改工程大、小除臭塔氨的有组织排放源强分别为0.0614～0.0655 kg/h、0.0261～0.0355 kg/h。上述现有工程无组织排放源强及技改工程有组织排放源强，在下文的数值模拟中均保守选用最大值。

4 扩散模拟结果及分析

经ADMS-Urban扩散模型模拟计算，技改工程有组织排放的氨对各高层住宅每个楼层高度的小时浓度(下同)计算结果如图2所示，不同高度小时浓度等值线分布如图3(浓度量纲均为μg/m3，刻度量纲均为m，下同)所示。

现有工程无组织排放及技改工程恶臭未经处理的有组织排放的氨对各高层住宅每个楼层高度的计算结果如图4所示，现有工程无组织排放不同高度浓度等值线分布如图5所示。

图2 NH3有组织排放不同楼层高度模拟计算结果Fig.2 The simulation results of organized NH3 emission at different heights

图3 NH3有组织排放不同楼层高度浓度等值线分布Fig.3 Concentration distribution of organized NH3 emission at different heights

图4 NH3无组织排放和有组织排放不同楼层高度模拟计算结果比较Fig.4 The comparison of simulation results between unorganized NH3 emission and organized NH3 emission at different heights

图5 NH3无组织排放不同楼层高度浓度等值线分布Fig.5 Concentration distribution of unorganized NH3 emission under different heights

技改工程采取密闭负压收集措施，将无组织排放改为有组织排放，在不考虑和考虑除臭措施两种情况下，各住宅代表性楼层的预测结果及变化比例如表1所示。由此可知：

(1)有组织排放在1号、2号、3号高层住宅铅垂方向出现最大贡献浓度的高度分别为29 m、36 m、39 m(分别近似对应10层、12层、13层)，自最大贡献浓度高度起，随着高度的增大与减小，贡献浓度随高度的变化均呈单调变小趋势；无组织排放在1号、2号、3号高层住宅铅垂方向最大贡献浓度随高度的增大呈单调变小趋势。

(2)技改工程采取密闭负压收集措施变无组织排放为有组织排放，在不考虑除臭措施的情况下，可使1号楼14层以下、2号楼8层以下、3号楼11层以下恶臭影响变小，相应楼层以上恶臭影响有所增大；在同时考虑除臭措施的情况下，可使1号楼全部、2号楼19层以下、3号楼24层以下恶臭影响变小，相应楼层以上恶臭影响略有增大。楼层越低，技改工程收效越显著。

(3)技改工程采取密闭负压收集措施将无组织排放改为有组织排放，在不考虑除臭措施的情况下，依据表1，1号、2号、3号住宅各楼层氨的预测结果变化比例分别为-78.8%～381.2%、-80.8%～1606.3%、-80.7%～955.0%，最大预测结果仅占其质量标准限值(0.20 mg/m3)的14.8%；在考虑除臭措施的情况下，1号、2号、3号住宅各楼层氨的预测结果变化比例分别为-97.4%～-41.2%、-97.6%～108.8%、-97.6%～29.0%，最大预测结果仅占其质量标准限值(0.20 mg/m3)的1.8%。

表1 技改工程住宅代表性楼层氨的预测结果及变化比例

注：“变化比例”是指采取收集、收集+除臭措施后的有组织排放预测结果，相对于未采取相关措施时的无组织排放预测结果的变化百分比。

5 结论与展望

(1)技改工程采取密闭负压收集措施变无组织排放为有组织排放，并采取高效除臭措施，对住宅不同楼层的恶臭影响总体上有明显缓解作用，楼层越低技改工程收效越显著。

(2)本文确定生活垃圾转运站恶臭源强的研究方法及对不同高度敏感点影响规律数值模拟的研究成果，可成为开展同类环境影响评价的有效工具。

(3)受条件限制，本文目前仅开展了A转运站对周边住宅楼环境影响的预测模拟，待A转运站技改工程完成并投用后，将对与文中同模拟点位的住宅各楼层开展实测验证。

[1] 严方, 李静, 田宇, 等. 城市生活垃圾填埋场恶臭污染及卫生防护距离的探讨[J]. 科技创业月刊, 2008(4): 135- 137.

[2] 赵东风, 张鹏, 戚丽霞, 等. 地面浓度反推法计算石化企业无组织排放源强[J]. 化工环保, 2013, 33(1): 71- 75.

[3] 崔积山, 张鹏, 欧阳振宇. 地面浓度反推法计算无组织排放废气的应用研究[J]. 广东化工, 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

北京市科学技术研究院改革与发展专项(613-2015A-22)

刘枫(1982—)，男，汉族，辽宁沈阳人，助理研究员，硕士，主要从事建设项目环境影响评价和大气数值模拟研究，E-mail：liepi_chess@163.com

10.14068/j.ceia.2017.01.013

X820.3

A

2095-6444(2017)01-0051-06