基于恶臭气体扩散数值模拟的垃圾中转站选址

《基于恶臭气体扩散数值模拟的垃圾中转站选址》论文发表期刊：《环境工程》；发表周期：2021年03期

《基于恶臭气体扩散数值模拟的垃圾中转站选址》论文作者信息：韩晓冬( 1983－) ，女，硕士，主要研究方向为校园规划及工程项目管理。

　　摘要：城市垃圾中转站恶典气体扩散问题是居民非常关注的焦点。采用计算流体力学方法对某拟建垃圾中转站和周围建筑物附近的流场和可能泄漏的恶臭气体的扩散进行了数值模拟，分析了不同风速和风向对流场结构和恶臭气体扩散特性的影响规律。结果表明：在相同风向不同风速下，无因次化流场结构基本相同：风速高时恶臭气体迅速扩散，不影响周围建筑物;接近静风时，恶臭气体能够扩散至垃圾中转站的连体建筑和南侧学生宿舍，但浓度已降低约3个数量级;风速接近静风的东风和南风条件下，恶臭气体扩散快，影响区域有限。总体上，该拟建垃圾中转站的选址合理。该研究过程可为类似项目选址的合理性评判提供科学参考。

　　关键词：垃圾中转站;恶臭气体扩散;计算流体力学(CFD);组分输运模型;数值模拟

　　Abstract: Odor dispersion in urban waste transfer stations is the focus of local residents attention. In this study, we numerically simulated the flow fields and odor dispersion around an urban waste transfer station to be constructed, by using computational fluid dynamics methods. The effect of wind speeds and wind directions on the flow and dispersion were investigated in detail. The results showed that normalized flow fields were almost the same, if we changed the wind speeds but kept constant wind direction. Wind speed, however, had great influence on the odor dispersion. The odor dispersed quite quickly at high wind speeds. But the odor dispersed slowly when winds were almost stationary, and it could spread to the building connecting to the waste transfer station and to the southem student accommodation, with the odor concentration three magnitude orders lower than initial one. For east and south wind, we find that the odor dispersed quite quickly, then the affected region was very small. The site selection of the investigated waste station was proved reasonable

　　Keywords: waste transfer station; odor dispersion; computational fluid dynamics; species transport; numerical simulation

　　0引言

　　随着城市人口数量的增加，居民生活垃圾量也在不断增加，需要在社区或街区建设垃圾中转站，对周围居民生活垃圾暂存、压缩和减容处理，然后集中运送至垃圾填埋或焚烧厂[.2。生活垃圾，尤其是餐厨垃圾在气温较高季节进行暂存和转运过程中更容易产生成分复杂的恶臭气味，具有潜在健康风险。目前，居民对环保和健康问题的关注日益增强，导致在新建或改扩建垃圾中转站的过程中，居民对相关选址问题尤为关注，并对运营过程中恶臭气体扩散尤为敏感。

　　垃圾中转站是一类典型的邻避设施，对其邻避效应和影响参数进行研究，可为城市建设、管理和环保设施运营提供指导和优化策略[。韦吉社等[研究了上海中心城区的生活垃圾中转站的外部空间，总结了其设计原则，包括生态环保、以人为本、整体协调、多元化和代表性等，并提出各设计原则相关的设计策略。邹平洲等国针对城市垃圾中转站恶臭气体综合防治，提出源头控制、合理封闭、末端治理、闲时消毒、智能监控等系统和控制措施。保持垃圾中转站内微负压的方法，可避免恶臭气体外溢，但是抽气量较大，配套的大功率风机还会引起额外的噪声污染。而风幕密闭方法利用风机在垃圾站门口处形成一堵风墙，在不影响车辆和行人通行的情况下，可有效阻止站内恶臭气体扩散至外界环境。曹伟华等阐述了青岛市太原路固体废弃物中转站迁建工程设计的关键技术，突出了保证物流组织顺畅的功能整合和高效节能的中转工艺，对大型中转站的建设或改造具有借鉴意义。Sommer-Quabach等从恶臭气体临界浓度和发生概率2个方面对不同国家制定的评判准则进行了分析，发现依据这些准则计算的恶臭气体源与居民生活区间的分隔距离基本一致。另有部分国外研究者采用简化的单体建筑物理模型研究恶臭气体扩散1，或简化的污染物扩散物理模型研究扩散特性[2和浓度分布波动。

　　综上所述，已有研究主要集中在城市垃圾中转站宏观规划、设计、工艺和简化模型等方面，目标是尽可能降低大气污染物的排放。但即使采用各项严格措施，实际运行过程中也不可能保证大气污染物完全不从中转站扩散，而基于实际环境的研究鲜有文献报道。故本文基于计算流体力学CFD方法，对北京市海淀区某高校拟建垃圾中转站及周围建筑建立CFD模型，采用组分输运模型对垃圾站的大气污染物扩散特性进行数值模拟，探究中转站对周围学生宿舍、居民楼以及食堂的影响程度，以期为该垃圾中转站的选址及建筑形式选择提供理论指导和技术支持。

　　1 CFD模型和方法

　　1.1 几何模型和网格划分

　　本文研究的拟建垃圾中转站和周围主要建筑物分布如图la所示，共包含14栋建筑物。B1、B2和B12居民楼，B6为食堂，B7.B 10，B13和B14为学生宿舍楼。B8左侧部分为垃圾中转站，东西向宽度为17.8 m，高度为9m，进出口门朝北，高度为5m B8右侧部分为其他建筑，高5m。其余13栋建筑物的高度亦标注在图1中。

　　CFD模型包含上述所有建筑物，模型原点取在B12左下角，东向为x正方向，北向为y正方向，高度方向为2正方向，水平地面处z=0，主体模型在x，y，23个方向的尺寸分别为430，214，50 m。根据风向对主模型出口延长，避免回流现象。采用全六面体网格离散求解区域，并对垃圾站出口附近区域进行网格加密。本研究分析了不同网格密度下的流场和浓度场计算结果，选取了满足网格无关性要求的网格划分，网格总数约为600万，各建筑物表面的网格如图1b所示。

　　1.2 湍流模型

　　两方程k-8系列湍流模型应用广泛，针对时均应变率较大时，标准k-e模型会出现负的正应力的情况，故对k-e模型进行了修正，将湍流黏性系数与应变率关联，可成功预测复杂结构的流动、分离和再附等现象。故本文选用可实现k-e模型模拟湍流，稳态方程如式(1)、(2)所示：

　　1. 3 组分输运模型

　　本文采用组分输运模型模拟恶臭气体的扩散过程。等温工况下模型的控制方程如式( 3) 所示[14，15]:

　　1.4 边界条件和离散格式

　　CFD模型中不同风向和风速下，空气入口为速度入口边界条件，空气出口为压力出口边界条件。模型中，高度方向的天空为对称边界，空气进出口相邻边界也为对称边界。地面及建筑物表面为无滑移标准壁面。将垃圾中转站出入口处恶臭气体向外扩散设置为速度入口，0.1 m/s，即以此速度从垃圾中转站向外扩散。

　　计算过程中，压力和速度的耦合采用SIMPLE算法，所有方程的空间离散格式均为二阶迎风格式，时间离散格式为二阶隐式格式。流场计算时，各变量残差均下降至1x10-;恶臭气体的浓度场计算时，残差可下降至1x10.

　　2结果与讨论

　　2.1 北风条件下流场和恶臭气体浓度分布

　　首先以北风1 m/s条件为例，计算各建筑物周围的流场，结果如图2所示。从2-1.5m平面的速度分布看，流场结构非常不规则。尤其在垃圾中转站西侧，存在多处流速超过2倍于来流速度的区域，以及流动很微弱的区域。结合x-201 m竖直截面内速度分布可知: 西侧区域内建筑物相对较高，北风条件下各建筑物后方流动分离现象显著。同时，较高和较宽的建筑物也会减少空气的流通截面积，使得相邻建筑间的受限空间内流速提高。

　　在垃圾中转站东侧区域，各建筑物相对较矮且高度差相对较小，水平面内速度分布比较均匀。垃圾中转站北门附近，流体主要向x正方向，即向东流动。只有少量被建筑物B7阻挡的流体从B7和B8之间的受限空间加速通过，然后又与B8后方的分离流相互作用。这一流动现象将显著影响恶臭气体的扩散。

　　结合图2b两竖直截面内速度分布可知：在最南侧建筑物B12-B14后方，流动分离现象显著。数值模拟过程中，对计算域向南侧(y轴负方向)进行了延伸，以避免出口边界处的回流现象。此部分操作对BI-B14建筑物附近流场无影响，受篇幅所限，本文略去对延伸区域的分析讨论。

　　图3b为北风条件1 m/s时恶臭气体的浓度分布。不同高度的水平面内，恶臭气体的扩散与流场结构密切相关。在2-1.5 m平面内垃圾中转站北门口处，流体运动方向主要沿x正方向向东流动，因此恶臭气体的扩散也沿B8建筑物向东扩散，然后在B8和B9之间的通道向南继续扩散。本文研究的垃圾中转站拟采用微负压技术处理站内气体，并拟采用风幕密封技术尽可能避免气体外泄，故恶臭气体从站内向站外泄漏量较少，文中模拟时假设恶臭气体以0.1 m/s的速度从北门(面积89 m2)持续向外泄漏和扩散。此泄漏量与垃圾站周围的巨大室外空间(430x214×50 m)相比仍然微不足道，因此在北风1m/s条件下，恶臭气体的浓度迅速降低至初始浓度的0.05%以下。

　　因与垃圾中转站相连，且其右侧的建筑物高度为5m，在2=5 m平面内，恶臭气体从中转站泄漏后，从右侧屋顶绕流后向南扩散。在主体流动和分离涡共同作用下，迅速被稀释至初始浓度的0.02%以下。综合不同高度平面内恶臭气体的浓度分布，发现恶臭气体泄漏后，在北风1m/s时浓度迅速被稀释，影响区域很小。

　　2.2 风速对流场和恶臭气体扩散的影响

　　不同北风强度下，在2=1.5 m水平面内的流场速度分布如图4所示。为了方便与图2a进行对比分析，保持图4a、b中最大显示速度与入口平均速度的比值恒定，即可认为是无因次化处理结果。从这3个子图中速度矢量分布可知：各建筑物周围的流型和无因次化速度几乎完全一致，满足流体力学相似性。

　　气象研究中常认为风速为0-0.2 m/s为静风或零级风，此时大气污染物不易扩散。在北风0.5 m/s和0.2m/s情况下，2=1.5m水平面内恶臭气体的浓度分布如图5所示。图中设定显示上限为初始浓度的0.1%，是图3中相对浓度的2倍。结合图3和图5可知：随着北风速度的降低，从垃圾中转站泄漏的恶臭气体的扩散速度变慢，扩散区的相对浓度显著增加。在北风1 m/s时，B10建筑物周围相对浓度低于初始浓度的0.01%。在北风0.5 m/s时，该建筑物西南角的最大相对浓度约为初始浓度的0.08%。风速继续降低至静风上限0.2 m/s时，B8建筑物西侧和西南侧的相对浓度均超过初始浓度的0.1%。

　　综合流场和浓度分布可知：凤速超过静风上限时，尽管建筑物周围流型相同，无因次化速度也完全一致，但污染气体的扩散与建筑物周围流体的绝对速度密切相关，来流风速越低，污染气体被携带、卷吸、以及扩散到主体空间的速度越慢，进而造成污染气体在局部区域聚集，浓度升高。

　　总结各北风条件下恶臭气体的扩散规律可知：接近静风时污染气体扩散将影响与垃圾中转站相连B8东侧建筑，以及南侧的B10学生宿舍楼，但污染气体的浓度比初始浓度下降了约3个数量级;而风速超过1m/s时，对除B8外的建筑物无影响。

　　2.3 来流风向对流场和恶臭气体扩散的影响

　　图6为来流风向由北风变为东风或南风时，z=1.5m水平面内的流场速度分布。东风风速0.2 m/s时，入口附近建筑物密度低且高度矮，速度比较均匀。之后遇到较高建筑物B7，来流被阻挡，导致流动在建筑物B7和B8之间发生转向和绕流。在建筑物B6和B12西侧，可观察到明显的流动分离现象，但分离涡比较复杂，规则建筑B6后方分离流动也呈现明显不对称。原因主要有两方面：一方面，建筑物B12形状不规则，其尾流与B6后方流动相互作用;另一方面，B6建筑物的来流也是复杂的非均匀流动。

　　当风向为南风0.2 m/s时，受较高建筑物B12-B14的阻挡，气流只能从建筑物间的受限空间通过，部分区域速度超过2倍于来流速度，B12东西两侧区域尤为明显。建筑物B13和B14的高度分别为25，18 m，较B12的42 m显著降低，因此，B13和B14之间红色的高流速区显著减少。再加上B14东侧区域建筑物低矮，相对空旷，来流在建筑物B8和B10周围都有显著的向西流动特性。

　　在东风和南风均为0.2m/s的情况下，观察垃圾中转站可能泄漏的恶臭气体的扩散情况，如图7所示。东风条件下，建筑物B7阻挡引起的绕流可显著促进恶臭气体的扩散，除垃圾中转站北门口有极少量气体聚集外，B7 北侧区域内恶臭气体浓度迅速下降至初始浓度的 0. 02%及以下。虽然来流速度接近静风条件，绕流效应对污染物扩散的促进效果显著。

　　南风条件下，恶臭气体从垃圾站泄漏后，高浓度区主要集中在建筑物 B7 和 B8 之间。结合图 6b 速度矢量分布可知: 该区域也是绕流后方的滞留区，流速很小。离开该区域，主体气流速度较快，加速污染物扩散，恶臭气体的浓度迅速降低至初始浓度的0. 01%以内。即相邻建筑物的受限空间内，加速运动的气流对污染物扩散的促进效果显著。

　　3 结 论

　　本研究采用双方程湍流模型和组分输运模型对某拟建垃圾中转站和周围建筑进行了 CFD 数值模拟，获得了与网格数量和出口边界处理方法无关的模拟结果，分析了不同风速和风向时垃圾中转站周围的流场特性，以及可能泄漏的恶臭气体的扩散特性，以期通过该模拟案例为类似项目的选址合理性提供科学参考。主要结论如下:

　　1) 拟建垃圾中转站和相关建筑物周围存在典型的绕流、流动分离和受限空间内流速增加等现象，流动状态复杂。

　　2) 北风条件下风速改变时，无因次化的流场分布基本不变。风速对垃圾中转站泄漏的恶臭气体的

　　扩散影响显著: 较高风速时污染气体被迅速扩散，对周围建筑无影响; 接近静风时，恶臭气体能够扩散至垃圾中转站的连体建筑和南侧学生宿舍，但浓度已经比初始浓度低约3个数量级。

　　3) 接近静风条件下，东风和南风时流场结构有显著差异，恶臭气体扩散过程中影响区域小，扩散快，故对周围建筑物影响可忽略。

　　4) 各风向和风速下，垃圾中转站泄漏的恶臭气体迅速扩散，浓度低于初始浓度3～4个数量级，故拟建垃圾中转站的选址是合理。

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