《基于惡臭氣體擴散數值模擬的垃圾中轉站選址》論文發表期刊：《環境工程》；發表周期：2021年03期

《基于惡臭氣體擴散數值模擬的垃圾中轉站選址》論文作者信息：韓曉冬( 1983－) ，女，碩士，主要研究方向為校園規劃及工程項目管理。

　　摘要：城市垃圾中轉站惡典氣體擴散問題是居民非常關注的焦點。采用計算流體力學方法對某擬建垃圾中轉站和周圍建筑物附近的流場和可能泄漏的惡臭氣體的擴散進行了數值模擬，分析了不同風速和風向對流場結構和惡臭氣體擴散特性的影響規律。結果表明：在相同風向不同風速下，無因次化流場結構基本相同：風速高時惡臭氣體迅速擴散，不影響周圍建筑物;接近靜風時，惡臭氣體能夠擴散至垃圾中轉站的連體建筑和南側學生宿舍，但濃度已降低約3個數量級;風速接近靜風的東風和南風條件下，惡臭氣體擴散快，影響區域有限�？傮w上，該擬建垃圾中轉站的選址合理。該研究過程可為類似項目選址的合理性評判提供科學參考。

　　關鍵詞：垃圾中轉站;惡臭氣體擴散;計算流體力學(CFD);組分輸運模型;數值模擬

　　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

　　隨著城市人口數量的增加，居民生活垃圾量也在不斷增加，需要在社區或街區建設垃圾中轉站，對周圍居民生活垃圾暫存、壓縮和減容處理，然后集中運送至垃圾填埋或焚燒廠[.2。生活垃圾，尤其是餐廚垃圾在氣溫較高季節進行暫存和轉運過程中更容易產生成分復雜的惡臭氣味，具有潛在健康風險。目前，居民對環保和健康問題的關注日益增強，導致在新建或改擴建垃圾中轉站的過程中，居民對相關選址問題尤為關注，并對運營過程中惡臭氣體擴散尤為敏感。

　　垃圾中轉站是一類典型的鄰避設施，對其鄰避效應和影響參數進行研究，可為城市建設、管理和環保設施運營提供指導和優化策略[。韋吉社等[研究了上海中心城區的生活垃圾中轉站的外部空間，總結了其設計原則，包括生態環保、以人為本、整體協調、多元化和代表性等，并提出各設計原則相關的設計策略。鄒平洲等國針對城市垃圾中轉站惡臭氣體綜合防治，提出源頭控制、合理封閉、末端治理、閑時消毒、智能監控等系統和控制措施。保持垃圾中轉站內微負壓的方法，可避免惡臭氣體外溢，但是抽氣量較大，配套的大功率風機還會引起額外的噪聲污染。而風幕密閉方法利用風機在垃圾站門口處形成一堵風墻，在不影響車輛和行人通行的情況下，可有效阻止站內惡臭氣體擴散至外界環境。曹偉華等闡述了青島市太原路固體廢棄物中轉站遷建工程設計的關鍵技術，突出了保證物流組織順暢的功能整合和高效節能的中轉工藝，對大型中轉站的建設或改造具有借鑒意義。Sommer-Quabach等從惡臭氣體臨界濃度和發生概率2個方面對不同國家制定的評判準則進行了分析，發現依據這些準則計算的惡臭氣體源與居民生活區間的分隔距離基本一致。另有部分國外研究者采用簡化的單體建筑物理模型研究惡臭氣體擴散1，或簡化的污染物擴散物理模型研究擴散特性[2和濃度分布波動。

　　綜上所述，已有研究主要集中在城市垃圾中轉站宏觀規劃、設計、工藝和簡化模型等方面，目標是盡可能降低大氣污染物的排放。但即使采用各項嚴格措施，實際運行過程中也不可能保證大氣污染物完全不從中轉站擴散，而基于實際環境的研究鮮有文獻報道。故本文基于計算流體力學CFD方法，對北京市海淀區某高校擬建垃圾中轉站及周圍建筑建立CFD模型，采用組分輸運模型對垃圾站的大氣污染物擴散特性進行數值模擬，探究中轉站對周圍學生宿舍、居民樓以及食堂的影響程度，以期為該垃圾中轉站的選址及建筑形式選擇提供理論指導和技術支持。

　　1 CFD模型和方法

　　1.1 幾何模型和網格劃分

　　本文研究的擬建垃圾中轉站和周圍主要建筑物分布如圖la所示，共包含14棟建筑物。B1、B2和B12居民樓，B6為食堂，B7.B 10，B13和B14為學生宿舍樓。B8左側部分為垃圾中轉站，東西向寬度為17.8 m，高度為9m，進出口門朝北，高度為5m B8右側部分為其他建筑，高5m。其余13棟建筑物的高度亦標注在圖1中。

　　CFD模型包含上述所有建筑物，模型原點取在B12左下角，東向為x正方向，北向為y正方向，高度方向為2正方向，水平地面處z=0，主體模型在x，y，23個方向的尺寸分別為430，214，50 m。根據風向對主模型出口延長，避免回流現象。采用全六面體網格離散求解區域，并對垃圾站出口附近區域進行網格加密。本研究分析了不同網格密度下的流場和濃度場計算結果，選取了滿足網格無關性要求的網格劃分，網格總數約為600萬，各建筑物表面的網格如圖1b所示。

　　1.2 湍流模型

　　兩方程k-8系列湍流模型應用廣泛，針對時均應變率較大時，標準k-e模型會出現負的正應力的情況，故對k-e模型進行了修正，將湍流黏性系數與應變率關聯，可成功預測復雜結構的流動、分離和再附等現象。故本文選用可實現k-e模型模擬湍流，穩態方程如式(1)、(2)所示：

　　1. 3 組分輸運模型

　　本文采用組分輸運模型模擬惡臭氣體的擴散過程。等溫工況下模型的控制方程如式( 3) 所示[14，15]:

　　1.4 邊界條件和離散格式

　　CFD模型中不同風向和風速下，空氣入口為速度入口邊界條件，空氣出口為壓力出口邊界條件。模型中，高度方向的天空為對稱邊界，空氣進出口相鄰邊界也為對稱邊界。地面及建筑物表面為無滑移標準壁面。將垃圾中轉站出入口處惡臭氣體向外擴散設置為速度入口，0.1 m/s，即以此速度從垃圾中轉站向外擴散。

　　計算過程中，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法，所有方程的空間離散格式均為二階迎風格式，時間離散格式為二階隱式格式。流場計算時，各變量殘差均下降至1x10-;惡臭氣體的濃度場計算時，殘差可下降至1x10.

　　2結果與討論

　　2.1 北風條件下流場和惡臭氣體濃度分布

　　首先以北風1 m/s條件為例，計算各建筑物周圍的流場，結果如圖2所示。從2-1.5m平面的速度分布看，流場結構非常不規則。尤其在垃圾中轉站西側，存在多處流速超過2倍于來流速度的區域，以及流動很微弱的區域。結合x-201 m豎直截面內速度分布可知: 西側區域內建筑物相對較高，北風條件下各建筑物后方流動分離現象顯著。同時，較高和較寬的建筑物也會減少空氣的流通截面積，使得相鄰建筑間的受限空間內流速提高。

　　在垃圾中轉站東側區域，各建筑物相對較矮且高度差相對較小，水平面內速度分布比較均勻。垃圾中轉站北門附近，流體主要向x正方向，即向東流動。只有少量被建筑物B7阻擋的流體從B7和B8之間的受限空間加速通過，然后又與B8后方的分離流相互作用。這一流動現象將顯著影響惡臭氣體的擴散。

　　結合圖2b兩豎直截面內速度分布可知：在最南側建筑物B12-B14后方，流動分離現象顯著。數值模擬過程中，對計算域向南側(y軸負方向)進行了延伸，以避免出口邊界處的回流現象。此部分操作對BI-B14建筑物附近流場無影響，受篇幅所限，本文略去對延伸區域的分析討論。

　　圖3b為北風條件1 m/s時惡臭氣體的濃度分布。不同高度的水平面內，惡臭氣體的擴散與流場結構密切相關。在2-1.5 m平面內垃圾中轉站北門口處，流體運動方向主要沿x正方向向東流動，因此惡臭氣體的擴散也沿B8建筑物向東擴散，然后在B8和B9之間的通道向南繼續擴散。本文研究的垃圾中轉站擬采用微負壓技術處理站內氣體，并擬采用風幕密封技術盡可能避免氣體外泄，故惡臭氣體從站內向站外泄漏量較少，文中模擬時假設惡臭氣體以0.1 m/s的速度從北門(面積89 m2)持續向外泄漏和擴散。此泄漏量與垃圾站周圍的巨大室外空間(430x214×50 m)相比仍然微不足道，因此在北風1m/s條件下，惡臭氣體的濃度迅速降低至初始濃度的0.05%以下。

　　因與垃圾中轉站相連，且其右側的建筑物高度為5m，在2=5 m平面內，惡臭氣體從中轉站泄漏后，從右側屋頂繞流后向南擴散。在主體流動和分離渦共同作用下，迅速被稀釋至初始濃度的0.02%以下。綜合不同高度平面內惡臭氣體的濃度分布，發現惡臭氣體泄漏后，在北風1m/s時濃度迅速被稀釋，影響區域很小。

　　2.2 風速對流場和惡臭氣體擴散的影響

　　不同北風強度下，在2=1.5 m水平面內的流場速度分布如圖4所示。為了方便與圖2a進行對比分析，保持圖4a、b中最大顯示速度與入口平均速度的比值恒定，即可認為是無因次化處理結果。從這3個子圖中速度矢量分布可知：各建筑物周圍的流型和無因次化速度幾乎完全一致，滿足流體力學相似性。

　　氣象研究中常認為風速為0-0.2 m/s為靜風或零級風，此時大氣污染物不易擴散。在北風0.5 m/s和0.2m/s情況下，2=1.5m水平面內惡臭氣體的濃度分布如圖5所示。圖中設定顯示上限為初始濃度的0.1%，是圖3中相對濃度的2倍。結合圖3和圖5可知：隨著北風速度的降低，從垃圾中轉站泄漏的惡臭氣體的擴散速度變慢，擴散區的相對濃度顯著增加。在北風1 m/s時，B10建筑物周圍相對濃度低于初始濃度的0.01%。在北風0.5 m/s時，該建筑物西南角的最大相對濃度約為初始濃度的0.08%。風速繼續降低至靜風上限0.2 m/s時，B8建筑物西側和西南側的相對濃度均超過初始濃度的0.1%。

　　綜合流場和濃度分布可知：鳳速超過靜風上限時，盡管建筑物周圍流型相同，無因次化速度也完全一致，但污染氣體的擴散與建筑物周圍流體的絕對速度密切相關，來流風速越低，污染氣體被攜帶、卷吸、以及擴散到主體空間的速度越慢，進而造成污染氣體在局部區域聚集，濃度升高。

　　總結各北風條件下惡臭氣體的擴散規律可知：接近靜風時污染氣體擴散將影響與垃圾中轉站相連B8東側建筑，以及南側的B10學生宿舍樓，但污染氣體的濃度比初始濃度下降了約3個數量級;而風速超過1m/s時，對除B8外的建筑物無影響。

　　2.3 來流風向對流場和惡臭氣體擴散的影響

　　圖6為來流風向由北風變為東風或南風時，z=1.5m水平面內的流場速度分布。東風風速0.2 m/s時，入口附近建筑物密度低且高度矮，速度比較均勻。之后遇到較高建筑物B7，來流被阻擋，導致流動在建筑物B7和B8之間發生轉向和繞流。在建筑物B6和B12西側，可觀察到明顯的流動分離現象，但分離渦比較復雜，規則建筑B6后方分離流動也呈現明顯不對稱。原因主要有兩方面：一方面，建筑物B12形狀不規則，其尾流與B6后方流動相互作用;另一方面，B6建筑物的來流也是復雜的非均勻流動。

　　當風向為南風0.2 m/s時，受較高建筑物B12-B14的阻擋，氣流只能從建筑物間的受限空間通過，部分區域速度超過2倍于來流速度，B12東西兩側區域尤為明顯。建筑物B13和B14的高度分別為25，18 m，較B12的42 m顯著降低，因此，B13和B14之間紅色的高流速區顯著減少。再加上B14東側區域建筑物低矮，相對空曠，來流在建筑物B8和B10周圍都有顯著的向西流動特性。

　　在東風和南風均為0.2m/s的情況下，觀察垃圾中轉站可能泄漏的惡臭氣體的擴散情況，如圖7所示。東風條件下，建筑物B7阻擋引起的繞流可顯著促進惡臭氣體的擴散，除垃圾中轉站北門口有極少量氣體聚集外，B7 北側區域內惡臭氣體濃度迅速下降至初始濃度的 0. 02%及以下。雖然來流速度接近靜風條件，繞流效應對污染物擴散的促進效果顯著。

　　南風條件下，惡臭氣體從垃圾站泄漏后，高濃度區主要集中在建筑物 B7 和 B8 之間。結合圖 6b 速度矢量分布可知: 該區域也是繞流后方的滯留區，流速很小。離開該區域，主體氣流速度較快，加速污染物擴散，惡臭氣體的濃度迅速降低至初始濃度的0. 01%以內。即相鄰建筑物的受限空間內，加速運動的氣流對污染物擴散的促進效果顯著。

　　3 結 論

　　本研究采用雙方程湍流模型和組分輸運模型對某擬建垃圾中轉站和周圍建筑進行了 CFD 數值模擬，獲得了與網格數量和出口邊界處理方法無關的模擬結果，分析了不同風速和風向時垃圾中轉站周圍的流場特性，以及可能泄漏的惡臭氣體的擴散特性，以期通過該模擬案例為類似項目的選址合理性提供科學參考。主要結論如下:

　　1) 擬建垃圾中轉站和相關建筑物周圍存在典型的繞流、流動分離和受限空間內流速增加等現象，流動狀態復雜。

　　2) 北風條件下風速改變時，無因次化的流場分布基本不變。風速對垃圾中轉站泄漏的惡臭氣體的

　　擴散影響顯著: 較高風速時污染氣體被迅速擴散，對周圍建筑無影響; 接近靜風時，惡臭氣體能夠擴散至垃圾中轉站的連體建筑和南側學生宿舍，但濃度已經比初始濃度低約3個數量級。

　　3) 接近靜風條件下，東風和南風時流場結構有顯著差異，惡臭氣體擴散過程中影響區域小，擴散快，故對周圍建筑物影響可忽略。

　　4) 各風向和風速下，垃圾中轉站泄漏的惡臭氣體迅速擴散，濃度低于初始濃度3～4個數量級，故擬建垃圾中轉站的選址是合理。

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