工业园区无组织VOCs溯源方法研究_陆秋琴.pdf

文章编号:1009-6094(2023)02-0584-11工业园区无组织 VOCs溯源方法研究*陆秋琴，杨帅，黄光球(西安建筑科技大学管理学院，西安 710055)摘要:为了对工业园区下风向监测点的无组织挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)来源进行溯源解析，快速锁定污染源头，基于扩散模型反推法构建工业园区无组织VOCs 溯源模型。首先对园区建立笛卡尔空间坐标系，根据风向确定工业园区的下风向监测点，通过高斯扩散模型计算有组织 VOCs 排放源到下风向监测点的质量浓度，依据下风向监测点的总挥发性有机化合物(Total Volatile OrganicCompounds，TVOCs)以及上风向监测点的 VOCs 背景值计算无组织 VOCs 对下风向监测点的质量浓度贡献;进而结合无组织 VOCs 排放面源所在位置坐标，运用高斯扩散虚点源后置法建立无组织 VOCs 排放源到下风向监测点的关系，采用最小二乘法反算出各个无组织 VOCs 的排放源强;最后计算出各个无组织 VOCs 排放源到各下风向监测点的质量浓度以及对园区下风向监测点的质量浓度贡献比例。结果表明，下风向监测点 S2中，有12.10%的污染物来源于无组织 VOCs排放源 D1;S3中有38.38%来源于 D1;S4中有11.74%来源于D1，71.70%来源于 D2;而 S6和 S7没有监测到来源于无组织VOCs 排放源的污染物。关键词:环境工程学;工业园区;无组织挥发性有机物;高斯扩散模型;最小二乘法中图分类号:X511文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.1912*收稿日期:20211105作者简介:陆秋琴，教授，博士，从事污染排放控制与管理研究，luqiuqin xauat edu cn。基金项目:国家自然科学基金项目(71874134);陕西省自然科学基础研究计划 重点项目(2019JZ30)0引言随着我国工业化和城市化的深入发展，能源和资源消耗持续增长，大气污染防治和治理的压力持续加大。2020 年，我国大气污染的主要污染物排放量中，SO2和一次 PM2.5的排放量均达百万 t 级，NOx和 VOCs 的排放量则高达千万 t 级1。此外 NOx和VOCs 是 O3污染的前体物2 3，所以生态环境部将VOCs 作为“十四五”空气质量改善目标的指标之一1。目前我国工业源 VOCs 的排放量约占人为源VOCs 排放量的 50%4，而我国工业 VOCs 排放中无组织排放占工业源 VOCs 排放量的 60%5。因此治理 VOCs 污染的重点落在治理无组织 VOCs 上，然而如何查找与判定无组织 VOCs 来源是 VOCs 污染防治的重中之重。目前，国内外学者对污染物溯源的研究颇多，主要有以下 3 种研究方法:基于污染源清单和各种扩散模式的源解析技术、基于化学平衡受体模型的源解析技术和逆向模拟计算技术6。扩散模型方法是根据污染物源清单，以大气扩散模型为基础模拟污染物扩散过程的方法，并以此来定量地估算单一污染源对受体点污染物质量浓度产生的影响7。但此方法难以收集所有涉及的污染源种类清单，活动水平资料缺乏，排放量统计困难。受体模型是通过受体和污染源样品的化学组分分析来确定污染源对受体的贡献8。2007 年，李伟等9 首次运用化学质量平衡法对城市大气环境中的颗粒物进行解析，得出了各大气颗粒物排放源对受体的贡献率。化学平衡受体模型这一源解析技术不依靠气象资料与排放污染物清单，但对化学组分相似的污染物进行解析时，此方法失效。逆向模拟方法是结合气象过程逆向运用空气质量模式获得污染源时间和空间分布的方法，包括概率匹配模型和直接逆推模型10。概率匹配模型用概率对污染源存在的可能性进行量化表示5。2018 年，Kovalets 等11 首次在气象条件不变的情况下，基于逆向伴随方程估算瞬时释放的未知点源参数，如未知点源的位置与排放源强，但此方法对观测的数据量要求较高。直接逆推法是基于污染源排放源强与监测点质量浓度两者之间的响应关系，对污染源参数直接进行反向计算。在监测点质量浓度与位置已知而污染源排放强度与位置都未知的情况下，只能对单一污染源点这一情况进行求解;当污染源点不唯一时，只能得到一组非劣解。工业园区内各 VOCs 排放源位置已知，因此重点落在了对排放源的源强进行反算的过程。2004 年，Flesch等12 首次基于扩散模型反推法进行了甲烷排放量的模拟试验，研究了计算甲烷排放量准确度的影响因素。2015 年，吕兆丰等13 首先以 ISCST3 为基本扩散模型，以某北方石化企业为研究对象，运用扩散模式反推法反演出该企业的 VOCs 排放源强，可进一步推算出石化企业与质量浓度背景值对受体点的贡献。逆向反算方法操作简单，只需收集数据进行计算即可。但是此方法只能反推出单一污染源的排放源强，当排放源点不唯一时此法无用。目前针对典型工业无组织源 VOCs 的排放特征485第 23 卷第 2 期2023 年 2 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 2Feb，2023研究相对较少14。对于无组织 VOCs 溯源解析的相关研究更为鲜见。结合工业园区内 VOCs 排放源的实际排放特点，对比以上溯源方法的优缺点，本文提出根据工业园区的下风向监测点监测 VOCs 质量浓度，结合扩散模式反推法计算无组织 VOCs 排放源强，从而对监测点无组织 VOCs 来源进行溯源解析的方法。1工业园区 VOCs 排放场景描述将选定的工业园区作为研究对象，以园区的中心作为坐标原点 O(0，0，0)，以原点 O 正东方为 x正向轴，正北方为 y 轴正向轴，z 轴垂直于 x、y 轴所在平面，建立笛卡尔坐标系。以此为基准确定园区内有组织 VOCs 排放源 Ar(r=1，2，R)、园区周围监测点 Sm(m=1，2，M)以及无组织VOCs 面源 Dt(t=1，2，T)的位置坐标。园区VOCs 排放源以及监测点在 xOy 平面的位置见图 1。其中，r 表示有组织 VOCs 排放源的编号，R 代表园区内有组织排放源总个数;m 表示监测点编号，M 代表园区周边监测点总个数;t 表示无组织 VOCs 面源的编号，T 代表园区内无组织面源的总个数。图 1某工业园区 VOCs 排放场景Fig 1VOCs emission scenario of an industrial park2工业园区无组织 VOCs 溯源模型构建为了对下风向监测点无组织 VOCs 进行溯源解析，明确下风向监测点无组织 VOCs 来源，需要确定无组织 VOCs 面源 Dt的排放源强，而无组织 VOCs 排放在空气中后量化非常困难。对无组织 VOCs 进行溯源，难以比较准确地反算出无组织排放源的源强。下风向监测点监测到的 TVOCs 质量浓度包括 3 部分:VOCs 背景值、有组织 VOCs 排放源对监测点的贡献、无 组 织 VOCs 排 放 源 对 监 测 点 的 贡 献。TVOCs、园区 VOCs 背景值可通过监测得到;有组织VOCs 排放源对监测点的贡献值可以通过计算得到;用 TVOCs 减去有组织 VOCs 排放源对监测点的贡献以及 VOCs 背景值，即可得到无组织排放源对监测点的质量浓度贡献，然后再通过无组织排放源对监测点的质量浓度贡献反算出无组织 VOCs 的排放源强。王国龙15 运用扩散模式反推法对石化企业罐区无组织 VOCs 排放的源强进行了反算，并通过现场试验验证了反演模型的准确度和精确度，得出实际排放源强 Qp与理论排放源强 Q 的比值 Qp/Q 约为0.85。因此根据下风向监测点的 TVOCs、有组织VOCs 排放源的源强及位置以及园区 VOCs 环境背景值，通过扩散模式反推法构建无组织 VOCs 溯源模型，可以估算无组织 VOCs 面源 Dt的排放源强，以及下风向监测点无组织 VOCs 的来源，无组织 VOCs溯源模型见图 2。u为环境背景质量浓度，g/m3;m为监测点监测的 TVOCs质量浓度，g/m3;k为无组织 VOCs 排放源扩散到下风向监测点的质量浓度，g/m3图 2工业园区无组织 VOCs 溯源模型Fig 2Unorganized VOCs traceability model inindustrial park2.1下风向监测点无组织 VOCs 质量浓度计算2.1.1工业园区下风向监测点的确定由于工业园区的下风向监测点随着风向不断变化，为了快速明确风向角、下风向监测点 Sv(1 v M)(图 1 中五角星)和背景值质量浓度的上风向监测点位 Su(1 u M)(图 1 中三角形)，并方便计算下风向监测点位的 VOCs 质量浓度，本文提出一5852023 年 2 月陆秋琴，等:工业园区无组织 VOCs 溯源方法研究Feb，2023种快速确定下风向监测点的方法。以正东方为基准，逆时针旋转的角度记为风向角(0 360)，以此时的风向为 x 正向轴，重新建立坐标系，即将空间坐标系绕 z 轴旋转，以对工业园区内有组织排放源 Ar的位置坐标 x(Ar)，y(Ar)，z(Ar)进行转换，得到有组织排放源新的位置坐标(x(Ar)，y(Ar)，z(Ar)，见式(1)。x(Ar)y(Ar)z(Ar)=cossin0 sincos0001x(Ar)y(Ar)z(Ar)(1)监测点位 Sm新位置坐标(x(Sm)，y(Sm)，z(Sm)表达式为x(Sm)y(Sm)z(Sm)=cossin0 sincos0001x(Sm)y(Sm)z(Sm)(2)工业园区内某一个污染源 Ai，当监测点的位置坐标(x(Sm)，y(Sm)，z(Sm)中 x(Sm)x(Ai)时，此时监测点为这一污染源 Ai的上风向监测点。对一个工业园区而言，当 x(Sm)小于园区内所有污染源的横坐标时，将此时对应的监测点作为工业园区的上风向监测点，就是背景值质量浓度监测点位。2.1.2有组织 VOCs 到监测点的质量浓度计算通过对工业园区中各个企业进行分析，以确定有组织 VOCs 排放源 Ar的具体位置(图 1 中黑色圆点所示)，以及各个有组织 VOCs 的排放源强。规定超过 15 m 并且经过排气筒有规律集中排放的排放源称为有组织 VOCs 排放源，因此在计算有组织VOCs 排放源 Ar扩散到下风向监测点位 Sm的质量浓度 l时，选用高斯扩散模型中针对于高架点源的扩散模型，见式(3)。l(x(Sv)，y(Sv)，z(Sv)，H)=Q(Ar)2u(y(Sv)(z(Sv)exp y2(Sv)2 2(y(Sv()exp(z(Sv)H)22 2(z(Sv)+exp(z(Sv)+H)22 2(z(Sv)(3)式中l为有组织 VOCs 排放源到下风向监测点位的质量浓度，g/m3;H 为有组织排放源的有效源高，m;Q(Ar)为有组织 VOCs 排放源强，g/s;u 为风速，m/s;为扩散参数，m。式(3)为以各个有组织 VOCs 排放源作为坐标原点并且是在风向角为 0 时建立的坐标体系并计算l。若风向角为，有组织 VOCs 排放源 Ar的位置坐标(x(Ar)，y(Ar)，z(Ar)将转变成新的位置坐标(x(Ar)，y(Ar)，z(Ar)，监测点位 Sm新的位置坐标为(x(Sm)，y(Sm)，z(Sm)，且此刻在以工业园区中心点作为坐标原点建立的笛卡尔坐标体系下，有组织 VOCs 排放源 Ar扩散到下风向监测点的质量浓度值 l计算见式(4)。l(x(Sv)，y(Sv)，z(Sv)，H)=Q(Ar)2u(y(Sv)(z(Sv)exp(y(Sv)y(Ar)22(y(Sv)()2exp(z(Sv)H)22(z(Sv)2+exp(z(Sv)+H)22(z(Sv)2(4)式中H 表示有组织排放源的有效源高，即就是释放源距 O 点的垂直距离 z(Ar)=H，m;Q(Ar)表示有组织 VOCs 排放源强，g/s;(x(Sv)x(Ar)表示有组织 VOCs 排放源