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在水环境持续改善的同时，污水处理厂排放硫化氢、氨气、VOC和臭气等污染气体对厂区及厂界的大气环境和居民生活产生明显不利影响。目前，普遍认为污水处理厂的进水区和污泥区需要进行封闭和除臭处理。但对于污水处理厂的核心工艺段生化区，是否需要封闭和除臭还存在分歧，其原因是生化区产生的恶臭气体浓度低、气量大。利用大气扩散模型进行模拟是解决该分歧的有效手段。近几十年来，国内外科研工作者进行了气体扩散及其浓度分布特征研究，其中对于扩散模型的研究多集中在算法方面，DANCKWERTS[1]提出了基于水体表层更新时间长度的表层更新模型算法，MCCREADY et al[2]提出了基于水体表层散度的表层散度模型算法，并开展了水气界面气体扩散的研究与应用。对于气体扩散模拟，邵超峰等[3]利用MM5和HYSPLIT4模式及6S技术建立了突发性大气污染事件分级标准与风险源识别技术规范；李悦等[4]将大气环流数值模拟及预报系统、危险物排放量估算方法和改进的气体三维扩散模式进行集成，结合危险源实时监测系统，建立了基于GIS的危险气体扩散实时预测系统，提出了一套危险事故有毒有害气体预测预警系统的构建思路；房小怡等[5]针对城市应急需求，建立了突发公共事件应急气象数值模拟系统，实现了气体扩散快速模拟和应急产品的快速制作。杨政龙等[6]针对海上气体泄漏扩散应急抢险需求，采用计算流体动力学软件Fluent建立气体扩散模型，对Burro系列试验进行模拟计算，为海上气体泄漏扩散应急抢险作业提供参考。蒋芙蓉等[7]针对不同建筑物布局情况下的H.*?>=>2S气体扩散流场，利用CFX计算其分布情况。陈一洲等[8]基于网络的毒气扩散模型及Dijkstra算法理论，采用C#程序设计语言和Visual studio 2013开发了有毒气体扩散模拟与路径优化原型系统。谢雪凌等[9]以传统高斯烟羽模型为基础，考虑扩散气体与有限空间边界碰撞产生的反射作用，建立了适用于有限空间气体扩散的改进高斯烟羽模型。戴卓[10]结合某烟囱防腐工程火灾事故案例，运用CFD数字化模拟方法建立了同时考虑2种可燃气体挥发源的烟囱防腐施工过程可燃气(二甲苯)挥发扩散模型，并在事故工况下进行了模拟。
ADMS (atmospheric dispersion modeling system，大气扩散模拟系统)模式是国际大气扩散主流模式之一，由英国剑桥环境研究公司(Cambridge Environmental Research Consultants，CERC)与英国气象局和Surrey大学等机构合作开发，也是国家环保部规定的环境影响评价模型之一。其着重城市中的污染源扩散模拟，能够模拟的污染物种类也相对较多，对排放源的处理相对灵活。国内外很多科研工作者开展了该模型的应用研究，LEMAITRE et al[11]对ADMS的模拟性能进行了详细分析，HIRTL等[12]通过研究指出ADMS能够较好描述大气扩散过程，其大气污染物浓度模拟结果与实际观测相比较为可靠；赵曦等[13]运用ADMS模型对生活垃圾焚烧厂周边汞浓度的空间分布进行模拟，表明采样结果与烟气扩散模拟的空间分异格局基本吻合，王春雷等[14]基于GIS和ADMS所获得的污染模拟结果直观清晰反映了大气污染物对周边环境的影响，同时也为产业空间布局提供了依据。
运用ADMS-Urban模式对生化池水面上实测恶臭气体的结果，进行小尺度扩散模拟，考察恶臭气体扩散到厂界处是否引起恶臭超标，对解答生化池是否需要封闭和除臭有较为重要的现实意义。
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气体扩散模拟使用ADMS-Urban模式，通过对污水处理厂面污染源进行分割划分的方法设定排放源。模式中污染源排放参数设置参考了《大气污染物综合排放标准》[15]和《城市区域大气环境容量总量控制技术指南》[16]中相关要求，计算输出的区域网格点水平分辨率为20 m。气象模式为城市小区尺度气象模式，采用非跳点、非均匀网格系统、无梯度的侧边界、固定的上边界和无滑脱的下边界，使用了三维非静力闭合，模式分辨率达到米的量级。在模拟过程中考虑了建筑群、绿地、水面的分布以及建筑物的坡度、坡向和建筑物对短波辐射的遮蔽。气象数据来源于项目所在区域气象局站点观测数据(2014～2015年)，观测要素包括风速、风向、气温和相对湿度等。
模式的动力学框架主要包括连续方程、动量方程、状态方程、热力学方程和污染扩散浓度方程，见式(1)～(5)。
式(1)～(5)中：U.*?>=>i为速度分量(i=1，2，3)，m/s；t为时间，s；δρ为相对于参考大气密度ρ.*?>=>0的扰动密度，g/cm3；δP为相对于参考气压的扰动气压，Pa；ν.*?>=>t为有效粘性系数，Pa/s；g为重力加速度，m2/s；Pr.*?>=>T为湍流Prandtl数；C为空气污染物浓度，mg/m3；D.*?>=>j为j方向的有效物质扩散系数，m2/s；S为空气污染物排放源源强，kg/h；湍流动能(TKE)根据式(6)进行计算。
式(6)中：k为湍流动能；u、v、w分别为在x、y、z方向上的速度脉动，m/s。
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采样期间的实测气象条件为夏季某日，大气压102.7 kPa、气温32.3～34.3 ℃、风向西南、风速1.3 m/s。区域气象局站点(2014～2015年)历史数据见图1，历史数据显示该时段以西南风低风速为主，风速集中在0～1.5 m/s和1.5～3.1 m/s区间。历史数据与采样期间的实测气象参数一致。模拟高度距离地面2 m (该高度近似人的呼吸高度)。根据《大气污染物无组织排放监测技术导则:HJ/T 55—2000》[17]的规定，平均风速为1.0～2.0 m/s时，不利于污染物的扩散和稀释，适宜于进行无组织排放监测。因此，在此时间段开展研究具有典型性和代表性。
采样地点为华北地区某污水处理厂，该厂共有8组生化池，每组生物池均有厌氧段、缺氧段和好氧段组成。厌氧段为8 m×25 m，缺氧段为8 m×80 m，好氧段为8 m×176 m。通过对面污染源进行分割划分，共设定面源32个，其中好氧段16个，厌氧段8个，缺氧段8个。污水处理厂硫化氢、氨气和臭气浓度实测数据见表1。
1.1. 模拟模型
1.2. 模拟输入条件
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空气中热量的主要来源是太阳的热能在被地面吸收后，地面再通过辐射、传导和对流把热能传给空气。距离地表不同高度的气温空间模拟情况见图2。
图2可见，夏季污水处理厂及周边区域地表，以及距离地表2、5和10 m高度的气温受地表材质的影响，水体和绿地下垫面上空的气温较低，模拟区域主要有3个气温偏低片区，分别为厂区内西南、厂区外西部片区、厂区外围南部片区以及厂区外围东侧的河流附近片区，这是由于水体表面和植物中水在蒸腾作用下气化，散失掉大量的辐射热，为大气提供大量的水蒸气，使当地的空气保持湿润，使气温降低；而构筑物、道路下垫面上空气温偏高，主要分布在厂区中心、厂区外围东北和西南方向，这是由于马路是由黑色的沥青铺成的，沥青吸热能力强，而构筑物热容量小，受阳光照射易造成局部气温上升。
随着距离地面高度的增加，不同类型下垫面之间的温度差越小，即整个模拟区域的温度分布区间变窄。
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华北地区夏季受太阳辐射热量大，陆地温度较高，气压较低，风向由海向陆，一般是偏南风。距离地表不同高度的风场空间模拟情况见图3。
图3可见，模拟结果也显示盛行偏南微风，微风的气象条件下不利于污染物的扩散。厂区外侧东北部由于建筑物和人口相对密集，阻碍了风的通过，形成了风速较低的区域，仅为0.1～0.2 m/s，从风场模拟看，这片区域受水厂恶臭气体影响较严重。厂区西部多低矮建筑物，南部是郊野公园，因此风速较大。
随着距离地面高度的增加，风速受到下垫面粗糙度的影响降低，风速增加。因此，夏季厂区恶臭气体对东北部厂界的影响较大。生化池位于东北部厂界的上风向，恶臭气体的扩散直接影响厂界浓度。
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将实测采样期间的气象条件作为初始气象场，假定在扩散过程中污染物质量是守恒的(不考虑转化)，且源强是连续均匀的，模拟生化池面源排放的硫化氢、氨气和臭气浓度的污染扩散。
在采样期间的气象条件下，气体主要从西南向东北扩散，恶臭浓度最高区域集中在面源所在地即生化区附近，硫化氢浓度约为0.5 mg/m3，氨浓度约1.0 mg/m3，臭气浓度约为230。具体模拟情况见图4。
图4可见，气体扩散的烟羽呈正态分布，烟羽中央位置的污染物浓度高于两侧。当扩散到厂界时，气体已经处于较低浓度水平。模拟结果表明，在烟羽中心位置，厂界硫化氢、氨气和臭气浓度最大落地浓度值分别约为0.000 8 mg/m3、0.15 mg/m3和35。在烟羽两侧位置，厂界硫化氢、氨气和臭气浓度最小落地浓度值分别约为0.000 4 mg/m3、0.075 mg/m3和15。
综上所述，厂界恶臭气体的浓度与气候条件关系密切，且经过大气扩散后，恶臭气体浓度呈数量级下降。
根据气体扩散的结果，反推扩散源的浓度，以验证模拟结果的准确性见表2。
表2可知，模拟结果反算值较现场实测值偏低，但总体模拟出面源排放的恶臭气体扩散和空间分布特征。分析其原因，第一是模式本身在实测输入值和反推计算值之间存在模拟误差，第二是模式结果反算值只考虑了生化池单一的面源排放，而现场检测结果不可避免地受到厂区内其他污染源的影响。但误差幅度大多数在10%以内，个别在10%～20%，但这种误差仍在可接受范围之内。经验证，模拟过程严谨，结果基本可信。
2.1. 气温场模拟
2.2. 风场模拟
2.3. 气体扩散模拟
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1)经模拟，在夏季小风的气象条件下，厂界硫化氢、氨气和臭气浓度模拟的最高浓度值分别约为0.000 8、0.15 mg/m3和35，厂界臭气浓度超过《大气污染物综合排放标准：DB11/501—2017》中规定的限值20，未达标。
2)生化区恶臭气体经大气扩散后，在一年的绝大多数时间内是达标的。因此，推荐根据污水处理厂的特点，因地制宜地处理生化池除臭的问题。
3)生化池恶臭气体如需治理，建议封闭后集中治理，宜采用生物除臭，利用微生物的活性降解恶臭气体中的有机物质，其设计参数可参考《城镇污水处理厂臭气处理技术规程：CJJ T 243—2016》。
4)生化池恶臭气体如无需治理，宜使用微生物优培改良等技术，降低生化区散溢恶臭气体的浓度和味道。
对未来的工作展望如下。
1)本文仅对最不利气象扩散条件进行了模拟，日后还应该继续完成生产现场臭气调研，记录不同季节、不同生产状况下的恶臭气体发散规律，针对不同的用户需求，开展多种气象条件下的扩散模拟，为污水处理厂除臭工程的设计提供技术支持。
2)根据气体扩散的结果，反推扩散源的浓度，以验证模拟结果的准确性。结果表明，模式对面源排放的硫化氢、氨气和臭气浓度这3种污染物的模拟值略偏低，但误差在可接受范围之内，对再生水厂的污水处理和臭气排放管控具有一定的指导意义。
