地下式污水處理廠具有節(jié)省土地資源、噪音污染小等優(yōu)勢，在我國得到了迅速的發(fā)展。但也存在運行維護困難、安全隱患大等問題。地下全密封設(shè)計，環(huán)境相對封閉，污水處理過程容易造成惡臭氣體聚集且無法排除的狀況。脫水機房是地下污水廠惡臭氣體逸散源頭，惡臭污染非常嚴(yán)重。惡臭氣體主要成分為H2S、NH3，臭閾值低、毒性大，若不妥善治理，將會嚴(yán)重影響工作人員的身體健康。

　　氣流組織在改善地下空間環(huán)境空氣品質(zhì)方面非常重要，設(shè)置合適的氣流組織是排污除臭的重要手段。對有污染源且空間相對封閉環(huán)境中氣流組織的研究，國內(nèi)外已有很多成果。齊欣等在對地鐵內(nèi)氣流組織研究中確定了污染物濃度與氣流走向的關(guān)系;鄧元媛等研究了晶硅生產(chǎn)還原廠房內(nèi)氣流組織對污染控制作用，指出置換通風(fēng)的效果最優(yōu);LI等研究了置換通風(fēng)與混合通風(fēng)對房間表面污染的影響，結(jié)果表明2種氣流組織效果相同;CHEONG等通過實驗和數(shù)值仿真的方法研究了3種氣流組織的污染排除能力，結(jié)果表明頂送側(cè)回氣流組織排污效率最高。近幾年，我國對地下污水廠環(huán)境治理較為重視，對控制惡臭污染的研究力度不斷加強。劉洪波等運用CFD軟件首次對污泥脫水機房惡臭污染進(jìn)行仿真分析，指出氣流組織對H2S分布影響很大，為污泥脫水機房氣流組織的研究提供了基礎(chǔ)。氣流組織的選擇因需求和環(huán)境的差異有所不同，針對地下污水廠惡臭污染控制的氣流組織研究較少。因此，如何科學(xué)地設(shè)置地下污水廠的氣流組織，對逸散惡臭進(jìn)行有效的控制，已成為目前地下污水處理廠發(fā)展急需解決的問題。

　　本研究首先以污水廠實地測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行模型構(gòu)建，并對該模型進(jìn)行CFD數(shù)值仿真和驗證。然后再設(shè)置不同送、排風(fēng)形式，以NH3濃度變化來研究不同氣流組織下脫水機房的除臭效果。在研究過程中提出一種新型送風(fēng)形式——立體送風(fēng)，并探究該種氣流組織對除臭效率及惡臭濃度的影響。

　　1 模型的建立與驗證

　　1.1 模型建立

　　1.1.1 幾何結(jié)構(gòu)

　　圖1(a)為廣州某地下污水處理廠脫水機房改造前示意圖，長×寬×高為19.5 m×20.5 m×4.8 m。機房側(cè)墻設(shè)有排風(fēng)口3個，長×寬為0.5 m×0.4 m，距地面高度2.3 m，位于墻面的中部，改造前脫水機房只設(shè)有排風(fēng)，無送風(fēng)系統(tǒng)。門的高×寬為2.5 m×2.15 m。靠近排風(fēng)口處有3個料斗倉，是機房的主要惡臭源。為了承載脫水機，料斗倉與脫水機房中間有一夾層，使料斗倉與脫水機隔離，如圖1(b)所示。

　　圖1 廣州某地下污水廠脫水機房改造前示意圖

　　1.1.2 計算模型

　　1.1.2

　　模型計算域比較簡單，采用計算精度較高的六面體網(wǎng)格。將網(wǎng)格劃分為82×104、162×104、270×104、500×104、1 140×104和1 943×104個，脫水機房門處的風(fēng)速和溫度如圖2所示。結(jié)果可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到500×104個時計算結(jié)果基本趨于穩(wěn)定，故模型網(wǎng)格數(shù)量采用500×104個。Fluent中RNG模型在室內(nèi)氣流的模擬中能夠取得較好的結(jié)果。脫水機房內(nèi)氣體流動屬于室內(nèi)流動，本研究采用RNG模型預(yù)測氣流組織。同時涉及到惡臭氣體的擴散，采用Species Transport模型。

　　圖2 不同網(wǎng)格數(shù)量下門處風(fēng)速和排風(fēng)口溫度

　　1.2 邊界條件

　　1.2

　　根據(jù)現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)和機房運行特點，設(shè)置邊界條件如下：1) 排風(fēng)口定風(fēng)量排風(fēng)，根據(jù)風(fēng)量和排風(fēng)口面積可得風(fēng)速，設(shè)置為速度出;2) 門口常開，自動補風(fēng)，設(shè)置為壓力進(jìn);3) 料斗口是惡臭和熱量的主要來源，設(shè)置為源相，根據(jù)實測數(shù)據(jù)得熱源源強2 871 W，NH3源強為1.28 mg·s-1;4) 忽略壁面的熱量傳遞，設(shè)置壁面為絕熱壁面。

　　1.3 模型驗證

　　1.3

　　實測排風(fēng)量為10 808 m3·h-1，室外溫度32 ℃條件下脫水機房內(nèi)NH3濃度。脫水機房內(nèi)惡臭濃度采樣點水平方向的布置如圖3所示。采樣點高度(Z)分別為0.6、1.5、2.3和3.9 m，每層高度設(shè)置5個點，惡臭氣體測量點共20個。惡臭氣體NH3的測量采用泵吸式NH3氣體檢測儀。

　　圖3 脫水機房測點水平方向上的分布

　　為了驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，將實測NH3濃度與模擬數(shù)據(jù)作對比，如圖4所示。從圖4看出，料斗口附近測點1、2的實測值比模擬值偏高，門口處測點4、5實測值比模擬值偏低，這主要與數(shù)值模擬時幾何模型的簡化有關(guān)。總體來看，實測與CFD仿真結(jié)果接近，平均相對誤差為19.1%。測量儀器及模型簡化帶來誤差無法避免，對比結(jié)果表明，用RNGκ-ε模型和Species Transport模型能夠合理預(yù)測脫水機房內(nèi)流動和惡臭污染的分布。

　　圖4 實測值與模擬結(jié)果對比

　　2 數(shù)值仿真

　　2.1 氣流組織工況設(shè)置

　　為了進(jìn)一步降低惡臭濃度，改善脫水機房工作環(huán)境，探究不同氣流組織下脫水機房除臭效果，對原有脫水機房通風(fēng)形式進(jìn)行改造。排風(fēng)有3種形式：側(cè)上排、側(cè)中排(原排風(fēng)位置)和側(cè)下排，送風(fēng)形式也設(shè)置成2種：側(cè)送和立體送風(fēng)。其中側(cè)送風(fēng)分為側(cè)上送風(fēng)和側(cè)下送風(fēng)，如圖5(a)所示。立體送風(fēng)形式是研究過程中提出一種新型的送風(fēng)形式，如圖5(b)所示。

　　圖5 脫水機房改造后送排風(fēng)形式

　　2.2 評價指標(biāo)

　　近年來，國內(nèi)外研究采用排污效率對氣流組織進(jìn)行評價，本研究采用排污效率ε ε 作為評價氣流組織的指標(biāo)。

　　式中：φ R φR 為排風(fēng)口惡臭的體積分?jǐn)?shù)，10-7;φ P φP 為機房內(nèi)惡臭平均體積分?jǐn)?shù)，10-7;φ S φS 為進(jìn)風(fēng)口惡臭體積分?jǐn)?shù)，10-7。由于機房門口滲透氣流惡臭體積分?jǐn)?shù)非常小，可以忽略，即φ S φS =0。

　　合適的氣流組織能降低脫水機房內(nèi)惡臭氣體濃度，為工作人員提供一個良好的工作環(huán)境。 本研究分別用機房惡臭平均體積分?jǐn)?shù)φ P φP 和機房2 m下工作區(qū)域惡臭平均體積分?jǐn)?shù)φ P−2 φP-2 作為氣流組織評價指標(biāo)。

　　3 仿真結(jié)果分析

　　3.1 氣流組織對排污效率的影響

　　3.1.1 排風(fēng)形式

　　表1中組別2的排風(fēng)量均為10 808 m3·h-1，送風(fēng)風(fēng)量均為5 180 m3·h-1。7種不同氣流組織下的排污效率如表2所示。由表2可知，工況2、3、4和5是側(cè)面送風(fēng)，其中側(cè)上送風(fēng)側(cè)中排風(fēng)時排污效率最大，為4.12。工況6、7和8是豎管立體送風(fēng)，側(cè)中排風(fēng)時排污效率最大，為5.09。在所有的排風(fēng)形式中，中部排風(fēng)效果最好，上部排風(fēng)效果最差。在源相一致的穩(wěn)態(tài)問題中，不同氣流組織下排風(fēng)口處NH3濃度是相同的，中部排風(fēng)能夠?qū)⒘隙房谝萆⒊鰜淼膼撼糇疃叹嚯x的排出，使得平均體積分?jǐn)?shù)φ P φP 較低，而上部排風(fēng)路徑最長，增大了惡臭在機房逸散的時間，平均體積分?jǐn)?shù)φ P φP 較高，造成排污效率低于中部排風(fēng)排污效率，這一結(jié)果與其他研究[7]結(jié)論一致。具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　表1 各個工況邊界參數(shù)

　　表2 不同氣流組織下排污效率仿真結(jié)果

　　3.1.2 送風(fēng)形式

　　7種工況下送風(fēng)口截面上氣流狀體如圖6所示。可以看出，相同送風(fēng)量條件下，側(cè)送風(fēng)(工況2~5)風(fēng)口風(fēng)速最大2.6 m·s-1，5 m距離后速度迅速衰減到0.2 m·s-1。從氣流流線看出，測送風(fēng)新風(fēng)進(jìn)入機房內(nèi)直接有排風(fēng)口排出，這樣造成大部分氣流短路，不利于惡臭排除，造成排污效率下降。相反，工況6、7立體送風(fēng)風(fēng)口分布在立體管，氣流擾動較大，室內(nèi)平均風(fēng)速在0.4 m·s-1，新風(fēng)進(jìn)入機房后較少部分短路，使得機房內(nèi)平均惡臭濃度較低，有效地提高了排污效率。雖然工況8采用立體送風(fēng)形式，但排風(fēng)口位置位于上部，料斗口逸散的惡臭排出路徑長，再加之?dāng)_動的氣流更不利于其排出，故造成該工況上排污效率較差。

　圖6 工況2~8送風(fēng)口截面上風(fēng)速和流線圖

　　3.2 氣流組織對惡臭濃度的影響

　　圖7是7種工況惡臭濃度模擬結(jié)果。圖7 (a)是呼吸高度(Z=1.5 m)NH3體積分?jǐn)?shù)分布云圖，從圖7 (a)中可以看出，在工況6條件下，NH3平均體積分?jǐn)?shù)最低，為1.16×10-7，與工況1實測數(shù)據(jù)相比降低了43.7%。立體送風(fēng)將新鮮空氣直接送到機房內(nèi)，對周圍環(huán)境進(jìn)行稀釋，因此，立體送風(fēng)工況機房NH3平均體積分?jǐn)?shù)要低于側(cè)送風(fēng)，更有利于改善機房內(nèi)空氣品質(zhì)。

　　圖7 各氣流組織下機房內(nèi)惡臭濃度模擬結(jié)果

　　工作區(qū)域的惡臭濃度對工作人員的安全更為重要，圖7 (b)是7種氣流組織對機房2 m下工作區(qū)域惡臭濃度的影響。可以看出，工況2側(cè)下送風(fēng)側(cè)上排風(fēng)時工作區(qū)域NH3平均體積分?jǐn)?shù)最大，為3.2×10-7。工況6立體送風(fēng)中排條件下工作區(qū)域NH3平均體積分?jǐn)?shù)為5.6×10-8，與實測數(shù)據(jù)1.51×10-7相比下降62.9%。

　　圖8是脫水機房在不同氣流組織下Z=1.5 m高度各測點的NH3體積分?jǐn)?shù)。側(cè)下中排組合下料斗倉區(qū)域(測點1、2)惡臭濃度最低。立體送風(fēng)中排形式下，機房工作人員呼吸高度(測點3、4、5)惡臭濃度都低于其他氣流組織。

　　圖8 不同氣流組織下Z=1.5 m高度各測點NH3濃度

　　結(jié)果表明，從工作人員的健康考慮采用立體送風(fēng)中部排風(fēng)，機房呼吸高度的平均惡臭濃度最低，工作區(qū)域惡臭濃度最低，排污效率最高，能夠提供更好工作環(huán)境。

　　3.3 送排風(fēng)量對排污效率和惡臭濃度的影響

　　表1中組3和組4是在工況6的基礎(chǔ)上分別降低和增大送、排風(fēng)量，研究送、排風(fēng)量與排污效率及機房內(nèi)惡臭濃度的關(guān)系。表3是工況6、9~12條件下的排污效率。工況6、9、10對比，送風(fēng)量由5 180 m3·h-1降低到3 888 m3·h-1，排污效率下降了0.09，送風(fēng)量增大到6 480 m3·h-1，排污效率升高了0.11。工況6、11、12對比，排風(fēng)量降低到8 106 m3·h-1，排污效率降低了1.33，排風(fēng)量增大到13 510 m3·h-1，排污效率升高了變化了0.45。結(jié)果表明，豎管立體送風(fēng)側(cè)中排風(fēng)氣流組織下，送風(fēng)量的改變對脫水機房排污效率影響不明顯，排風(fēng)量的改變對排污效率影響比較大。

　　表3 工況6、9～12下排污效率模擬結(jié)果

　　改變送、排風(fēng)量后脫水機房NH3濃度如圖9所示。圖9 (a)中工況6、9、10對比說明了送風(fēng)量對惡臭濃度影響不大，對于排風(fēng)量來說，對惡臭濃度影響明顯。圖9 (b)是不同送排風(fēng)量下呼吸高度各測點NH3體積分?jǐn)?shù)的變化。送風(fēng)量增大，料斗口附近和工作區(qū)域惡臭濃度有所降低，排風(fēng)量增大，惡臭濃度降低明顯。

　　圖9 工況6、9~12下脫水機房內(nèi)惡臭濃度

　　上述結(jié)果表明，送、排風(fēng)對機房惡臭濃度的控制效果不同，排風(fēng)量對降低機房惡臭濃度效果明顯。因此，可以適當(dāng)降低送風(fēng)量，小幅度地提高排風(fēng)量，機房惡臭仍能得到改善，同時可以降低通風(fēng)能耗。

　　4 結(jié)論

　　4

　　1) 7種氣流組織方式中，立體送風(fēng)側(cè)中排風(fēng)方式排污效率最高。該方式與實測數(shù)據(jù)相比，機房NH3平均體積分?jǐn)?shù)和工作區(qū)域NH3體積分?jǐn)?shù)降低了43.7%、62.9%。因此，立體送風(fēng)側(cè)中排風(fēng)氣流為最佳的氣流組織。

　　2) 立體送風(fēng)形式下，排風(fēng)量對排污效率、惡臭濃度的影響較大，在惡臭濃度的控制上效果明顯。可以通過適當(dāng)調(diào)整送、排風(fēng)量，在改善惡臭環(huán)境的同時達(dá)到節(jié)能的目的。

　　3) 送風(fēng)的均勻性也會對NH3濃度分布和排污效率有影響，本研究未對這方面做深入探究。后期研究中將會對立體送風(fēng)管上送風(fēng)孔的大小和送風(fēng)孔間距對通風(fēng)除臭效果做進(jìn)一步的探索。(來源：環(huán)境工程學(xué)報 作者：楊鵬)