地下污水厂污泥间气流组织及其除臭效果数值分析_王彬.pdf

投稿网址：年 第 卷 第 期，（）：科 学 技 术 与 工 程 引用格式：王彬，周文和，王佳，等 地下污水厂污泥间气流组织及其除臭效果数值分析 科学技术与工程，（）：.，（）：.环境科学、安全科学地下污水厂污泥间气流组织及其除臭效果数值分析王彬，周文和，王佳，沈浩，史成波，滕峰，刘勇，杨成慰（.兰州交通大学环境与市政工程学院，兰州；.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉）摘 要 地下污水处理厂工作区域通风净化系统及气流组织的合理设置与环境质量、人身健康、系统能耗等息息相关。离子净化技术节能高效，其污水厂工程应用研究及数值模拟方法亟待补充。以广东省惠州市陈江街道办二号地下污水处理厂污泥间为例，借助数值模拟方法及 软件对其离子通风系统及气流组织进行了数值计算和分析。结果表明，相比于传统通风除臭，离子通风方式效果更好，排污效率可达.，且新风入口竖直方向的近地设置可有效限制 在工作平面扩散。数值模拟方法方便可靠。关键词 地下污水处理厂；通风除臭；离子通风；气流组织；数值模拟中图法分类号；文献标志码 收稿日期：；修订日期：基金项目：甘肃省优秀研究生“创新之星”项目（）第一作者：王彬（），男，汉族，山东烟台人，硕士研究生。研究方向：建筑环境及通风。：。通信作者：周文和（），男，汉族，甘肃兰州人，博士，教授。研究方向：建筑环境，清洁供暖，传热传质等。：。，（.，；.，），.，；随着中国城镇化进程的加速，地下污水处理厂越来越多。因污泥浓缩脱水处理时散发包括粪臭素、等恶臭气体，其污泥处理间的空气环境通风换气、除臭等处理尤其重要。相比于地上污水处理厂，地下污水处理厂用地节省，但大多构筑物设于地下，其通风与除臭的合理设置更为重要。按照规范，不同级别处理厂 的排放标准分别为.（一级）、.（二级）和.（三级）。污水处理厂除臭传统采用负压通风方式，即依靠通风系统排风营造污泥处理间为负压状态。有时会采用全封闭加罩、负压收集的方式，将恶臭气体收集至末端臭气处理系统，达到投稿网址：控制室内空气质量的目的。传统的通风除臭方式所需能耗相对较大，且其无序排放对厂区及周围环境空气质量造成不良影响。节能高效通风除臭方式的应用成为污水处理的必需。徐遵主等对城市污水处理厂的加盖除臭方式及现状进行了研究分析，结果表明，加盖后的臭气收集处理率为。邱德志等对污水厂温室气体的排放特征基于污水处理量的排放因子法建立了排放清单，分析了温室气体排放的时空分布和影响因素。唐宏辉等对地埋式污水厂的臭气进行收集后经生物除臭装置处理，实际运营后效果较好。刘建伟等利用双介质气动雾化喷淋系统对污水厂的恶臭气体进行处理，对污水厂格栅间的硫化氢和氨的去除率分别为.和.。此外，刘建伟等还对城市污水厂不同功能区含恶臭和微生物气溶胶气体处理技术进行了选择，开展了分区除臭。张夏彬等将臭氧高级氧化工艺产生臭氧尾气，运用到去除污水处理厂恶臭污染物中的有机组分，实现了资源化利用及节能减排。在污泥间内设置离子送风系统，将富含氧离子的洁净空气通过管道送入污泥车间，新风中的活性氧离子与臭气成分直接接触氧化反应，可有效去除空气中的臭气分子，改善污泥间的空气质量环境，同时，其能耗远低于传统通风除臭方式。尤鑫等对污水处理厂生物除臭与离子除臭方式进行了对比分析，分析了其优缺点。何宇嘉利就固废处理行业与污水处理臭气治理技术进行分析，指出采用离子除臭工艺是除臭技术的发展趋势。刘晓军选择 离子净化法耦合生物滴滤除臭工艺，对烟台市套子湾污水处理厂厂区臭气进行处理，结果表明满足废气排放最高允许浓度的一级标准。可以看出，离子净化技术节能高效，但其污水厂工程应用研究及数值模拟方法亟待进一步研究完善。现以广东省惠州市陈江街道办二号污水处理厂污泥处理间为例，采用 软件对其气流组织方案及离子除臭效果进行数值分析，以期为离子除臭技术在地下污水处理厂的应用及研究提供借鉴。数值模型.物理模型陈江街道办二号污水处理厂位于广东省惠州市仲恺高新技术产业开发区，日处理能力 ，是惠州市首座全地埋式生态型污水处理厂。污水厂污泥处理间层高.，其结构及模型如图 所示，包括 个圆柱形污泥池料仓（直径 ，高.），个污泥浓缩处理机（简化为.长方体结构）和 个污泥池（.，底部平台为.）。污水厂污泥处理间的初步通风、除臭方案包括，送风干管贴墙布置，接有 根竖直送风支立管（距侧墙.），底部送风口截面尺寸为.，距地面.。排风总管布置于吊顶内，根水平支管距顶棚.，距侧墙 ，管底排风口截面尺寸为.。图 污泥间结构及物理模型.控制方程数值计算分析过程中采用如下假设条件。（）污泥间状态稳定，壁面与外界无热量传递，各个边界条件不发生变化。（）假定 散发量与粪臭素、等其他臭气散发量成正比，故选取 进行分析。（）因活性氧离子对 的氧化作用迅速，假定反应瞬间全部完成，反应系数为。因空气与 密度相差较大，数值分析过程中采用 假设，并选用无穷远处即大气为基准点以使方程容易收敛。基本控制方程如下。（）连续性方程。（）（）科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：式（）中：为混合气体密度，；为时间，；为散度符号；为空间中、个方向的速度（，），。（）动量方程通式。（）（）（）()()（）式（）中：为流体的有效动力黏度，；为应力张量；、为平面内非共线的两个方向；为重 力 加 速 度，.；为 大 气 密 度，.。（）选用 湍流模型提高旋涡流动的精度。（）（）|（）（）（）()（）（）式中：为考虑到涡流的运动黏度；为速度 进行张量计算时的参数符号；、为张量计算的两个方向；.，.；为平均速度梯度引起的湍流动能的产生；为由浮力产生的湍流动能；为可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的贡献；和 分别为 和 有效普朗特数的倒数；和 为源项，表示 散发原与送、排风口。（）组分输运方程。（）（）|（）式（）中：为组分 在空气中的扩散系数，考虑广东省惠州市温湿度的影响，取.；为 的体积浓度，；为 的质量浓度，；为 的生产率，共 ，依据污泥池料仓、污泥处理机、污泥池 散发设计参数取值。具体分配于下述边界条件。（）能量方程。（）（）式（）中：为空气的温度，取；为混合气体的比热容，（）；为混合导热系数，（）；为混合气体的湍流导热率。（）活性氧离子与 的氧化反应方程。（）.边界条件计算区域内墙体、机器、风管等均设为绝热无滑移固体壁面边界条件；送风口采用速度入口（湍流强度，水力直径.）边界条件，排风口采用质量流量出口边界条件，相应于不同的换气次数和氧离子浓度，工况 工况 的送风和排风速度如表 所示。相同换气次数下的排风风量稍大于送风风量，以保证污泥间内始终为负压。污泥池料仓、污泥处理机、污泥池上表面为 散发源，均采用质量流量进口边界条件，根据设计计算值，设为.、.和.，相应送风中含活性氧离子，质量浓度分别为、和 。空气温度恒定为。表 不同工况对应参数 工况换气次数氧离子质量浓度（）送风速度（）排风速度（）对应排风质量（）氧离子速率（）.网格划分与独立性考核物理模型的区域离散采用对模型适应性较好的四面体网格。为减弱网格数量对计算结果的影响，以距地面.、和.高处的风速作为计算结果，对多套网格的独立性进行了考核结果如图 所示。其中网格数量分别为网格 为、网格为 、网格 为 、网格 为 。可以看出，网格 及以后网格数量的影响不再明显，因此，后续采用网格 进行数值计算和分析。.数值方法及验证基于文献验证有效的数值方法，采用有限体积法，通过 隐式算法对 方程组进行联立求解，实现压力场和速度场的耦合。对流项首先使用一阶迎风格式对上述方程进行离散，待基本收敛后改为二阶迎风格式继续计算。非稳态项使用一阶隐式格式。计算周期为 ，时间步长.，每步迭代 次，随后计算其余物理参数。，（）王彬，等：地下污水厂污泥间气流组织及其除臭效果数值分析投稿网址：为了进一步验证工程问题数值方法的适用性，分别将污泥料仓、污泥处理机和污泥池上方 高处单位体积 浓度，以及相应除臭总送风量模拟值与设计值进行对比，结果如表 所示。可以看出，相对误差均小于。图 不同数量网格下的平面速度.表 模拟与设计对比 验证项目设计计算值 模拟值 相对误差 污泥池料仓 体积浓度（）.污泥处理机 体积浓度（）.污泥池 体积浓度（）.除臭总送风量（）.结果及分析为了得到污泥处理间通风除臭方案的合理与效果，对表 所示 个工况下的气流组织及其相应质量浓度场进行计算和分析。.平衡时间及平衡值采 用软件利用三次多项式进行函数拟合，将 质量浓度变化用函数表达，表现出其变化趋势。以换气次数 次，无离子通风（工况）为例，图 为在到达稳定前 质量浓度随时间的变化趋势，可以看出 质量浓度的变化过程为“先急后缓”的趋势，在.时基本达到稳定，为.，波动值维持.。各工况的变化拟合公式如表 所示，其中 为 的质量浓度，为时间，为拟合程度。图 为各工况到达平衡所需的时间及平衡时的质量浓度，换气次数决定了 达到稳定的时长，换气次数越大，达到稳定时间越长，而氧离子的含量对其影响不大。这是由于较大的空气速度导致控制方程收敛速度变缓，而氧离子与 反应速率视作，因此反应方程不需要过多计算，对其影响较小。氧离子的存在使得 的平衡浓度有明显降低，在“从无到有”这个过程尤为明显。氧离子含量在 时，相当于增加一次换气次数，当氧离子浓度为 时，的去除效果甚至优于增加一次换气次数。图 工况 拟合曲线.表 不同工况 变化拟合公式 工况拟合曲线公式达到稳定时间 稳定值（）.科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 各工况到达平衡的时间及质量浓度.速度场分析以工况 为例进行新风速度场的分析，由图 可看出新风在室内运动趋势，有助于寻找、规避“死区”。新风从风口送出后，呈编钟状外溢，到达地面后以蛛网形状散开，遇墙后会延墙体流动，最大扩散半径约为 。室内大部分区域风速低于.，无明显扰动。两股气流相互碰撞后会向上回升，上升高度约为.，但其流速很小，约为.。室内整体送风效果良好，离子新风可分布大部分区域，在外凸房间气流速度较小，但此处离污染源距离较远，较少离子新风浓度合理。靠近污泥处理机的中心区域无风管布置，其余各处新风扩散至此，风速较小，但由 分布浓度可知，此处的除臭效果并不受到影响。风管位置布置于工作人员长驻区域，可为其提供较好风感与舒适度。图 新风速度场.换气次数影响分析图 无离子通风情况下不同换气次数的 质量浓度.分别对换气、次的 浓度场进行分析，图 通过给出区域内 .浓度的变化和分布，揭示了换气次数大小对 去除的作用。可以看出，由于新风的作用，从源处向外逸散的过程中，会被限制于竖直方向，很少在源处朝四周扩散。由于密度原因，上升至 高左右出现分层现象，分层面参差不齐，随后扩散较为均匀，整体含量从上向下含量依次减小，如图（）所示。除 散发源附近，其余大部分区域 浓度小于 。污泥池料仓处比污泥处理机与污泥池处 浓度大，散发距离更远，扩散范围更大。由于新风受到墙体阻碍出现撞击、散流，靠近墙体等风管周围 含量相比，（）王彬，等：地下污水厂污泥间气流组织及其除臭效果数值分析投稿网址：其余区域更少，该区域空气品质较好。可以看出，换气次数对室内 浓度影响较大，、次的换气次数 浓度分布趋势相同，换气次数越大，除 效果越好。由于污泥池格栅底部高.，距新风口较近，因此 种工况的污泥池顶部附近 质量浓度较低，差距不大。种工况 平均质量浓度分别为.、.和.。.活性氧离子浓度影响分析图 分别展示了换气次数为 次及活性氧离子含量为、和 的情况下，区域内 .的浓度场。可以看出，相同通风次数的条件下，氧离子含量越高，气体去除效果越好。与无氧离子通风相比，氧离子的加入极大改善了工作区域的 去除效果，对气流组织流畅的影响较小。.排污效率排污效率是反映通风对污染物排除能力的通用公式，依据文献定义的离子通风排污效率如式（）所示，数值计算结果列于表。（）（）式（）中：为离子通风效率；为排风处污染物体积浓度，；为离子处理的污染物体积浓度，；为全局污染物平均体积浓度，。由图 可以看出，传统通风情况下，换气次数的增加对排污效率几乎不产生影响，换气次数、和 次的排污效率基本相同，分别为.、.和.。而通风气流中氧离子的加入，使排污效率得到了极大改善，且氧离子浓度越高，排污效率越高，增幅越明显，最高可达.。根据规范，除工况、和 外，区域排风口处污染物浓度均满足二级排放标准，且工况、和 下区域排风口处污染物浓度可满足一级排放标准。表 各工况污染物体积浓度 工况（）（）（）.图 不同氧离子浓度 次换气次数 .质量浓度.能耗分析离子发生器的功率远小于风机功率，如表 所示。每台离子发生器可产生氧离子的速率为 。考虑近似的 净化效果，选取 次换气次数、无氧离子加入的工况 和 次换气次数、氧离子加入的工况 进行比较，同时假设风机与离子发生器的功率为线性，则工况 比工况 节能.，科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 排污效率表.表 设备参数表 设备名称规格型号数量 台功率 离子发生器.风机 ，合计.且随净化效果要求的提高，节能效果将越发大于.。结论以陈江街道办二号地下污水处理厂污泥处理间离子通风系统为例，借助 数值模拟方法，通过模型搭建、区域和方程离散、数值计算和分析等过程，展示了地下污水厂污泥处理间通风气流组织设计优化步骤及离子通风系统的除臭效果，为相似项目工程问题的解决提供了参考。相关结论如下。（）新风出口近地设置，可较好地减少 在工作平面横向扩散，优化工作区空气质量。相对于传统的负压排风除臭方式而言，离子氧化和通风稀释组合的除臭系统能够更好地对臭气进行抽离。（）氧离子的引入不会影响通风气流组织，但可有效去除臭气，提高排污效率，降低通风能耗，改善排空质量。在所研究工况下，离子通风对 的排污效率随氧离子的增加而升高，最高可达.。（）相比于传统通风而言，离子通风更加节能，可最低节约.的能耗。参考文献 陈思维，刘雪峰，杨鹏 不同送排风量下脱水机房竖直离子风管的通风除臭效果 环境工程学报，（）：，（）：.付小娟 污水处理和固废处理行业的臭气治理技术分析山西化工，（）：，（）：.国家环境保护总局科技标准司 城镇污水处理厂臭气处理技术规程：北 京：中 国 建 筑 工 业 出 版社，：，.袁航，顾潇 离子除臭技术在温岭观岙污水处理厂臭气治理中的应用 净水技术，（）：，（）：.姚尧，杨乐，盛国荣，等 初沉池一体化密闭除臭通风优化方案 中国给水排水，（）：，（）：.徐遵主，陆朝阳，金小贤，等 城市污水厂加盖除臭技术及现状 环境保护科学，（）：，（）：.邱德志，陈纯，郭丽，等 基于排放因子法的中国主要城市群城镇污水厂温室气体排放特征 环境工程，（）：，（）：.唐宏辉，刘承东，谢艺强 广州地埋式石井净水厂通风除臭设计 中国给水排水，（）：，（）：.刘建伟，臧娜娜，韩昌福，等 新型双介质气动雾化喷淋系统在城市污水厂恶臭气体处理中的应用 环境工程技术学报，（）：，（）：.刘建伟，陈欣玥，唐文邦，等 城市污水厂不同功能区含恶臭和微生物气溶胶气体处理技术选择 应用化工，（）：，（）：.张夏彬，沈超，高洋等 臭氧工艺尾气在污水处理厂除臭中，（）王彬，等：地下污水厂污泥间气流组织及其除臭效果数值分析投稿网址：的回收利用研究 给水排水，（）：，（）：.曹阿生，施祖辉 基于 模型的郑州某污泥发酵车间除臭改造方案 净水技术，（）：，（）：.张长城 气流组织模拟在污泥浓缩池除臭设计中的应用研究 给水排水，（）：，（）：.尤鑫，陈悦，李卿 污水处理厂生物除臭与离子除臭对比分析 中国环境科学学会 年科学技术年会 天津：中国环境科学学会，：，：，：.何宇嘉 固废处理行业与污水处理臭气治理技术分析 科学技术创新，（）：，（）：.刘晓军 烟台市套子湾污水处理厂一期工程除臭工艺分析 中国给水排水，（）：，（）：.刘春，何舰 改进 算法在翼型气动性能计算中的应用 科学技术与工程，（）：，（）：科 学 技 术 与 工 程 ，（）