楊鵬，劉雪峰，門(mén)玉葵，劉承東

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣州 510641； 2.廣東省市政工程設(shè)計(jì)研究總院,廣州 510060)

溫度、相對(duì)濕度、排風(fēng)量是脫水機(jī)房惡臭逸散的主要影響因素，溫度過(guò)高、排風(fēng)量不足都會(huì)造成脫水機(jī)房?jī)?nèi)惡臭氣體不斷聚集，惡臭氣體主要成分為H2S、NH3，臭閾值低、毒性大[1-3]。若不妥善治理，將會(huì)嚴(yán)重影響工作人員的身體健康，危害較大[4-5]。為保證地下工作環(huán)境的安全，設(shè)計(jì)的排風(fēng)量普遍過(guò)大，污水廠通風(fēng)系統(tǒng)的投入和運(yùn)行費(fèi)非常高，造成能源浪費(fèi)[6]。

污水處理廠的除臭系統(tǒng)屬于末端治理：對(duì)于已產(chǎn)生的惡臭氣體先進(jìn)行密閉、收集，再通過(guò)化學(xué)、生物等方法對(duì)其進(jìn)行治理。治理環(huán)節(jié)分為臭源密閉處理、惡臭氣體收集輸送及生化處理[7]。目前，大部分研究主要在惡臭氣體的生化處理方面，通過(guò)優(yōu)化通風(fēng)除臭系統(tǒng)的研究還比較少[8]。影響內(nèi)環(huán)境H2S、NH3濃度場(chǎng)的因素很復(fù)雜[9]，其中，溫度、濕度和排風(fēng)量能夠通過(guò)通風(fēng)除臭系統(tǒng)進(jìn)行控制。排風(fēng)系統(tǒng)中除臭工藝的阻力非常大，風(fēng)量過(guò)大造成排風(fēng)系統(tǒng)能耗較高[7,10-11]。H2S和NH3逸散本質(zhì)是濃度差引起的質(zhì)量擴(kuò)散，研究表明，擴(kuò)散系數(shù)受溫度的影響比較大，溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大[12]。這些因素對(duì)脫水車(chē)間H2S和NH3濃度的影響效應(yīng)不同，根據(jù)權(quán)重效應(yīng)合理選擇通風(fēng)系統(tǒng)控制目標(biāo)能夠達(dá)到節(jié)能的目的。因此，確定H2S和NH3的主要影響因素、權(quán)重及分布逸散規(guī)律，對(duì)地下污水處理廠惡臭氣體的控制和節(jié)能具有重要意義。

數(shù)值仿真因其可視化、簡(jiǎn)單性和適應(yīng)性受到研究者和設(shè)計(jì)者的青睞[13-14]。RNGk-ε湍流模型和組分運(yùn)輸模型被廣泛應(yīng)用[15-16]。本文采用這兩種模型對(duì)地下污水處理廠污泥脫水車(chē)間不同溫度、濕度和排風(fēng)量下的H2S、NH3濃度分布仿真模擬，結(jié)合正交試驗(yàn)進(jìn)行極差和方差分析，確定各因素影響權(quán)重，進(jìn)一步分析主要影響因素與脫水機(jī)房H2S、NH3濃度和通風(fēng)能耗的關(guān)系，通過(guò)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)排風(fēng)量進(jìn)行優(yōu)化，確定出污泥脫水機(jī)房合理的通風(fēng)量。

1 脫水機(jī)房計(jì)算模型

1.1 幾何模型

以廣州某地下污水廠污泥脫水機(jī)房為原型研究對(duì)象，如圖1所示，其長(zhǎng)、寬、高分別為2 250、1 950、6 300 mm。由于整個(gè)脫水機(jī)房位于地下，溫度相對(duì)比較穩(wěn)定，忽略壁面熱傳遞。脫水過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量惡臭氣體，雖脫水機(jī)進(jìn)行了密封處理，但存儲(chǔ)污泥的3個(gè)料斗倉(cāng)裸露在內(nèi)環(huán)境，不斷地向周?chē)萆H3和H2S，料斗口的長(zhǎng)、寬、高分別為750、750、2 300 mm。為控制脫水機(jī)房?jī)?nèi)污染物濃度，排風(fēng)系統(tǒng)以一定的排風(fēng)量進(jìn)行排風(fēng)，防止惡臭氣體的聚集，2個(gè)排風(fēng)口位置在靠近料斗口的壁面?zhèn)?，其長(zhǎng)、寬分別為300、300 mm，中心高度2 000 mm。

圖1 廣州某地下污水廠脫水機(jī)房3維圖Fig.1 3-D model of Guangzhou underground sewage

六面體網(wǎng)格在計(jì)算精度、計(jì)算速度上都優(yōu)于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，故采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散?？紤]到門(mén)、料斗口和排風(fēng)口處擾動(dòng)較大，為了提高計(jì)算收斂性，獲取準(zhǔn)確的區(qū)域參數(shù)對(duì)其進(jìn)行局部加密，最終網(wǎng)格數(shù)量為251萬(wàn)，如圖2所示。

圖2 脫水機(jī)房六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格Fig.2 Dewatering room hexahedral grid

1.2 模型簡(jiǎn)化

為簡(jiǎn)化計(jì)算做如下假設(shè)：室內(nèi)空氣為不可壓縮流體；穩(wěn)態(tài)計(jì)算各邊界參數(shù)不變；脫水機(jī)房溫度與臨室溫度相同，不考慮壁面熱量傳遞，即壁面為絕熱壁面；忽略機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備產(chǎn)生的熱量。

1.3 數(shù)學(xué)模型

在考慮能量守恒、動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒的基礎(chǔ)上還需保證組分守恒，其通用控制方程可表示為

(1)

式中：φ為通用變量u、v、w、T、τp；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項(xiàng)。

選用RNGk-ε湍流模型以提高計(jì)算精度，其流動(dòng)方程為

(2)

式中：表示湍流動(dòng)能；表示湍流耗散項(xiàng)。

(3)

常數(shù)c1、c2、ak、aε具體數(shù)值詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[17]。

2 多因素正交仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

影響脫水車(chē)間H2S和NH3濃度分布的因素有溫度、濕度和排風(fēng)量，地下污水廠全年運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，脫水機(jī)房?jī)?nèi)溫度范圍10～33 ℃，相對(duì)濕度60%～90%，風(fēng)機(jī)是變頻運(yùn)行，最大風(fēng)量對(duì)應(yīng)的排風(fēng)口風(fēng)壓為-25 Pa，最小風(fēng)量對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓為-15 Pa?？紤]二階交叉因素共有6個(gè)，如果每個(gè)因素取2個(gè)水平進(jìn)行仿真模擬，要做26=64次試驗(yàn)，需要花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間。正交試驗(yàn)法可通過(guò)少量實(shí)驗(yàn)次數(shù)對(duì)多因素進(jìn)行極差分析、方差分析，并獲得有價(jià)值的科學(xué)規(guī)律[18-19]。本文采用L8(27)正交試驗(yàn)，每個(gè)因素取最大值和最小值2水平，共需要試驗(yàn)8次。表1是正交試驗(yàn)的各因素水平值。

表1 正交試驗(yàn)各因素水平值Table 1 Levels of factors in orthogonal test

注：排風(fēng)量的驅(qū)動(dòng)力是風(fēng)機(jī)提供的靜壓，本次模擬的排風(fēng)口邊界條件為壓力出邊界。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 極差結(jié)果分析 按照L8(27)正交表進(jìn)行仿真試驗(yàn)，取料斗口周?chē)?5個(gè)點(diǎn)的仿真結(jié)果對(duì)H2S、NH3逸散規(guī)律進(jìn)行研究，如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果分析點(diǎn)分布Fig.3 The distribution of simulation analysis

8次試驗(yàn)結(jié)果記為y1，y2，…，y8，Kij為第j列因素第i水平所對(duì)應(yīng)的H2S、NH3濃度值之和，κij=Kij，R=κijmax-κijmin，R值越大，說(shuō)明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。表2是點(diǎn)8處的H2S和NH3濃度的極差計(jì)算結(jié)果，從結(jié)果看出，A×C列對(duì)應(yīng)R值最大，RH2S=9.4，RNH3=6.18。圖4是15個(gè)點(diǎn)各因素極差均值，從圖中可以看出，溫度和排風(fēng)壓力交互效應(yīng)對(duì)應(yīng)的極差最大，其值R=0.93，反映出溫度和排風(fēng)壓力交互效應(yīng)對(duì)H2S和NH3的濃度影響最大，其次為單因素排風(fēng)壓力C、溫度A、相對(duì)濕度B，極差值相差不大，分別為0.89、0.71、0.65，交互因素A×B、B×C最小。因素影響權(quán)重從大到小依次為：A×C>C>A>B>A×B>B×C。

圖4 各因素均值極差Fig.4 Mean value of extreme difference

因素試驗(yàn)號(hào)1234567A(溫度)B(相對(duì)濕度)A×BC(排風(fēng)壓力)A×CB×C誤差指標(biāo)/(mg·m-3)H2SNH3111111114.6616.37211122224.1414.55312211223.5312.41

續(xù)表2

2.2.2 方差結(jié)果分析MSj是單因素j變化引起的差異，MSe是試驗(yàn)誤差離差平方和，為提高檢驗(yàn)的靈敏度，當(dāng)MSj<2MSe將該因素并入誤差。兩水平正交試驗(yàn)，各因素離差平方和為

(4)

式中：n為試驗(yàn)總次數(shù)，n=8；a為每個(gè)水平試驗(yàn)次數(shù)，a=4。

表3是點(diǎn)8處H2S和NH3濃度的方差計(jì)算，計(jì)算結(jié)果FA×C>F0.05(1,4)，表明溫度和排氣壓力交互效應(yīng)A×C對(duì)結(jié)果有顯著影響。

表3 正交試驗(yàn)方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal test

圖5為各因素的均值極差和顯著性大小，從圖中可以看出，15個(gè)點(diǎn)的因素顯著性分析中，因素A×C顯著性p<0.05，占57%，其他因素小于13%。結(jié)果反映出，在這些因素中，溫度和排氣壓力交互效應(yīng)A×C對(duì)H2S和NH3濃度影響顯著(p<0.05)。原因在于H2S和NH3在逸散和抽排過(guò)程中，溫度和排風(fēng)量存在交互效應(yīng)，如圖6所示。在15 Pa排風(fēng)壓力作用下，溫度由10 ℃升高到33 ℃，H2S和NH3濃度分別升高0.04、0.16 mg/m3，排風(fēng)壓力升高到25 Pa， 溫度由10 ℃升高到33 ℃，H2S和NH3濃度不同程度降低。不同排風(fēng)壓力下，溫度對(duì)H2S和NH3濃度影響效果相反。

圖5 各因素顯著性Fig.5 The significance of each

圖6 溫度和排氣壓力交互作用Fig.6 Interaction between temperature and

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)廣州某地下污水廠污泥脫水機(jī)房進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，測(cè)量時(shí)間為9：30到16：30。室外晴天，溫度15.9 ℃，相對(duì)濕度59.7%，排風(fēng)口靜壓-10 Pa。3臺(tái)污泥脫水機(jī)有2臺(tái)運(yùn)行。在污泥脫水車(chē)間取3個(gè)高度分別為0.9、2.3、3.9 m，每個(gè)高度取9個(gè)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)依次為:

Y1(-6.6,-6.6),Y2(0,-6.6),Y3(6.6,-6.6)

Y4(-6.6,0 ),Y5( 0,0 ),Y6(6.6,0 ),

Y7(-6.6,6.6),Y8( 0,6.6),Y9(6.6,6.6)。

對(duì)各點(diǎn)的NH3和H2S的濃度進(jìn)行測(cè)量。圖7為測(cè)量數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比圖，由于實(shí)際情況的復(fù)雜性，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)存在一定的誤差，H2S濃度平均相對(duì)誤差為9.70%，NH3濃度平均相對(duì)誤差為12.78%。對(duì)比結(jié)果：在允許誤差條件下，仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際測(cè)量基本一致。

圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)量與模擬值得對(duì)比圖Fig.7 Comparison of experimental and simulated

3 多因素影響效應(yīng)

3.1 工況設(shè)定

為了確定溫度和排風(fēng)量對(duì)H2S和NH3濃度和能耗的影響，對(duì)溫度和排風(fēng)量進(jìn)一步細(xì)化分析，工況情況如表4。

表4 參數(shù)工況值Table 4 Value of various conditions

以人員呼吸z=1.7 m水平高度進(jìn)行分析，圖8是部分工況下H2S的濃度變化情況，從圖中可以看出，排風(fēng)量的變化或溫度的變化都會(huì)對(duì)H2S濃度分布造成影響。

圖8 不同工況下H2S濃度Fig.8 Changes of H2S concentration under

3.2 溫度影響

圖9反映出換氣次數(shù)2.4次條件下，溫度從15～35 ℃變化過(guò)程中，不同H2S濃度值對(duì)應(yīng)區(qū)域的變化規(guī)律。15 ℃時(shí)面積比最大區(qū)域?qū)?yīng)H2S濃度范圍為0.019～0.033 mg/m3，同理,20、25、30、35 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)H2S濃度值分別是0.013、0.026、0.039～0.046、0.039～0.052 mg/m3。從結(jié)果能夠看出，溫度由15 ℃升高到35 ℃，污染水平出現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，在20 ℃時(shí)最低，與35 ℃相比降低了2.5倍。H2S濃度高于0.052 mg/m3的區(qū)域隨著溫度的升高不斷擴(kuò)大，面積比由20 ℃時(shí)的5%增大到35 ℃時(shí)的34%，高污染區(qū)域面積提高了4.8倍?？梢?jiàn)，室外溫度20 ℃是脫水機(jī)房惡臭污染控制最適宜的溫度，污水廠脫水機(jī)房在滿足室內(nèi)環(huán)境要求的條件下可適當(dāng)降低除臭風(fēng)量以降低運(yùn)行能耗。

圖9 不同溫度下H2S濃度值對(duì)應(yīng)區(qū)域面積比Fig.9 Area ratio of H2S concentration at

3.3 排風(fēng)量影響

圖10是25 ℃時(shí)不同排風(fēng)量下H2S濃度與對(duì)應(yīng)區(qū)域面積的關(guān)系圖，最大面積對(duì)應(yīng)的H2S濃度代表著該排風(fēng)量下惡臭的水平。圖中數(shù)據(jù)顯示，換氣次數(shù)由1.7次增加到4.7次，H2S最高濃度值出現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)，由0.072 mg/m3逐漸降到0.026 mg/m3。用標(biāo)準(zhǔn)方差來(lái)反映H2S濃度分布的均勻程度，換氣次數(shù)由1.7次增加到4.7次，濃度方差值也不斷下降，依次為70.9、69.5、63.2、40.8、39.4、30.6和30.6。從上述結(jié)果看出，排風(fēng)量對(duì)地下污水廠脫水機(jī)房惡臭濃度有影響，排風(fēng)量增大惡臭的排除量也增加，高濃度區(qū)域逐漸降低，并且濃度分布趨于均勻。因此，增大排風(fēng)量能夠降低H2S的濃度水平，抑制濃度的聚集。

圖10 25 ℃下不同H2S濃度對(duì)應(yīng)區(qū)域面積Fig.10 Area of H2S concentration at 25

研究表明，污染物濃度與換氣次數(shù)存在一定的關(guān)系[20]。

t→∞y平衡=τσ

由此可得：

式中：y為污染物濃度；y初為污染物初始濃度；y平衡為污染物穩(wěn)定濃度；τ為換氣指數(shù)，換氣次數(shù)倒數(shù)；σ為污染物釋放強(qiáng)度。

圖11 不同換氣次數(shù)下H2S和NH3濃度Fig.11 H2S and NH3 concentration under different

排風(fēng)量增加雖然能夠降低脫水機(jī)房?jī)?nèi)惡臭濃度，但是，同時(shí)風(fēng)口風(fēng)速隨之增大，必定會(huì)造成能耗增加。能耗正比于風(fēng)管阻力，單位管長(zhǎng)的摩擦阻力損失由式(5)計(jì)算[21]。

(5)

式中：pm為單位管長(zhǎng)摩擦阻力損失，Pa；d風(fēng)管當(dāng)量直徑，m；v為風(fēng)速，m/s；λ為摩擦阻力系數(shù)，由莫迪公式(6)求得。

(6)

脫水機(jī)房的通風(fēng)能耗為

(7)

式中：p為全壓，p=pm+1/2ρv2；G為通風(fēng)量，m3/h；η1、η2為風(fēng)機(jī)效率和機(jī)械效率，分別取值0.75和0.98。根據(jù)廣州某地下污水廠的實(shí)際情況，L取50 m，K取0.18 mm。圖12中，換氣次數(shù)與風(fēng)口風(fēng)速、能耗的關(guān)系顯示，換氣次數(shù)由1.7增加的4.7，風(fēng)口風(fēng)速由4.1 m/s增大到11.2 m/s，使得能耗由0.29 kW增加到8.16 kW，增加了27倍，單位風(fēng)量能耗增加了6.1倍，隨著通風(fēng)量增加能耗增加顯著。

圖12 不同換氣次數(shù)下的通風(fēng)強(qiáng)度與通風(fēng)能耗Fig.12 Ventilation strength and ventilation energy consumption under different ventilation

圖13 單位能耗與H2S和NH3濃度關(guān)系Fig.13 Relationship between unit energy consumption and H2S and NH3

設(shè)計(jì)規(guī)范《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理技術(shù)規(guī)程》要求污泥脫水機(jī)房換氣次數(shù)不低于6次/h[22]。但研究表明，地下污水廠脫水機(jī)房換氣次數(shù)小于6次條件下，NH3濃度降到0.09 mg/m3，H2S濃度降到0.012 mg/m3，已經(jīng)低于《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554—93)中廠界一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。單位能耗對(duì)H2S和NH3作用分別由 0.077、0.39 mg/(m3·kW)降為0.001、0.007 mg/(m3·kW)，如圖13所示。通過(guò)繼續(xù)增加排風(fēng)量的方式改善空氣品質(zhì)顯然是不可取的。

3.4 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了反映脫水機(jī)房惡臭污染水平和能耗水平，參考《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中IAQ污染物評(píng)價(jià)方法，提出綜合污染水平指標(biāo)及綜合能耗指標(biāo)。

(8)

(9)

式中:C為脫水機(jī)房不同換氣次數(shù)下平均濃度；S是《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554—93)中廠界一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)值。Ec是實(shí)際排風(fēng)能耗，EH2S、ENH3是達(dá)到廠界一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)值S需要的能耗。

結(jié)合污染水平和能耗水平，引入綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)作為脫水機(jī)房通風(fēng)除臭性能統(tǒng)一量化評(píng)價(jià)指標(biāo)。

K=exp(I)+exp(E)

(10)

從式(10)可以看出，I值越小，污染程度越低，E越小，能耗水平越低，K值越小，脫水機(jī)房通風(fēng)除臭性能越好。

根據(jù)式(8)～式(10)可得不同換氣次數(shù)下通風(fēng)量與K的關(guān)系，如圖14所示。從圖中可以看出，在2.7換氣次數(shù)，K最小為4.5，對(duì)應(yīng)的H2S和NH3濃度約為0.022、0.16 mg/m3，排風(fēng)口風(fēng)速6.8 m/s，能耗1.5 kW。換氣次數(shù)低于2.7次，脫水機(jī)房的濃度偏高，高于2.7次，風(fēng)速過(guò)大，造成能耗過(guò)高，對(duì)于污水處理量10萬(wàn)t/d的脫水機(jī)房，排風(fēng)量設(shè)置為2.7次換氣次數(shù)最為合理。

圖14 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)K與換氣次數(shù)關(guān)系Fig.14 Relationship between of comprehensive evaluation index K and ventilation

評(píng)價(jià)指標(biāo)方程化能夠更加方便直觀地判斷脫水機(jī)房排風(fēng)量是否合理。根據(jù)上述結(jié)果，對(duì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)K進(jìn)行非線性擬合，擬合模型選擇指數(shù)函數(shù)，擬合曲線為，擬合結(jié)果為

y=exp(4.514 59-1.848 78x+0.284 03x3)

式中：y表示綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)K；x表示換氣次數(shù)。

4 結(jié)論

1)通過(guò)正交仿真試驗(yàn)確定了溫度和排風(fēng)量的交互作用對(duì)污泥脫水車(chē)間H2S和NH3濃度的影響最大，且影響作用顯著(p<0.05)。

2)室外溫度20 ℃時(shí)，脫水機(jī)房NH3和H2S濃度最低，有利于通風(fēng)節(jié)能；換氣次數(shù)超過(guò)2.7次后，通風(fēng)量增加對(duì)H2S和NH3濃度變化不明顯 ；綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)K計(jì)算結(jié)果顯示，對(duì)于污水處理量10萬(wàn)t/d的脫水機(jī)房，排風(fēng)量為2.7次換氣次數(shù)綜合性能最好。

3)過(guò)大的排風(fēng)量對(duì)進(jìn)一步改善空氣品質(zhì)的作用效果并不明顯，反而使能耗急劇增加。因此，要降低綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)K，單純依靠機(jī)械排風(fēng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，主動(dòng)控制脫水機(jī)房的惡臭氣體還可以從氣流組織的控制入手。