王團安

(陜西省環(huán)境保護公司，西安 710077)

前 言

在我國城市建設(shè)的過程中，惡臭污染和噪聲污染是環(huán)境污染投訴的主要原因。因此嚴格控制惡臭污染物的濃度，對于提高城市整體的環(huán)境質(zhì)量具有重要作用[1]。惡臭污染物不僅會讓人產(chǎn)生不適感，而且大多數(shù)惡臭污染物都會對人體產(chǎn)生危害[2]。在地面污水處理系統(tǒng)中，雖然對污水處理構(gòu)筑物進行了加蓋處理，但惡臭污染物的逸散揮發(fā)仍舊無法得到有效控制[3]。因此有學者提出了地埋式污水處理系統(tǒng)，這種系統(tǒng)將地面的污水處理過程轉(zhuǎn)移到地下，從而避免了惡臭污染物直接揮發(fā)到地面空間中[4]。除此之外，這種方式將生化池、曝氣池等產(chǎn)生的惡臭污染物統(tǒng)一密封收集，并設(shè)計了相應的除臭系統(tǒng)進行處理[5]。雖然地埋式污水處理系統(tǒng)的占地面積和環(huán)保性優(yōu)勢突出，但是它在實際應用中仍然反映出一些問題[6]。例如，在污水的初級處理過程中，無法對惡臭進行密封處理；在地下工作環(huán)境中，除臭系統(tǒng)的泄露問題嚴重影響廠區(qū)的空氣質(zhì)量，損害工作人員的身體健康[7]。通風系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)環(huán)境的溫度、濕度和空氣流速，可以有效改善地下工作環(huán)境的空氣質(zhì)量[8]。這里將對地埋式污水處理廠的通風系統(tǒng)展開研究，通過對惡臭污染物的遷移進行仿真模擬，對除臭系統(tǒng)的排污效率和濃度控制方式進行優(yōu)化。

1 基于CFD技術(shù)的脫水機房惡臭污染物遷移仿真分析

城市污水分為生活污水、工業(yè)污水、徑流污水，它的成分十分復雜，其中不僅包含無機物和有機物，還有各種微生物。經(jīng)過一系列的物理、化學和微生物分解處理，城市污水會產(chǎn)生大量的惡臭氣體污染物。根據(jù)組分的化學組成，可以將惡臭污染物大致分為五類，分別是含硫化合物、含氮化合物、含氧有機物、烴類和鹵素化合物?；瘜W活性高、臭閾值低、組分復雜、防治難度大是惡臭污染物的典型特征。表1為污水處理廠惡臭氣體的臭閾和臭味。有研究表明，在城市污水處理中，氨氣和硫化氫是主要的惡臭污染來源[9]。氨氣的臭閾值為46.8×10-6，它的臭味有刺激、辛辣的特點；硫化氫的臭閾值為0.47×10-9，具有臭雞蛋氣味，且對人體有明顯毒性。有學者對城市污水處理廠的惡臭來源進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)曝氣處理環(huán)節(jié)和污泥脫水處理環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的惡臭污染物最多[10]。因此在這次的研究中，以污泥脫水機房的通風系統(tǒng)作為研究對象，對除臭系統(tǒng)進行研究。研究將NH3作為惡臭代表氣體，污染物濃度單位為體積濃度，對其在不同氣流組織形式下的遷移情況進行仿真模擬，以探究最佳氣流組織形式。

表1 污水處理廠惡臭氣體的臭閾和臭味Tab.1 Odor threshold and odor of odor gas in sewage treatment plant

將脫水機房看作一個系統(tǒng)，若不存在邊界出口，則惡臭污染物流動遵守三大守恒方程，即質(zhì)量守恒、能量守恒、動量守恒。若流體密度為ρ，u、v、w表示x、y、z三個方向上的速度矢量分量，則流體的質(zhì)量守恒方程如式(1)所示。

(1)

流體的能量守恒方程如式(2)所示。其中，E表示流體總能量，h為焓值，j表示流體組分，keff為有效熱傳導系數(shù)，J為擴散通量，Sh為體積熱源項。

(2)

對于以給定流體微元體，其受外界作用力之和等于其動量對時間的變化率。在此基礎(chǔ)上，三個方向的動量方程如下。

(3)

(4)

(5)

在式(3)、(4)、(5)中，p表示流體微元體上的壓強，fx為x方向的單位質(zhì)量力，τxy表示微元體表面粘性力的分量。同時，在這封閉系統(tǒng)中，其滿足組分質(zhì)量守恒方程，如式(6)所示。其中，對于系統(tǒng)組分s，其質(zhì)量濃度為ρcs，其體積濃度為cs，其擴散系數(shù)為Ds，Ss表示系統(tǒng)在單位時間單位體積下由化學反應得到的組分質(zhì)量。

(6)

參照實際脫水機房的空間尺寸參數(shù)，得到圖1所示的機房簡化模型。脫水機房的空間尺寸為22.05m×19.5m×6.3m。脫水機房與外界環(huán)境相通的部位有東側(cè)大門(2.0m×2.5m)、北側(cè)距地面1.8m高的三個正方形排風口(0.28m×0.28m)，風口間距為3.15m。脫水機房環(huán)境污染源有兩處，即尺寸為1.5m×1.5m的料斗口處。脫水機房中水泵、加藥箱、水箱、控制柜等設(shè)備對流體遷移影響較小，因而進行簡化處理。人員工作范圍在控制柜啟停按鈕周圍，距地面2m以內(nèi)的高度范圍。

圖1 機房簡化模型Fig.1 Simplified model of computer room

從機房簡化模型來看，三個排風口可以對惡臭氣體進行收集處理，常開門處外界氣體會滲入，并稀釋室內(nèi)的污染環(huán)境。研究采用CFD技術(shù)進行氣體的遷移仿真模擬，脫水機房的控制方程如下所示。

(7)

在式(7)中，φ表示通用變量，Γφ為廣義擴散系數(shù)。與此同時，這次研究考慮到惡臭污染氣體有質(zhì)傳遞，因而將組分守恒定律納入，用Γl表示單位容積下組分l的產(chǎn)生率，則有下述關(guān)系式。

(8)

根據(jù)Fluent提供的湍流模型特點，此次研究選擇k-ε雙方程湍流模型，并作一定的簡化假設(shè)。一是機房的邊界參數(shù)為定常數(shù)，邊界條件均勻；二是室內(nèi)密封良好，空氣為不可壓縮理想氣體；三是室內(nèi)壁面為無滑移絕熱壁面。機房邊界有門、料斗口、進風口、排風口，根氣流逸散特點和脫水機房邊界類型確定邊界條件。設(shè)模擬過程中門處于開啟狀態(tài)，由圖1可知，門距離排風口和料斗口較遠，且門的尺寸較脫水機房偏小，因而門處采用壓力進邊界，參考壓力0 Pa；料斗口采用質(zhì)量流進邊界；排風口處負壓值經(jīng)壓力表測得，并采用速度進邊界。需要注意的是，F(xiàn)luent只能識別質(zhì)量分數(shù)，因此在實際模擬操作中需要將體積分數(shù)轉(zhuǎn)換為質(zhì)量分數(shù)。研究選擇六面體網(wǎng)絡作為模型計算域，根據(jù)模擬發(fā)現(xiàn)，當網(wǎng)格數(shù)量達到500萬時，計算結(jié)果趨于穩(wěn)定，機房門處的風速和溫度趨于穩(wěn)定，由此可以確定，網(wǎng)絡劃分數(shù)量為500萬。

2 基于不同氣流組織的遷移仿真模擬設(shè)計

2.1 通風系統(tǒng)的氣流組織形式

在污水處理廠的除臭系統(tǒng)中，惡臭氣體的處理分為三個環(huán)節(jié)，分別是臭源密閉收集、惡臭污染輸送集中、惡臭末端治理。目前的惡臭末端治理方法主要是生化處理法，這種方法也是大部分污水處理廠所采用的除臭系統(tǒng)核心技術(shù)[11]。污泥脫水機房不僅是惡臭污染物的源頭，同時也是室內(nèi)空間。因此在針對脫水機房進行惡臭污染治理時，不僅可以從除臭系統(tǒng)方面入手，而且可以對室內(nèi)的送風系統(tǒng)進行優(yōu)化。室內(nèi)惡臭污染濃度的影響因素十分復雜，有研究表明，通風系統(tǒng)的濕度、溫度、排風量對室內(nèi)惡臭污染濃度均有影響，且溫度和排風量的交叉因素對惡臭污染濃度的影響最為顯著[12]。除此之外，在不同的氣流組織形式下，通風系統(tǒng)的惡臭氣體處理效率不同。

室內(nèi)空間的通風系統(tǒng)由兩個部分組成，分別是送風口和排風口。在實際工程中，常規(guī)的氣流組織形式可以分為三大類型，分別是上送上回、上送下回、下送上回。圖2為上送上回的氣流組織形式，它的氣流流動方式是由上向下、再向上。根據(jù)送風和排風的位置差異，這種氣流組織形式又可以分為異側(cè)上送上回、側(cè)送頂回、同側(cè)上送上回。雖然這種形式的工程投資少、施工簡單，但是在這種形式下，污染物無法有效排到室外。因此這次研究不采用上送上回的氣流組織形式。

圖2 上送上回的氣流組織形式Fig.2 Air distribution form of up feed and upper return

圖3為上送下回的氣流組織形式，這種方法常見于空調(diào)送風系統(tǒng)中。根據(jù)送風位置和方式的不同，可以分為側(cè)送側(cè)回、上送側(cè)回、孔板送側(cè)回。在這種方式下，送入的新鮮氣流由上向下進行運動，對室內(nèi)空氣進行充分混合，從而實現(xiàn)室內(nèi)污染空氣的有效稀釋。這種氣流組織形式不僅可以避免局部污染過重，而且能有效排出污染氣體，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。

圖3 上送下回的氣流組織形式Fig.3 Air distribution form of up feed and down return

圖4為下送上回的氣流組織形式，這種送風形式又可以細分為異側(cè)置換送風、地板送風、同側(cè)置換送風。地板送風是指將地面架空，在地板下部布置送風管或送風靜壓箱，從而將空氣通過若干個地板送風口送入室內(nèi)。當送風口布置均勻，且風速小于2m/s時，就會形成置換通風模式。而置換送風則是將空氣由側(cè)方送入室內(nèi)，并利用送入空氣和室內(nèi)空氣之間的溫度差，將室內(nèi)空氣由下向上推到室外。下送上回的方式，會使送入空氣和室內(nèi)空氣之間形成的分界面。在分界面以上的空氣中，污染物濃度高；在分界面以下的空氣中，污染物濃度低。因此這種方式有利于改善室內(nèi)工作區(qū)環(huán)境。采用這種形式時需要注意，當送風速度過大或氣流分布不勻時，都有可能破壞上、下熱力分層，使得上部污染空氣卷吸到下部環(huán)境中，影響置換通風的效果。

圖4 下送上回的氣流組織形式Fig.4 Air distribution form of downward feeding and upper return

除了上述常規(guī)的三種送風形式，還有中部送風、立體送風等非常規(guī)送風形式。中部送風主要應用于機場、車站等空間中，中部立體孔板送風的形式在污水廠的離子除臭中也有相關(guān)的應用[13]。除此之外，混合通風也是送風形式的一個研究方向。

2.2 惡臭污染物的遷移仿真模擬設(shè)計及評價

通風系統(tǒng)的性能決定了室內(nèi)空氣的質(zhì)量。通風不當一般是由兩方面的原因所造成，一是送風量不足，二是送風方式不合理。送風量與通風系統(tǒng)的運行效益直接相關(guān)，在保證通風系統(tǒng)經(jīng)濟效益的前提下，可以通過優(yōu)化送風方式來改善通風效果。接下來將在圖5所示的脫水機房模型基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的氣流組織形式，設(shè)計送風口和排風口的位置，以此進行遷移仿真模擬。研究設(shè)計了三種排風形式和三種送風形式，分別如圖5(a)、(b)所示。

圖5 脫水機房的送、排風口位置設(shè)計Fig.5 Design of air supply and exhaust outlets and measuring points of dewatering machine room

排風形式包括側(cè)上排、側(cè)中排(原位置)、側(cè)下排，送風形式包括側(cè)上送、側(cè)下送、豎管立體送?？紤]到新風送風量過大，容易造成室內(nèi)氣流擾動過大，研究將送風量設(shè)置為排風量的0.5倍，即排風量為10 808m3/h、送風量為5 180m3/h，共得到8種工況，如表2所示。其中工況1為原始工況，作為空白對照組。

表2 各個工況下的邊界參數(shù)Tab.2 Boundary parameters under various working conditions (m3/h)

通風系統(tǒng)評價指標主要有通風效率、換氣效率、溫度效率、排污效率等，這些指標是從整體上對房間的污染物去除效果及熱負荷進行評價。這次研究從氣流組織形式的角度，對送風方式進行優(yōu)化，因此選擇排污效率和局部污染物濃度作為通風效果的評價指標。排污效率εe與送風口污染物濃度φS、排風口污染物濃度φR、室內(nèi)環(huán)境污染物平均濃度有關(guān)φe。通風系統(tǒng)的排污效率越大，說明通風系統(tǒng)的除臭效果越好。通過式(9)可以得到通風系統(tǒng)的排污效率。

(9)

在這次遷移仿真模擬中，設(shè)置送風系統(tǒng)為全新風運行，即送風口污染物濃度為0。因此可以作式(10)所示的簡化。

(10)

盡管在氣流組織作用下，料斗口處污泥散發(fā)的惡臭物質(zhì)會加速逸散，且吸風量越大、距排風口越近，其散發(fā)量越大。但考慮到這次研究的料斗口尺寸較小，故將料斗口處惡臭污染物視為均勻逸散。以局部污染物濃度進行評價的主要目的是保證工作區(qū)域的空氣環(huán)境，因此在距地面1.5m處進行測點布置，如圖6所示。

圖6 局部污染物濃度測點布置Fig.6 Layout of local pollutant concentration measuring points

3 不同氣流組織下惡臭污染物的遷移仿真結(jié)果分析

3.1 不同氣流組織形式對排污效率的影響分析

在確定送排風量的條件下，工況2～8反映了排風形式和送風形式對通風除臭效果的影響。表3為不同氣流組織形式下的排污效率模擬統(tǒng)計結(jié)果。觀察統(tǒng)計結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在側(cè)面送風的條件下(工況2～5)，側(cè)中排風的排污效果明顯優(yōu)于側(cè)上排風或側(cè)下排風；在立體送風的條件下(工況6～8)，排污效率由大到小分別是側(cè)中排風>側(cè)下排風>側(cè)上排風。具體而言，立體送風、側(cè)中排風的排污效率最高，達到5.09；側(cè)下送風、側(cè)上排風的排污效率最低，僅有1.34。

表3 不同氣流組織形式下的排污效率模擬統(tǒng)計結(jié)果Tab.3 Statistical results of sewage discharge efficiency under different air distribution forms

圖7為工況2～8的送風口截面上風速及流線圖。從工況2到工況5可以看出，當送風量相同時，送風口的最大風速達到2.7m/s，在5m后風速降低至0.2m/s；從流線情況來看，新風進入室內(nèi)空間后，直接自排風口排風，從而造成氣流短路的情況，并遏制了惡臭污染氣體的排放。從工況6和工況7來看，室內(nèi)平均風速為0.4m/s，立體送風的形式帶來了較大的氣流擾動，同時側(cè)中排風或側(cè)下排風更靠近料斗口，即室內(nèi)惡臭源，這兩種氣流形式下的排污效率更好。與之相對，工況8盡管采用立體送風，但其排風口距離料斗口較遠，擾動氣流進一步降低了排放效率。

圖7 工況2～8的送風口截面上風速及流線圖Fig.7 Wind speed and streamline of air supply outlet section under working conditions 2～8

3.2 不同氣流組織稀釋局部惡臭濃度的結(jié)果分析

圖8為1.5m呼吸高度下機房室內(nèi)的NH3體積分數(shù)分布情況。從圖中可以看出，工況6的惡臭濃度最低，NH3平均體積分數(shù)為1.16×10-7；在7種工況中，工況3和工況8的局部惡臭濃度明顯更好。這一結(jié)果與3.1相吻合。

圖8 不同氣流組織下室內(nèi)惡臭濃度遷移仿真結(jié)果(Z=1.5m)Fig.8 Simulation results of indoor odor concentration migration under different air distribution (z = 1.5m)

研究將1.5m水平區(qū)域視為呼吸高度，將2m以下視為工作區(qū)域，圖9為不同氣流組織在呼吸高度下和工作區(qū)域內(nèi)的局部污染物平均濃度。測點分布如圖6所示。圖9(a)為Z=1.5m時各工況在不同測點的惡臭濃度，可以看出工況6和工況7在各測點的惡臭濃度水平較低；測點1、2的NH3體積分數(shù)相對較高，測點3、4、5的NH3體積分數(shù)相對較低。圖9(b)為Z=2m時各工況在不同測點的惡臭濃度，這一結(jié)果與(a)一致，工況6的排污效率最高，NH3平均體積分數(shù)為0.56×10-7；工況3的排污效率最低，NH3平均體積分數(shù)為3.20×10-7。根據(jù)結(jié)果分析，測點1、2位于料斗口附近，因此這兩處的局部污染物濃度偏高；測點4、5位于門口，因此這兩處的局部污染物濃度偏低；整體來看，立體送側(cè)中排的氣流組織形式具有更好的排污效果。

圖9 不同氣流組織對局部污染物濃度的處理效果Fig.9 Treatment effect of different air distribution on local pollutant concentration

綜上所述，在進行室內(nèi)送排風設(shè)計時，不僅需要考慮到排風口與室內(nèi)污染源的距離，還需要考慮到室內(nèi)氣流擾動等。因此在立體送風、側(cè)中排風的情況下，室內(nèi)惡臭污染物的排出效率最高。

4 結(jié) 論

惡臭污染的泄露和逸散對城市污水處理廠造成了極大的工作負擔，因此解決惡臭污染問題迫在眉睫。在這里以污泥脫水機房為例，提出以不同的氣流組織形式，改善脫水機房通風系統(tǒng)的排污效果。通過對惡臭污染物在室內(nèi)空氣中遷移過程的仿真模擬，對不同氣流組織形式下的通風效果進行評價。研究結(jié)果表明，立體送側(cè)中排的排污效率達到5.09，排污效果最好；側(cè)下送側(cè)上排的排污效率僅有1.34，排污效果最差。在立體送側(cè)中排的氣流組織形式下，1.5m環(huán)境下的局部污染物濃度為1.16×10-7，在2m工作區(qū)域內(nèi)的局部污染物濃度為0.56×10-7，其排污效果最好。這次研究定量地分析了氣流組織形式對惡臭污染環(huán)境遷移的影響，為改善地埋式污水廠的通風系統(tǒng)提供了新思路。但此次研究仍舊存在不足之處，此后研究還將在風量與排污效率的影響上進一步深入。