張明亮 周文和 王佳 沈浩 史成波 滕峰

（1 蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 甘肅蘭州 730070 2 中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司 湖北武漢 430010）

0 引言

隨著社會的發(fā)展及人民生活水平的改善，污水處理廠逐漸增加，其產(chǎn)物含臭氣體通常經(jīng)排放塔高空排出，利用擴散稀釋及大氣的自潔能力將地面濃度控制在可接受的范圍內(nèi)，其效果取決于含臭氣體初始濃度、排放塔結(jié)構(gòu)及當(dāng)?shù)貧庀髼l件。因此，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件，合理設(shè)計排放塔高度等結(jié)構(gòu)及排放參數(shù)，對保障周邊環(huán)境的生活質(zhì)量及居民健康具有深遠的現(xiàn)實意義。

浮杰［1］就煙氣煙羽抬升高度和傳統(tǒng)排煙方式進行對比，并分析了“煙塔合一”技術(shù)對塔內(nèi)流場的影響。盧權(quán)等［2］利用數(shù)值方法，對某電廠鍋爐尾部煙道流場進行了模擬分析，并對原方案進行了優(yōu)化改造。鄧斌等［3］通過分析煙羽形成及消散原理，借助CFD 技術(shù)分析了影響煙氣與大氣混合的因素。陳逸鵬等［4］以在大氣中擴散的混合氣流為研究對象，通過CFD 對不同工況下的煙羽擴散進行模擬分析，并通過模擬與實測數(shù)據(jù)對比，驗證了模擬結(jié)果的合理性。

可以看出，借助CFD 技術(shù)完成煙囪等構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)的驗證和優(yōu)化方面不乏應(yīng)用案例及成果，但在污水廠生物臭氣排放擴散分析方面的應(yīng)用亟待彌補。基于質(zhì)量守恒方程、動量方程以及RNG k-ε 模型方程等CFD 技術(shù)，本文以陳江街道辦二號地下污水處理廠生物臭氣排放塔為例，運用Fluent 等軟件，對含臭氣體排放塔結(jié)構(gòu)參數(shù)與排放塔周圍環(huán)境臭氣濃度的影響關(guān)系進行分析，以期驗證和優(yōu)化本文含臭氣體煙羽擴散合理的排放塔結(jié)構(gòu)參數(shù)初設(shè)方案，為不同工況相同問題的解決提供借鑒。

1 工程背景

陳江街道辦二號地下污水處理廠位于廣東省惠州市仲愷高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，是惠州市首座全地埋式生態(tài)型污水處理廠，日處理規(guī)模為10 萬m3/d。污水處理過程中產(chǎn)生、散發(fā)的含臭氣體經(jīng)排風(fēng)口收集、風(fēng)管匯集，再經(jīng)生物除臭裝置處理后從排放塔排出，其除臭、排放工藝流程如圖1 所示。排放塔初設(shè)方案及相關(guān)參數(shù)具體取值如表1 所示。

圖1 生物除臭工藝流程

表1 項目初設(shè)方案

2 數(shù)值模型

為了數(shù)值驗證和優(yōu)化本文地下污水廠含臭氣體排放塔初設(shè)方案，相關(guān)CFD 模擬技術(shù)的物理模型，數(shù)值模型、方法及邊界條件簡述如下。

2.1 三維建模及網(wǎng)格劃分

為保證計算域內(nèi)排放塔排出臭氣的流動擴散能夠充分發(fā)展，本文沿環(huán)境空氣風(fēng)向選取計算域尺寸為135 m×45 m×90 m，借助Gambit 軟件建立全尺寸三維物理模型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對區(qū)域進行離散，并對臭氣排放塔排氣口區(qū)域網(wǎng)格進行了局部加密以提升模擬結(jié)果的精確度，物理模型如圖2 所示。

圖2 物理模型

為了獲得網(wǎng)格數(shù)量與計算結(jié)果間的關(guān)系，確定合理的網(wǎng)格數(shù)量，本文區(qū)域離散分別采用不同數(shù)量的多套網(wǎng)格，并相應(yīng)計算了區(qū)域內(nèi)臭氣擴散的速度場，4 套網(wǎng)格系統(tǒng)在塔口縱向中心面（x=0 平面）均勻分布的10 個風(fēng)速測點的風(fēng)速見圖3。通過對比分析可知：在網(wǎng)格數(shù)量為60 W 和100 W 時，測點速度波動較大，而在網(wǎng)格數(shù)量150 W 和200 W 條件下，測點速度誤差在允許范圍內(nèi)，表明已滿足網(wǎng)格數(shù)量與計算結(jié)果的獨立性；鑒于模擬時間等多方面因素考慮，最終選取數(shù)量為150 W 的網(wǎng)格系統(tǒng)進行后續(xù)模擬分析。

圖3 網(wǎng)格獨立性驗證

2.2 數(shù)值模型、方法及邊界條件

數(shù)值模型包括連續(xù)性方程、動量方程以及RNG k-ε 模型方程，具體邊界參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 邊界類型設(shè)置

3 結(jié)果及分析

本文依據(jù)設(shè)計單位給定的參數(shù)和除臭工藝調(diào)控要求，通過改變環(huán)境參數(shù)、臭氣排放塔高度和排放參數(shù)，設(shè)置以表3 所示8 種不同工況，并基于此得到污水廠含臭氣體排放塔結(jié)構(gòu)及其臭氣擴散關(guān)系。

表3 工況參數(shù)設(shè)置

3.1 溫度的影響

為了得到不同環(huán)境溫度及臭氣溫度的影響作用，本文分別對工況1、工況2 和工況4 條件下含臭氣體排放塔排放及擴散情況進行了數(shù)值計算和分析，選取臭氣中組分含量較大的NH3擴散情況進行計算，結(jié)果如圖4 所示。從圖4（a）和（b）可以看出，環(huán)境溫度對臭氣擴散影響較小，在臭氣溫度同為40 ℃時，工況1、工況2 下臭氣抬升高度和擴散距離分別為30 m 和48 m 左右。而含臭氣體排放溫度對臭氣擴散影響較大，環(huán)境溫度均為22 ℃時，工況4 條件下雖臭氣抬升高度較工況1 相差不大，但其最大擴散距離超過100 m，較工況1 遠。該現(xiàn)象是由于環(huán)境溫度與臭氣排放溫度溫差較小，因此排出的臭氣通過熱濕交換達到大氣狀態(tài)的時間將會增加，相應(yīng)擴散范圍也就越遠，將不利于臭氣的擴散。在本文排放塔臭氣入口濃度及大氣和臭氣排放溫度條件下，NH3地面濃度均滿足設(shè)計最初規(guī)劃“1 m～500 m 范圍內(nèi)對高度為0 m～2 m 內(nèi)的行人無影響，對370 m～500 m 范圍內(nèi)的文化設(shè)施建筑物無影響”，且落地最大污染物含量滿足規(guī)范［5］要求。

圖4 溫度的影響關(guān)系

3.2 氣流速度的影響

為了得到不同環(huán)境速度及臭氣速度的影響，本文對工況1、工況3 和工況5 條件下含臭氣體排放塔排放及擴散情況進行了數(shù)值計算和分析，結(jié)果如圖5 所示?？梢钥闯?，環(huán)境大氣風(fēng)向和流速對臭氣擴散影響很大，大氣流速增大將明顯降低臭氣抬升高度，但臭氣的擴散范圍也相應(yīng)增大。在臭氣排放速度同為10 m/s 時，工況1 下臭氣抬升高度為30 m，工況3 臭氣抬升高度為15 m，擴散距離超過100 m。同樣，臭氣排放速度對臭氣擴散影響也很大，在環(huán)境速度同為3 m/s 時，工況5條件下，通過增加臭氣排放速度至15 m/s，臭氣抬升高度相應(yīng)增大到40 m，臭氣落在地面的濃度將更小，更有利于臭氣的擴散。本文排放塔臭氣入口濃度及大氣和臭氣排放速度條件下，NH3地面濃度均滿足設(shè)計最初規(guī)劃“1 m～500 m 范圍內(nèi)對高度為0 m～2 m 內(nèi)的行人無影響，對370 m～500 m 范圍內(nèi)的文化設(shè)施建筑物無影響”，且落地最大污染物含量滿足規(guī)范［5］要求。

圖5 速度的影響關(guān)系

3.3 塔高的影響

為了得到排放塔高度，本文分別對工況6、工況7 和工況8 條件下含臭氣體排放塔排放及擴散情況進行了數(shù)值計算和分析，結(jié)果如圖6 所示。結(jié)合圖5（c）可以看出，經(jīng)過生物除臭工藝排放出的臭氣，在設(shè)置一定高度排放塔有組織排放時，即塔高分別為15 m、10 m、5 m 條件下，臭氣抬升高度均為40 m左右，且相應(yīng)臭氣擴散距離在40 m～50 m 范圍內(nèi)，均滿足設(shè)計最初規(guī)劃 “1 m～500 m 范圍內(nèi)對高度為0 m～2 m 內(nèi)的行人無影響，對370 m～500 m 范圍內(nèi)的文化設(shè)施建筑物無影響”，且落地最大污染物含量滿足規(guī)范［5］要求。當(dāng)塔高為0 m，即臭氣無組織排放條件時，臭氣擴散將會對“1 m～500 m 范圍內(nèi)高度為0 m～2 m 內(nèi)”的行人產(chǎn)生影響見圖6（c）。綜合對建筑成本等多方面的考慮，本文選取排放塔高度為5 m 的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為最優(yōu)方案。

圖6 塔高的影響關(guān)系

4 結(jié)論

隨著城鎮(zhèn)化的推進，地下污水處理廠不斷增加，其含臭氣體產(chǎn)物的處理和排放效果至關(guān)重要。本文通過對陳江街道辦二號地下污水處理廠不同工況含臭氣體排放塔排放方案及效果進行數(shù)值計算和分析，得出以下結(jié)論。

（1）臭氣排放溫度和速度、環(huán)境大氣流速對臭氣擴散影響相對較大。在滿足排放要求基礎(chǔ)上，本文工況條件下建議排放塔高度為5 m。

（2）借助CFD 技術(shù)對污水處理廠含臭氣體排放塔結(jié)構(gòu)設(shè)計進行驗證和優(yōu)化有效可行。