鞠慶玲

(西原環(huán)保<上海>股份有限公司,上海 201204)

隨著城鎮(zhèn)化進程加速,污水收集與處理率顯著增加,污水處理生化池中產生的臭氣問題也日益突出[1-2]。雖然臭氣處理技術較為成熟(包括生物處理法、吸附法、化學吸收法、熱力學法等)[3-4],但收集系統(tǒng)還存在管道布設不規(guī)范、臭氣收集效率不高、臭氣外溢等問題。除臭效果低不僅會導致工程建設和運維管理成本增高[4-5],還會引起污水處理設備腐蝕等一系列問題。因此,臭氣收集系統(tǒng)的氣流組織設計優(yōu)化將是污水處理廠設計中的一個新重點。

計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)是進行傳熱、傳質、動量傳遞及多相流研究的核心與重要技術[6],已在多行業(yè)實現了應用,如加熱通風和空調、航空航天、車輛空氣動力和建筑設計。CFD可預測流量及壓力變化、噪聲生成及溫度變化[7],是一款能夠良好模擬高、大空間建筑室內通風系統(tǒng)運行時形成的溫度場、濕度場、壓力和速度場等空氣流場的軟件。在污水處理廠除臭設備中,利用CFD模擬計算、調整通風口位置及尺寸,并以流線的形式展示出室內氣流組織的分布情況[8],進而直觀地發(fā)現通風系統(tǒng)設計的不足之處,進行提前修正,在源頭上就降低了設計、建設和運維的成本[9]。

在污水處理廠除臭工程中,仍延續(xù)著利用廣泛分布的吸風口實現臭氣收集功能的設計習慣?？紤]到氣體收集與污水處理工藝流程、構筑物結構和布局之間的功能協(xié)調性,這種方法很難高效實現臭氣的收集,同時,也可能產生工程改造過程艱難、工程造價過高等問題。研究CFD在污水處理廠除臭工程中的應用,有助于完善污水處理系統(tǒng)的工藝設計方法。

香港最大污水處理廠——昂船洲污水處理廠(處理規(guī)模為176萬m3/d)的除臭工程中,本研究團隊已嘗試利用CFD對臭氣收集的流態(tài)進行模擬,并成功優(yōu)化了管道布局和補風位置,極大程度地減少了外部收集管道的布設。這使得臭氣收集管道設計簡潔且精準、氣體流場分布均勻、空氣流動阻力小。該除臭工程中臭氣收集量為10萬m3/h,除臭效率達到99%,污水處理廠硫化氫質量濃度維持在不高于0.2 mg/m3的水平,最大程度地避免了污水處理廠臭氣對居民的生活影響。

本文以某50萬m3/d生活污水處理廠的除臭工程管道優(yōu)化工程為研究對象,利用CFD模擬好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)的氣流組織,詳細分析模型應用過程數據,并總結CFD在污水處理廠臭氣收集系統(tǒng)設計中的應用價值。

1 模擬對象

本研究模擬對象為一組生物反應池,工藝采用厭氧-缺氧-好氧(AAO)水處理工藝,厭氧區(qū)面積為1 092 m2,缺氧區(qū)面積為3 318 m2,好氧區(qū)面積為6 174 m2,曝氣量為33 375 m3/h。研究時,生化池的現狀補風口與除臭風管的布置如圖1所示。本研究除臭風量計算、水處理工藝的漏風點及漏風量估算、補風點設置、抽風點負壓設置情況如表1所示。

表1 生化池臭氣收集工藝計算Tab.1 Calculation of Odor Collection Process in Biochemical Pool

圖1 生化池補風口與除臭風管布置Fig.1 Air-Supplement Vent and Deodorization Pipes on Biochemical Pool

2 數學模型和控制方程

CFD建模常見的商業(yè)軟件包括Ansys-Fluent、Ansys-CFX、Phoenics、CFD2000 和Star-CFD[10]。控制方程包括質量守恒、動量守恒和能量守恒[11]。在進行模擬時,優(yōu)化目標的第一步是“定義和假設”以簡化模擬,第二步是準備系統(tǒng)的“幾何模型”分析流體行為。系統(tǒng)的幾何模型準備完成后,網格生成將模型細分為n數口袋。網格生成是設置單元格區(qū)和邊界條件的必要條件,以便解算器能夠運行,從而預測系統(tǒng)中每個點之間的流量條件。

模型根據Revit模型以及計算機輔助設計(CAD)平面圖紙在CAD軟件以及scStream前處理Preprocessor中進行幾何模型建立,并進行網格劃分以及相關邊界條件設置。

2.1 網格劃分與求解計算

網格劃分的質量或者體網格的總數會影響結果的收斂情況,對計算結果的真實性產生較大影響[12-13]。目前,scStream前處理Preprocessor網格主要以結構化六面體網格為主,故本研究模型結構規(guī)整以六面體網格進行劃分。

本研究對象計算空間相對風口較大,因此,局部加密風口處的網格,最小網格尺寸為5 mm,最小離子風管的單個風孔在8個網格左右。模型總網格數量為3 000多萬個,如圖2所示。

圖2 工藝間的整體、墻壁及管路的網格劃分Fig.2 Grids Division of Whole Process Room, Walls and Pipelines

使用scStream求解器Solver進行計算模擬[14],計算使用的電腦為24核并行小型服務器,計算迭代步長為1 000步,收斂曲線總體達到較為平穩(wěn)狀態(tài),計算時間為28 h。

2.2 CFD控制方程

基于質量保護原則的方程稱為連續(xù)性方程[15-17]。對于任何流體的連續(xù)流動,它必須滿足連續(xù)性方程。本次氣流組織模擬采用黏性不可壓縮Navier-Stokes的方程,流體域的連續(xù)和動量相關方程如式(1)～式(3)。本研究中的臭氣收集過程是強制對流,因此,忽略能量方程和濕度擴散。

(1)

(2)

μeff=μ+μt

(3)

其中:u——速度,m/s;

ρ——為密度,mg/m3;

t——時間,s;

P——壓力,Pa;

μeff——有效湍流黏性系數,Pa/s;

μ——黏性系數,Pa/s;

μt——湍流附加黏性系數,Pa/s。

2.3 湍流模型

CFD中提供不同的湍流模型,以模擬生化池中氣體的機械混合,如標準k-ε模型、RNGk-ε模型、可實現的k-ε模型、SSTk-ε模型和雷諾茲應力模型[18]。標準k-ε模型是由Launder等[19]提出,模型本身具有的穩(wěn)定性、經濟性、較高的計算精度使之成為湍流模型中應用范圍最廣,也最為人熟知的一個模型[20]。因此,本研究湍流模型采用標準k-ε模型,通過求解湍流動能k和湍流耗散率ε方程,得到k和ε的解,然后再用k和ε的值計算湍流黏度,最終通過Boussinesq假設得到雷諾應力的解。

3 模擬與修正

3.1 模擬結果與討論

本研究選取高程Z1=8.60 m(水面以上較低處)、Z2=9.78 m(吸風口截面)和Z3=10.16 m(靠近補風口并遠離水位)。多方向選取截面,對各高度的水平面進行CFD仿真風場分析,以利于更好地觀察風場氣流的分布情況。

由圖3可知,當Z1=8.60 m時,厭氧區(qū)和好氧區(qū)內的風場較為均勻,但流速隨通道口方向距離增加而增加。兩者之間的通道口(區(qū)域 ①紅色框內)流速最大可達0.43 m/s。通風口較小,入風口風速增加,整體空間風量分布不均,進而造成污水處理廠的除臭效率較低[21]。此外,平面矢量圖如圖4所示,通風口下方的氣流速度相對較大,最大可達0.2 m/s,而遠離補風口位置的氣流流速較小,通風效果不斷減弱,導致存在較大的死角[22]。模擬結果表明,生化池內的氣流動力學受垂直氣體羽流和水平流相互競爭的控制[23]。因此,在沒有水平氣流體運動的情況下,擴散器釋放的氣體羽流之間的相互作用產生垂直的、巨大的氣流循環(huán),即螺旋流,產生低氣體阻塞[24]。建議將此通風口徑增大,或將開口下移,或在區(qū)域 ②黃色部分內增設通風口,預期可以很好地降低氣體運動過程的速度降,氣體流場更加均勻。通風口的尺寸和位置的修正參數,同樣也可以先通過CFD驗證后再進行實際工程建設。

圖3 平面氣流云(Z1=8.60 m)Fig.3 Plane Airflow Cloud (Z1=8.60 m)

圖4 平面氣流矢量圖(Z1=8.60 m)Fig.4 Vector Diagram of Plane Airflow(Z1=8.60 m)

對Z2=9.78 m處內墻通氣孔處的氣流進行模擬,平面氣流矢量圖(圖5)結果顯示,風管內風速較大,最大風速為2.76 m/s,而風管外區(qū)域風速較小,為1 m/s。同樣,在缺氧區(qū)和好氧區(qū)的墻壁通風口附近風速較大,分布極不均勻?，F實中,污水處理廠缺氧與好氧區(qū)之前的墻壁通風口只有一排,這是該處風速增大,氣場分布不均的主要原因。然而,污水處理工藝設計與氣體收集處理工藝設計通常并不統(tǒng)一考慮,所以,通氣口的尺寸以及其對流場的影響未在常規(guī)生化池設計工作中得到足夠的重視。因此,將CFD加入污水處理廠生化池的設計中,對于生化池加蓋臭氣收集很有必要且意義重大。本案例中,建議內墻在Z軸方向上多開設幾個通風口,以減緩氣流速度,均勻氣流場。同樣,Z軸方向通風口的位置、尺寸也需要在CFD中驗證后再進行實際工程建設。

圖5 平面氣流矢量圖(Z2=9.78 m)Fig.5 Vector Diagram of Plane Airflow(Z2=9.78 m)

如圖5所示(黃色框內區(qū)域 ②),由于氣流組織的影響,箭頭指向的管道口風速最大,沿著X軸負方向,管道風口的風量逐漸減小,是風管通風不均勻的體現,建議改善厭氧區(qū)和好氧區(qū)的墻壁通風口的布置。風場速度分布不均勻,將導致吸風口的吸風主要集中在黃框內的吸風口。因此,建議修改缺氧區(qū)和好氧區(qū)的通風口。

Z3=10.16 m處的平面氣流云(圖6)顯示好氧區(qū)和厭氧區(qū)通道內速度分布不均勻。由于氣流組織造成吸風口的吸風主要集中區(qū)域 ②紅色箭頭處,區(qū)域 ①黃色箭頭處吸風不明顯。通風口(區(qū)域 ③紅色框線處)并沒有引起太大的氣流不均勻性。因此,建議改進好氧區(qū)和缺氧區(qū)通道。

圖6 平面氣流云(Z3=10.16 m)Fig.6 Plane Airflow Cloud (Z3=10.16 m)

3.2 模型修正

不同高度氣體流程的模擬分析結果表明,傳統(tǒng)污水處理工藝設計在氣體收集流場方面的內容缺失。利用CFD對生化池收集氣場的模擬,符合生化池臭氣收集工程設計的現實需求,可以根據可視化模型圖,總結修正方案,使工程方案設計更加具有針對性。

本研究中,根據不同Z軸方向的氣流模擬分析,本研究對修正后的氣流分布再次進行模擬,如圖7所示。在Z1=8.60 m、Z2=9.78 m和Z3=10.16 m的氣流速度場相比修正之前有明顯變化,整體來看氣流分布較為均勻,尤其是在通風口的高強氣流速度下降,厭氧室的氣體分布越加均勻,風速也逐漸平穩(wěn)。此外,氣體可以送到室內各個角落且能夠讓新風更加均勻地送出,有效地改善室內渦流現象,降低除臭氣體總量。

圖7 修正后的不同高度平氣流矢量圖Fig.7 Revised Vector Diagram of Flat Airflow at Different Heights

4 結論與建議

根據CFD研究結果及香港昂船洲污水處理廠的工程應用經驗,對于整體密封的污水處理池,本研究建議通過池內液面上空間聯(lián)通的方式使氣相相連,進行臭氣收集,并且總結出以下建議。

(1)收集方式。充分利用原工藝上原有的“風源”進行臭氣輸送。比如,將好氧區(qū)的曝氣和有組織的補風作為風源。好氧區(qū)產生的臭氣以大風量、較高流速在連通的氣相空間以掃過的方式單向流動,所有臭氣均從厭/缺氧區(qū)收集。臭氣收集方向和污水流方向相逆,臭氣由低濃度區(qū)域向高濃度區(qū)域流動,使生化池除臭收集區(qū)的實際換風量增大,風速變大,濃度降低,臭氣的收集和處理效率都得到了提高。此外,池內氣相負壓方面,好氧區(qū)出水部位最小,污水入池的首個厭氧區(qū)負壓最大。如此,大大增加了“厭/缺氧區(qū)”換氣次數,從而降低了池內的爆炸和毒性風險,也減緩了臭氣對收集管道的腐蝕。

(2)收集效率。傳統(tǒng)設計中會在收集系統(tǒng)中布置較多的吸風口,這可能會在遠端的角落形成死角,導致臭氣聚集而得不到收集,存在爆炸和毒性的危險,也會加重對池壁的腐蝕。本研究對池內設計的收集方式是掃過的流場,可以帶走全部的污染物。而且利用CFD模擬,優(yōu)化流場分布,可以減少整體的除臭風量,可較大幅度減少風管工程量,同時也提高了臭氣收集效率。

(3)結構設計。對于生化池上方加蓋的密封,需盡量封死,并根據CFD模擬結果,在合理位置進行有序單向補風。建議采用壓力可調節(jié)的余壓閥進行單向補風,以確保較高的臭氣收集效率。

(4)投資費用。本研究的臭氣收集方式,實際意義是利用好氧池的低濃度氣體掃過“厭/缺氧區(qū)”并帶走臭氣物質,如控制得當,可以減少甚至取消“厭/缺氧區(qū)”的臭氣計算風量,從而減小除臭系統(tǒng)的規(guī)模,節(jié)省投資和運行費用。

(5)節(jié)能降耗。按照本研究提出的臭氣收集方式,可以省去池頂諸多的收集風管,且整個收集系統(tǒng)的流速遠低于風管內的流速,從而降低了收集系統(tǒng)的阻力,整個除臭系統(tǒng)更節(jié)能。