周 斌，胡 聰，林莉峰

[1.上海城投污水處理有限公司，上海市 201203；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

但實(shí)際往往由于收集系統(tǒng)不完善造成除臭效果有限，整個(gè)除臭工程仍未發(fā)揮出應(yīng)有的效益[1]。因此我們要更加重視臭氣源的收集，而送排風(fēng)管道設(shè)計(jì)是臭氣收集系統(tǒng)的核心。

隨著時(shí)代科技的日新月異，更多的先進(jìn)軟件被用于輔助和指導(dǎo)設(shè)計(jì)。陳思維通過CFD 研究了不同送排風(fēng)量下脫水機(jī)房豎直離子風(fēng)管的通風(fēng)除臭效果[2]。劉洪波運(yùn)用CFD 軟件對(duì)污泥脫水機(jī)房惡臭污染進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明氣流組織對(duì)H2S 擴(kuò)散分布影響較大，可通過CFD 數(shù)值模擬確定最佳的惡臭收集位置，在機(jī)房?jī)?nèi)形成良好的氣流組織，并獲得最佳的惡臭收集效果[3]。

本文以白龍港污泥處理處置二期工程污泥脫水車間為例，引進(jìn)了CFD 虛擬仿真技術(shù)來進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。通過對(duì)初始設(shè)計(jì)中污泥脫水及干化車間的臭氣源強(qiáng)以及除臭送排風(fēng)的氣流組織模擬，找出除臭收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問題，并有針對(duì)性地提出優(yōu)化建議，以滿足現(xiàn)有職業(yè)健康標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。

1 脫水車間送排風(fēng)氣流組織模擬

1.1 軟件和模型

所謂氣流組織形式，是指空氣氣流流動(dòng)受送回風(fēng)口、送風(fēng)速度以及建筑結(jié)構(gòu)影響而形成的不同組織形式的流場(chǎng)。進(jìn)行氣流組織模擬，需要對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行建模。本文研究選用的CFD 模擬軟件為scStream，此軟件為日本公司1984 年首次發(fā)布的，是一款通用的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（直角或圓柱）熱流體分析軟件。sc-Stream 軟件自帶前處理Preprocessor（模型建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件定義）、求解器Solver（求解計(jì)算）、Postprocessor 后處理（計(jì)算數(shù)據(jù)圖像畫、圖形展示、動(dòng)畫制作）等功能集成為一體。scStream 被廣泛應(yīng)用于建筑物的環(huán)境控制分析以及影響環(huán)境的室內(nèi)外空氣以及熱流場(chǎng)分析。

首先，通過CFD 軟件進(jìn)行幾何模型的建立、劃分網(wǎng)格以及定義邊界條件來滿足后期的模擬計(jì)算。模型的建立是根據(jù)設(shè)計(jì)方可以提供的Revit 模型以及CAD 平面圖紙?jiān)贑AD 軟件以及scStream 前處理Preprocessor 中進(jìn)行幾何模型建立。其次，通過CFD軟件來判斷網(wǎng)格是否滿足條件、選定所需要的物理模型、設(shè)置模型的計(jì)算區(qū)域和邊界條件、選定計(jì)算方法，經(jīng)過初始化條件之后開始迭代計(jì)算，將計(jì)算得到的結(jié)果保存以方便后處理。最后通過Postprocessor 后處理軟件進(jìn)行圖像的后處理。

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性有較大影響。如果網(wǎng)格劃分的質(zhì)量差或者網(wǎng)格的總數(shù)較少，計(jì)算結(jié)果往往會(huì)難以收斂或者偏離實(shí)際情況。因此需要在計(jì)算收斂的情況下，盡可能達(dá)到高質(zhì)量的網(wǎng)格水平，以使得后期計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際。

網(wǎng)格的劃分有結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化以及兩種混合的三種類型。由于本文所選的模擬對(duì)象脫水車間近似為規(guī)則的六面體，本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。脫水車間的尺寸為53.9 m（L）×30.8 m（W）×12.0 m（H），圖1 為脫水車間及主要設(shè)備布置示意圖。脫水機(jī)房?jī)?nèi)北側(cè)二層設(shè)備平臺(tái)（標(biāo)高4.2 m）距墻4.5 m 并排布置7臺(tái)離心脫水機(jī)，本研究按7 臺(tái)離心脫水機(jī)同時(shí)運(yùn)行考慮，脫水機(jī)外殼模型尺寸為6.0 m（L）×1.8 m（W）×2.0 m（H）；每臺(tái)離心脫水底部設(shè)置一臺(tái)出泥螺桿泵（標(biāo)高0.0 m），出泥螺桿泵模型尺寸為7.0 m（L）×0.8 m（W）×0.8 m（H）；脫水機(jī)房?jī)?nèi)東南角距墻7.0 m并排布置7 臺(tái)進(jìn)泥螺桿泵（標(biāo)高0.0 m），進(jìn)泥螺桿泵模型尺寸為4.35 m（L）×0.8 m（W）×0.6 m（H）。脫水機(jī)房?jī)?nèi)西南角為低壓配電間和變壓器室。利用scStream 自帶的前處理Preprocessor 對(duì)脫水機(jī)房中的流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了使模擬計(jì)算的結(jié)果更加精確，對(duì)排風(fēng)口和送風(fēng)口處進(jìn)行網(wǎng)格加密化處理，最小網(wǎng)格尺寸為1.3 mm，最小的模型在8 個(gè)網(wǎng)格左右，最終得到的六面體網(wǎng)格總數(shù)量為6 344.822 萬個(gè)（706×430×209），見圖2。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，最終確定得到的網(wǎng)格數(shù)量與模擬結(jié)果沒有相關(guān)性。

圖1 脫水車間平面布置示意圖（單位：mm）

圖2 脫水車間網(wǎng)格圖

1.3 邊界條件

邊界條件一般會(huì)對(duì)數(shù)值計(jì)算產(chǎn)生重要的影響，因而要在合適的位置選擇合適的邊界條件。脫水車間邊界有門、排風(fēng)口和送風(fēng)口。根據(jù)該車間惡臭氣體逸散特點(diǎn)、送風(fēng)形式和邊界條件的物理機(jī)理對(duì)脫水車間的邊界類型進(jìn)行設(shè)定。運(yùn)行過程中，車間大門基本處理開啟狀態(tài)，但門口設(shè)定了風(fēng)幕門，可能當(dāng)作與外界不流通。送風(fēng)口和排風(fēng)口是脫水車間空氣流動(dòng)的動(dòng)力源，均由風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，并且惡臭濃度、空氣流速、溫度、相對(duì)濕度等都是不均勻和變化的。另作以下簡(jiǎn)化假設(shè)：

（1）室內(nèi)的空氣（和臭氣）為不可壓縮理想氣體，密封性良好；

（2）車間墻壁、地面和頂面均為無滑移絕熱壁面。

為了保證臭氣不會(huì)逸散到外部空間造成環(huán)境污染，脫水機(jī)房?jī)?nèi)部應(yīng)保持為微負(fù)壓狀態(tài)，因此排風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量要大于送離子新風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量?，F(xiàn)有脫水車間共設(shè)置了兩組送離子新風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)量均為60 000 m3/h；排風(fēng)系統(tǒng)兩套，風(fēng)量分別為95 000 m3/h 和50 000 m3/h，送、排風(fēng)管道平面布置和立體模型分別見圖3、圖4。圖4 風(fēng)管立體模型中，藍(lán)色部分為離子送風(fēng)管道，紅色部分為臭氣收集排放管道。

圖3 脫水車間送排風(fēng)管道平面圖

圖4 脫水車間送排風(fēng)管道模型圖

污染物的泄露濃度按常見脫水車間的濃度取值并適當(dāng)放大。臭氣濃度為3 000～30 000（無量綱），主要臭氣成分為氨、硫化氫和甲硫醇。極端工況下臭氣濃度可達(dá)50 000（無量綱）以上，甲硫醇濃度預(yù)估為5～10 mg/m。

1.4 控制方程與湍流模型

1.4.1 CFD 控制方程

本次氣流組織模擬采用粘性不可壓縮Navier-Stokes 的方程，流體域的連續(xù)和動(dòng)量方程見式（1）～式（3）：

式中：u 為流體運(yùn)動(dòng)速度，m/s；Ρ 為流體密度，kg/m3；T 為時(shí)間，s；P 為流體壓力，Pa；μeff為流體有效湍流粘性系數(shù)，μeff= μ + μt，μ 為流體動(dòng)力黏度系數(shù)，μt為湍流附加粘性系數(shù)，Pa·s；C 為擴(kuò)散物濃度，無量綱；Dm為擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1；D 為擴(kuò)散物源項(xiàng)，l·s-1。

使用scStream 求解器Solver 進(jìn)行計(jì)算模擬。使用電腦為36 核并行小型服務(wù)器進(jìn)行模擬計(jì)算，收斂曲線總體達(dá)到較為平穩(wěn)狀態(tài)，計(jì)算時(shí)間為28 h 左右。

1.4.2 湍流模型

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型是由Launder 和Spalding 提出，模型本身具有的穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)性和比較高的計(jì)算精度使之成為湍流模型中應(yīng)用范圍最廣、也最為人熟知的一個(gè)模型。標(biāo)準(zhǔn)kε 模型通過求解湍流動(dòng)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(jì)算湍流黏度，最終通過Boussinesq 假設(shè)得到雷諾應(yīng)力的解。

1.5 模擬結(jié)果與分析

1.5.1 送風(fēng)模擬

通過CFD 進(jìn)行虛擬仿真模擬計(jì)算，分別模擬了車間高度（Z 方向）不同高度上車間長(zhǎng)度（X 方向）和車間寬度（Y 方向）的送風(fēng)風(fēng)速流場(chǎng)，見圖5。

圖5 脫水車間不同高度的送風(fēng)風(fēng)速流場(chǎng)

從圖5 中可以看出，送風(fēng)管道在1.5 m 高度處的風(fēng)速流場(chǎng)基本在0～0.5 m/s，送風(fēng)效果不佳，且1.5 m高度基本屬于工作人員的呼吸區(qū)域。從職業(yè)健康角度，需要加強(qiáng)此區(qū)域的離子送風(fēng)。另外一個(gè)值得注意的地方是：從送風(fēng)口中心截面圖（見圖6）可看出，送風(fēng)氣流在送風(fēng)口處最大（超過2 m/s）并隨著遠(yuǎn)離送風(fēng)口而速度迅速衰減，由此可將送風(fēng)口處的形式由普通網(wǎng)格改為球形噴口等提高有效送風(fēng)距離。

圖6 送風(fēng)口中心截面速度云圖

1.5.2 臭氣濃度場(chǎng)模擬

排風(fēng)方面模擬了臭氣泄漏重點(diǎn)區(qū)域的高度流場(chǎng)分布情況，圖7 展示了在Z 軸高度方向上1.5 m、3.6 m、4.5 m、6.7 m、8.5 m 和9.6 m 高度的泄漏濃度分布情況模擬結(jié)果。

圖7 脫水車間不同泄漏高度的濃度場(chǎng)

1.5.3 排風(fēng)模擬

圖8 為Z 軸方向上1.5 m、3.3 m、4.2 m、6.2 m、8.2 m 和9.6 m 高度排風(fēng)風(fēng)速分布情況模擬結(jié)果。

圖8 脫水車間各高度排風(fēng)風(fēng)速流場(chǎng)

從Z 方向各高度的排風(fēng)風(fēng)速分布模擬結(jié)果可以看出，各排風(fēng)橫干管風(fēng)速很高（超過2 m/s），支立管的風(fēng)速基本都很小(小于0.5 m/s)，排風(fēng)立管末端（底部）風(fēng)速基本為零，且臭氣只在各排風(fēng)口處附近（主要是4.2 m 和3.3 m 高度上）才有較大的抽吸速度，整體排風(fēng)效果很差，臭氣不能及時(shí)通過排放管道排出車間。

1.6 優(yōu)化建議

根據(jù)本次模擬結(jié)果，對(duì)脫水車間現(xiàn)有設(shè)計(jì)的送排風(fēng)管道和風(fēng)口進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，包括加強(qiáng)脫水車間人員“呼吸高度”區(qū)域的離子送風(fēng)，將普通平板格網(wǎng)送風(fēng)口改成球形噴口以增加送風(fēng)距離，增加車間底部送風(fēng)球形噴口，調(diào)整立管位置，調(diào)整部分管道的管徑等，另外在各排風(fēng)支立管頂端與橫干管處設(shè)置主動(dòng)排風(fēng)小風(fēng)機(jī)，加上末端的大風(fēng)機(jī)吸風(fēng)，達(dá)到了較好的排風(fēng)抽吸效果。加強(qiáng)送排風(fēng)的同時(shí)，保持污泥脫水車間為“微負(fù)壓”狀態(tài)。使得脫水車間的送新風(fēng)系統(tǒng)和臭氣收集系統(tǒng)能夠更有效的協(xié)同工作，改善脫水車間的工作環(huán)境。具體見表1。

表1 脫水車間送排風(fēng)模擬和優(yōu)化建議

根據(jù)上述模擬分析的結(jié)果，在模型中有針對(duì)性地進(jìn)行模型調(diào)整后，氣流組織情況明顯改善，人員呼吸區(qū)域的送離子新風(fēng)更為均勻，而且臭氣收集支立管末端的底層空間流場(chǎng)針對(duì)污染物泄漏排散效果有了較大改觀。

2 項(xiàng)目實(shí)施情況

2.1 優(yōu)化措施

通過上述模擬情況及優(yōu)化建議，在施工圖設(shè)計(jì)階段，對(duì)除臭工程中送排風(fēng)系統(tǒng)套數(shù)、風(fēng)量、風(fēng)管布置、送排風(fēng)口設(shè)置等方面進(jìn)行調(diào)整，具體優(yōu)化內(nèi)容見表2。

表2 脫水車間送排風(fēng)優(yōu)化內(nèi)容

2.2 檢測(cè)結(jié)果

在實(shí)施了上述優(yōu)化措施和項(xiàng)目正式投產(chǎn)后，委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)污泥脫水車間主要點(diǎn)位的主要污染物濃度進(jìn)行取樣檢測(cè)，使用便攜式揮發(fā)性有機(jī)氣體分析儀EXPEC 3100 與臭氣分析儀New force TionGas-200 檢測(cè)污染源的強(qiáng)度，檢測(cè)點(diǎn)的高度為人員呼吸區(qū)高度1.5 m 以及設(shè)備主體高度3.5 m。污染源的測(cè)定點(diǎn)位分布示意見圖9，主要指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表3。同時(shí)對(duì)脫水車間配套的除臭設(shè)施的進(jìn)出口污染物濃度進(jìn)行取樣檢測(cè)，結(jié)果見表4。

表3 本項(xiàng)目與其它污水廠脫水車間污染物對(duì)比

表4 脫水車間除臭設(shè)施進(jìn)出口污染物濃度

圖9 污泥脫水車間測(cè)點(diǎn)布置圖

從表3 可知，脫水車間經(jīng)過有效送排水優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工，車間內(nèi)主要臭氣指標(biāo)全部遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn)，且硫化氫和臭氣濃度兩項(xiàng)指標(biāo)也優(yōu)于有代表性的同類污泥處理項(xiàng)目，除臭效果顯著。從表4 除臭設(shè)施進(jìn)出口污染物濃度指標(biāo)可以看出，除臭設(shè)施運(yùn)行正常，各污染物的去除率均在85%以下，出口濃度遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 結(jié) 語

（1）目前國內(nèi)除臭工程設(shè)計(jì)參考的基本是現(xiàn)行規(guī)范《城鎮(zhèn)污水處理廠臭氣處理技術(shù)規(guī)程（CJJ/T 243-2016）》，這種基于換氣次數(shù)的經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)的可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。污泥處理車間內(nèi)設(shè)備眾多，空間布局復(fù)雜、污染源強(qiáng)分布不均，且由換氣次數(shù)算出來的只是總風(fēng)量，而實(shí)際上流場(chǎng)情況非常復(fù)雜，單純依據(jù)換氣次數(shù)得出的設(shè)計(jì)方案常出現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行能耗高、實(shí)際通風(fēng)效果不佳等問題。為了充分發(fā)揮除臭系統(tǒng)的功能，應(yīng)該更加重視送排風(fēng)管道的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

（2）本文基本白龍港污泥二期項(xiàng)目的脫水車間，利用CFD 氣流組織模擬等手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了初始設(shè)計(jì)中除臭系統(tǒng)的不足之處，通過針對(duì)性地優(yōu)化后，送排風(fēng)效果得到了很大改善。工程建成投產(chǎn)后，第三方檢測(cè)結(jié)果表明，無論是脫水車間內(nèi)還是配套的除臭設(shè)施排口，各項(xiàng)臭氣污染物指標(biāo)均達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）CFD 氣流組織模擬是一個(gè)很好的工具，在建筑通風(fēng)領(lǐng)域有非常成熟的應(yīng)用。污水、污泥處理工程的除臭可以借鑒用利用好這樣的工具，進(jìn)而幫助我們?cè)谠O(shè)計(jì)階段就能一定程度上驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)效果，有針對(duì)性地采取優(yōu)化措施，有利于污水處理廠的臭氣治理，提高工程效益。