多因素對地下污水廠H2S與NH3濃度的影響

楊鵬 劉雪峰 門玉葵 劉承東

摘 要：

依托現場實驗測試，采用二階正交數值仿真實驗，以脫水機房為例，分析了溫度、濕度及排風量對地下污水廠H2S和NH3濃度的影響，并提出了一種結合污染水平和排風能耗的綜合評價指標。分析結果表明，脫水機房H2S和NH3濃度受溫度和排風量交互效應影響顯著（p<0.05）。在20 ℃時脫水機房內H2S和NH3濃度最低，比35 ℃時污染水平降低2.5倍，綜合評價指標計算結果顯示，在2.7次換氣次數下綜合評價指標較小，K值為4.5。對于處理量為10萬t/d的污水廠，換氣次數低于2.7次脫水機房的惡臭濃度偏高，高于2.7次排風能耗過大，取2.7次換氣次數范圍最為合理。

關鍵詞：

地下污水廠；正交試驗；仿真模擬；惡臭氣體

中圖分類號：X512

文獻標志碼：A 文章編號：16744764（2018）05012409

收稿日期：20171125

基金項目：

國家自然科學基金（51778234）；廣東省自然科學基金（2015A030310303）；廣東省省級科技計劃（2017A020216024）；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金（B6150170）

作者簡介：

作者簡介：楊鵬 （1990），男，主要從事空氣品質與環(huán)境控制研究，Email：yangpeng_hn@live.com。

劉雪峰 （通信作者），男，博士，副教授，Email：lyxfliu@scut.edu.cn。

Received：20171125

Foundation item：

National Natural Science Foundation of China （No.51778234）；Natural Science Foundation of Guangdong

Province （No. 2015A030310303）；Science and Technology Planning Project of Guangdong Province （No.2017A020216024）；Fundamental Research Funds for the Central Universities （No. B6150170）

Author brief：

Yang Peng （1990），main research interests：air quality and environmental quality improvement， Email： yangpeng_hn@live.com.

Liu Xuefeng（corresponding author）， associate professor，PhD，Email：lyxfliu@scut.edu.cn.

Effect of multi factor on H2S and NH3 concentration in

underground wastewater treatment plants

Yang Peng1，Liu Xuefeng1，Men Yukui1，Liu Chengdong2

（1.School of Electric Power， South China University of Technology，Guangzhou 510641，P.R.China；

2.Guangzhou Municipal Engineering Design and Research Institute， Guangzhou 510060，P.R. China）

Abstract：

With experiment test， a secondorder orthogonal experiment was carried out to analyze the weight of factors affecting H2S and NH3 concentration in sludge dewatering of underground wastewater treatment plants： temperature， humidity and exhaust volume， and according to pollution level and energy consumption， a comprehensive evaluation index was put forward. The results indicate that Interaction between temperature and exhaust volume is important to H2S and NH3 concentration （p<0.05）. When the outdoor temperature is 20 ℃， the H2S and NH3 concentration of the dewatering machine room is the lowest. It is reduced by 2.5 times compared with 35 ℃. According to the comprehensive evaluation index， the minimum K value is 4.5 in the ventilation frequency of 2.7. Below 2.7 times of ventilation， the odor concentration is too high ， and the energy consumption is too large when higher than the 2.7 times of ventilation. Therefore， the most appropriate number of ventilation is 2.7 for dewatering room with treatment capacity ten thousand per day.

Keywords：

underground wastewater treatment plants；orthogonal experiment；computer simulation；odors

溫度、相對濕度、排風量是脫水機房惡臭逸散的主要影響因素，溫度過高、排風量不足都會造成脫水機房內惡臭氣體不斷聚集，惡臭氣體主要成分為H2S、NH3，臭閾值低、毒性大[13]。若不妥善治理，將會嚴重影響工作人員的身體健康，危害較大[45]。為保證地下工作環(huán)境的安全，設計的排風量普遍過大，污水廠通風系統(tǒng)的投入和運行費非常高，造成能源浪費[6]。

污水處理廠的除臭系統(tǒng)屬于末端治理：對于已產生的惡臭氣體先進行密閉、收集，再通過化學、生物等方法對其進行治理。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，通過優(yōu)化通風除臭系統(tǒng)的研究還比較少[8]。影響內環(huán)境H2S、NH3濃度場的因素很復雜[9]，其中，溫度、濕度和排風量能夠通過通風除臭系統(tǒng)進行控制。排風系統(tǒng)中除臭工藝的阻力非常大，風量過大造成排風系統(tǒng)能耗較高[7，1011]。H2S和NH3逸散本質是濃度差引起的質量擴散，研究表明，擴散系數受溫度的影響比較大，溫度越高，擴散系數越大[12]。這些因素對脫水車間H2S和NH3濃度的影響效應不同，根據權重效應合理選擇通風系統(tǒng)控制目標能夠達到節(jié)能的目的。因此，確定H2S和NH3的主要影響因素、權重及分布逸散規(guī)律，對地下污水處理廠惡臭氣體的控制和節(jié)能具有重要意義。

數值仿真因其可視化、簡單性和適應性受到研究者和設計者的青睞[1314]。RNG kε湍流模型和組分運輸模型被廣泛應用[1516]。本文采用這兩種模型對地下污水處理廠污泥脫水車間不同溫度、濕度和排風量下的H2S、NH3濃度分布仿真模擬，結合正交試驗進行極差和方差分析，確定各因素影響權重，進一步分析主要影響因素與脫水機房H2S、NH3濃度和通風能耗的關系，通過綜合評價指標對排風量進行優(yōu)化，確定出污泥脫水機房合理的通風量。

1 脫水機房計算模型

1.1 幾何模型

以廣州某地下污水廠污泥脫水機房為原型研究對象，如圖1所示，其長、寬、高分別為2 250、1 950、6 300 mm。由于整個脫水機房位于地下，溫度相對比較穩(wěn)定，忽略壁面熱傳遞。脫水過程中會產生大量惡臭氣體，雖脫水機進行了密封處理，但存儲污泥的3個料斗倉裸露在內環(huán)境，不斷地向周圍逸散NH3和H2S，料斗口的長、寬、高分別為750、750、2 300 mm。為控制脫水機房內污染物濃度，排風系統(tǒng)以一定的排風量進行排風，防止惡臭氣體的聚集，2個排風口位置在靠近料斗口的壁面?zhèn)龋溟L、寬分別為300、300 mm，中心高度2 000 mm。

六面體網格在計算精度、計算速度上都優(yōu)于非結構化網格，故采用六面體結構網格對計算域進行離散。考慮到門、料斗口和排風口處擾動較大，為了提高計算收斂性，獲取準確的區(qū)域參數對其進行局部加密，最終網格數量為251萬，如圖2所示。

1.2 模型簡化

為簡化計算做如下假設：室內空氣為不可壓縮流體；穩(wěn)態(tài)計算各邊界參數不變；脫水機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；忽略機房內設備產生的熱量。

1.3 數學模型

在考慮能量守恒、動量守恒和質量守恒的基礎上還需保證組分守恒，其通用控制方程可表示為

2 多因素正交仿真實驗

2.1 實驗方案

影響脫水車間H2S和NH3濃度分布的因素有溫度、濕度和排風量，地下污水廠全年運行數據顯示，脫水機房內溫度范圍10～33 ℃，相對濕度60%～90%，風機是變頻運行，最大風量對應的排風口風壓為-25 Pa，最小風量對應的風壓為-15 Pa?？紤]二階交叉因素共有6個，如果每個因素取2個水平進行仿真模擬，要做26=64次試驗，需要花費相當多的時間。正交試驗法可通過少量實驗次數對多因素進行極差分析、方差分析，并獲得有價值的科學規(guī)律[1819]。本文采用L8（27）正交試驗，每個因素取最大值和最小值2水平，共需要試驗8次。表1是正交試驗的各因素水平值。

2.2 實驗結果與分析

2.2.1 極差結果分析 按照L8（27）正交表進行仿真試驗，取料斗口周圍15個點的仿真結果對H2S、NH3逸散規(guī)律進行研究，如圖3所示。

8次試驗結果記為y1，y2，…，y8，Kij為第j列因素第i水平所對應的H2S、NH3濃度值之和，κij=Kij，R=κijmax-κijmin，R值越大，說明該因素對試驗指標的影響越大。表2是點8處的H2S和NH3濃度的極差計算結果，從結果看出，A×C列對應R值最大，RH2S=9.4，RNH3=6.18。圖4是15個點各因素極差均值，從圖中可以看出，溫度和排風壓力交互效應對應的極差最大，其值R=0.93，反映出溫度和排風壓力交互效應對H2S和NH3的濃度影響最大，其次為單因素排風壓力C、溫度A、相對濕度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。因素影響權重從大到小依次為：A×C>C>A>B>A×B>B×C。

2.2.2 方差結果分析

MSj是單因素j變化引起的差異，MSe是試驗誤差離差平方和，為提高檢驗的靈敏度，當MSj<2MSe將該因素并入誤差。兩水平正交試驗，各因素離差平方和為

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個點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%。結果反映出，在這些因素中，溫度和排氣壓力交互效應A×C對H2S和NH3濃度影響顯著（p<0.05）。原因在于H2S和NH3在逸散和抽排過程中，溫度和排風量存在交互效應，如圖6所示。在15 Pa排風壓力作用下，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。不同排風壓力下，溫度對H2S和NH3濃度影響效果相反。

2.3 實驗驗證

對廣州某地下污水廠污泥脫水機房進行實地測量，測量時間為9：30到16：30。室外晴天，溫度159 ℃，相對濕度59.7%，排風口靜壓-10 Pa。3臺污泥脫水機有2臺運行。在污泥脫水車間取3個高度分別為0.9、2.3、3.9 m，每個高度取9個測點坐標（x，y）依次為：

對各點的NH3和H2S的濃度進行測量。圖7為測量數據與模擬數據的對比圖，由于實際情況的復雜性，實測數據與模擬數據存在一定的誤差，H2S濃度平均相對誤差為9.70%，NH3濃度平均相對誤差為12.78%。對比結果：在允許誤差條件下，仿真實驗與實際測量基本一致。

3 多因素影響效應

3.1 工況設定

為了確定溫度和排風量對H2S和NH3濃度和能耗的影響，對溫度和排風量進一步細化分析，工況情況如表4。

3.2 溫度影響

圖9反映出換氣次數2.4次條件下，溫度從15～35 ℃變化過程中，不同H2S濃度值對應區(qū)域的變化規(guī)律。15 ℃時面積比最大區(qū)域對應H2S濃度范圍為0.019～0.033 mg/m3，同理，20、25、30、35 ℃時對應H2S濃度值分別是0.013、0.026、0039～0.046、0.039～0.052 mg/m3。從結果能夠看出，溫度由15 ℃升高到35 ℃，污染水平出現先降低后升高的趨勢，在20 ℃時最低，與35 ℃相比降低了25倍。H2S濃度高于0.052 mg/m3的區(qū)域隨著溫度的升高不斷擴大，面積比由20 ℃時的5%增大到35 ℃時的34%，高污染區(qū)域面積提高了4.8倍?？梢?，室外溫度20 ℃是脫水機房惡臭污染控制最適宜的溫度，污水廠脫水機房在滿足室內環(huán)境要求的條件下可適當降低除臭風量以降低運行能耗。

3.3 排風量影響

圖10是25 ℃時不同排風量下H2S濃度與對應區(qū)域面積的關系圖，最大面積對應的H2S濃度代表著該排風量下惡臭的水平。圖中數據顯示，換氣次數由1.7次增加到4.7次，H2S最高濃度值出現不斷降低的趨勢，由0.072 mg/m3逐漸降到0.026 mg/m3。用標準方差來反映H2S濃度分布的均勻程度，換氣次數由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。從上述結果看出，排風量對地下污水廠脫水機房惡臭濃度有影響，排風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，增大排風量能夠降低H2S的濃度水平，抑制濃度的聚集。

3.4 綜合評價指標

為了反映脫水機房惡臭污染水平和能耗水平，參考《實用供熱空調設計手冊》中IAQ污染物評價方法，提出綜合污染水平指標及綜合能耗指標。

4 結論

1）通過正交仿真試驗確定了溫度和排風量的交互作用對污泥脫水車間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，脫水機房NH3和H2S濃度最低，有利于通風節(jié)能；換氣次數超過2.7次后，通風量增加對H2S和NH3濃度變化不明顯 ；綜合評價指標K計算結果顯示，對于污水處理量10萬t/d的脫水機房，排風量為2.7次換氣次數綜合性能最好。

3）過大的排風量對進一步改善空氣品質的作用效果并不明顯，反而使能耗急劇增加。因此，要降低綜合評價指標K，單純依靠機械排風是遠遠不夠，主動控制脫水機房的惡臭氣體還可以從氣流組織的控制入手。

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（編輯 王秀玲）