全地下式污水處理廠通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化研究

文_曹國(guó)建 上海度標(biāo)檢測(cè)技術(shù)有限公司

近年來(lái)，隨著自然環(huán)境的改善，越來(lái)越多的城市開(kāi)始建設(shè)地下污水廠。地下污水處理廠是指將部分或所有處理構(gòu)筑物置于地下箱體內(nèi)，而廠區(qū)地上部分則做成了景觀綠地或公園。這樣不僅合理利用了土地，完善了基礎(chǔ)設(shè)施，也是營(yíng)造城市舒適環(huán)境的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，然而即使是地下式污水廠也不可避免地產(chǎn)生惡臭。惡臭是刺激嗅覺(jué)感官、引起人們不愉快及損害生活環(huán)境的氣味的統(tǒng)稱。污水處理廠的惡臭氣體種類很多，它們主要來(lái)源于污水處理過(guò)程中有機(jī)物的分解。它們不僅讓人有惡心感，同時(shí)對(duì)人體有毒害作用，所以必須采用必要的措施嚴(yán)格控制它們的濃度。

雖然地下式污水處理廠能夠?qū)a(chǎn)生的惡臭氣體進(jìn)行密封收集處理，但是仍有部分的處理過(guò)程，如格柵間、污泥脫水車間、污泥輸送等無(wú)法對(duì)惡臭進(jìn)行密封處理，再加上除臭系統(tǒng)部分的泄漏，增加了整個(gè)地下大空間的惡臭濃度，而各個(gè)設(shè)備產(chǎn)生的熱量使得其溫度不斷升高，這些都影響地下空間品質(zhì)和舒適度，損害工作人員的健康。

地下污水處理廠氣體的流通主要是依靠通風(fēng)機(jī)及除臭系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在地下室污水處理廠實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，為了保證地下工作環(huán)境的安全，設(shè)計(jì)的排風(fēng)量普遍過(guò)大，使得污水處理廠通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本非常高，造成能源浪費(fèi)。因此地下式污水處理廠通風(fēng)除臭節(jié)能控制策略值得深入研究。

1 地下式污水處理廠簡(jiǎn)介

地下式污水處理廠一般將所有建(構(gòu))筑物組團(tuán)布置，形成地下箱體。豎向分為兩層，其中底層為構(gòu)筑物和管廊層，上層為設(shè)備和操作巡視層。較大規(guī)模的地下污水廠操作層均設(shè)有車道，滿足消防車、運(yùn)輸車進(jìn)出要求。全地下污水廠建構(gòu)筑物均埋設(shè)于地下，頂部做景觀公園，半地下式污水廠操作層部分露出地面，可實(shí)現(xiàn)部分自然采光、通風(fēng)，有利于操作管理。

全地下式污水處理廠按照處理工藝一般分為污水處理、深度處理、污泥處理、臭氣處理。其中污水處理階段有格柵、進(jìn)水泵房、沉砂池、初沉池、初沉污泥泵房、生物反應(yīng)池、二沉池、回流污泥泵房、剩余污泥泵房、供氣系統(tǒng)、化學(xué)除磷、消毒；深度處理階段主要是濾池、化學(xué)系統(tǒng)；污泥處理階段主要是濃縮池、脫水機(jī)房、污泥料倉(cāng)、污泥干化、外運(yùn)。臭氣處理一般為收集與輸送、除臭。以上所敘述的所有建構(gòu)筑物和設(shè)備均處于地下結(jié)構(gòu)中。

2 地下式污水處理廠惡臭污染源

由于地下污水處理廠整個(gè)地下空間是個(gè)相對(duì)密封的環(huán)境，大量惡臭氣體富集，其中含量最高的為NH3、H2S、CH4，污水處理廠惡臭氣體的臭閾和臭味具體看表1。

在污水處理廠的惡臭污染物中氨氣、硫化氫在污水處理廠中濃度相對(duì)較大，臭閾值低，并且具有毒性，嚴(yán)重?fù)p害人體健康，是通風(fēng)控制的重點(diǎn)對(duì)象。據(jù)查閱的大量文獻(xiàn)分析可得：臭氣污染主要集中在進(jìn)水區(qū)、曝氣沉沙池、格柵區(qū)以及污泥處理區(qū)。

表1 污水處理廠惡臭氣體的臭閾和臭味表

2.1 硫化氫

硫化氫(H2S)是一種無(wú)機(jī)化合物，正常情況下是一種無(wú)色、易燃的酸性氣體，濃度低時(shí)帶惡臭，氣味如臭蛋；濃度高時(shí)反而沒(méi)有氣味（因?yàn)楦邼舛鹊牧蚧瘹淇梢月楸孕嵊X(jué)神經(jīng)）。它能溶于水，0°C 時(shí)1mol 水能溶解2.6mol 左右的硫化氫。硫化氫的水溶液叫氫硫酸，是一種弱酸，當(dāng)它受熱時(shí)，硫化氫又從水里逸出。硫化氫是一種急性劇毒，吸入少量高濃度硫化氫可于短時(shí)間內(nèi)致命。低濃度的硫化氫對(duì)眼、呼吸系統(tǒng)及中樞神經(jīng)都有影響。查工作場(chǎng)所空氣中化學(xué)物質(zhì)容許濃度可知：MAC 為10mg/m3?！读蚧瘹渎殬I(yè)危害防護(hù)導(dǎo)則》建議設(shè)置兩級(jí)報(bào)警閾值，警報(bào)值設(shè)置在10mg/m3，高報(bào)值設(shè)置在50mg/m3。

2.2 氨氣

氨氣(NH3)無(wú)色氣體，有強(qiáng)烈的刺激氣味。密度0.7710。相對(duì)密度0.5971(空氣=1.00)。易被液化成無(wú)色的液體。在常溫下加壓即可使其液化(臨界溫度132.4℃，臨界壓力11.2MPa，即112.2 大氣壓)。沸點(diǎn)-33.5℃。也易被固化成雪狀固體。熔點(diǎn)-77.75℃。溶于水、乙醇和乙醚。在高溫時(shí)會(huì)分解成氮?dú)夂蜌錃?，有還原作用。有催化劑存在時(shí)可被氧化成一氧化氮。用于制液氮、氨水、硝酸、銨鹽和胺類等?？捎傻蜌渲苯雍铣啥频?，能灼傷皮膚、眼睛、呼吸器官的粘膜，人吸入過(guò)多，能引起肺腫脹，以至死亡。查工作場(chǎng)所空氣中化學(xué)物質(zhì)容許濃度可知：PC-TWA 為20mg/m3，PC-STEL 為30mg/m3。

惡臭的有效控制措施是除臭系統(tǒng)和送風(fēng)系統(tǒng)。惡臭的治理環(huán)節(jié)分為臭源密閉、惡臭氣體收集輸送及末端治理，地下污水處理廠臭氣濃度的因素很復(fù)雜，通風(fēng)系統(tǒng)可控的因素為廠內(nèi)溫度、濕度和排風(fēng)量。排風(fēng)系統(tǒng)不能隨著污水廠惡臭濃度的變化做相應(yīng)的調(diào)整，風(fēng)量過(guò)大將造成排風(fēng)系統(tǒng)能源的浪費(fèi)。

3 全面通風(fēng)排污模型

以硫化氫為例，溫度、濕度和排風(fēng)量都會(huì)影響污水廠散發(fā)出臭氣的濃度，這里暫且不考慮溫度和濕度的影響，只考慮排風(fēng)量對(duì)于濃度的影響關(guān)系，通過(guò)對(duì)全面通風(fēng)的排污模型進(jìn)行分析與計(jì)算，從而節(jié)約新風(fēng)系統(tǒng)的能源。

全面通風(fēng)又稱稀釋通風(fēng)，對(duì)整個(gè)車間進(jìn)行通風(fēng)換氣，用新鮮空氣稀釋室內(nèi)有害物，消除余熱、余溫，使之符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。全面通風(fēng)有自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)和自然與機(jī)械聯(lián)合通風(fēng)等各種形式。全面通風(fēng)的動(dòng)力可以是自然風(fēng)壓和熱壓，也可以是風(fēng)機(jī)風(fēng)壓。

3.1 全面通風(fēng)換風(fēng)量的確定有幾點(diǎn)假設(shè)

有害物在室內(nèi)均勻散發(fā)；稀釋過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)，送風(fēng)氣流與室內(nèi)空氣的混合氣流瞬間完成；送排風(fēng)氣流是等溫的。

如果采用全面通風(fēng)稀釋室內(nèi)空氣中的有害物，那么在任何一個(gè)微小時(shí)間間隔內(nèi)，室內(nèi)得到的有害物量（即有害物源散發(fā)的有害物量和送風(fēng)空氣帶入的有害物量）與從室內(nèi)排出的有害物量（排出空氣帶走的有害物量）之差應(yīng)等于整個(gè)房間內(nèi)增加（或減少）的有害物量，設(shè)dt時(shí)間內(nèi)房間有害物濃度的變化量為dy，得到：

式中：L—全面通風(fēng)量，m3/s；

y0—送風(fēng)空氣中有害物濃度，mg/m3；

x—有害物散發(fā)量，mg/s；

y—在某一時(shí)刻室內(nèi)空氣中有害物濃度，mg/m3；

Vf—房間體積，m3；

dt—某一段無(wú)限小的時(shí)間間隔，s；

dy—在dt 時(shí)間內(nèi)房間內(nèi)濃度的增量，g/m3；

式(1)稱為全面通風(fēng)的基本微分方程式。它反映了任何瞬間室內(nèi)空氣中有害物濃度y 與全面通風(fēng)量L 之間的關(guān)系。

對(duì)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，得

式中：y2—室內(nèi)空氣中有害物質(zhì)的最高容許濃度，mg/m3。

式(2)反映了任意時(shí)刻有害物濃度與通風(fēng)量之間的關(guān)系，可求出在給定通風(fēng)量條件下，達(dá)到要求濃度y2所需要的時(shí)間，也可求出在規(guī)定時(shí)間t內(nèi)，達(dá)到要求的濃度y2時(shí)，所需的全面通風(fēng)量。

根據(jù)式(2)可算出，保持除臭設(shè)備常開(kāi)，新風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉，有害物濃度上升到最高容許濃度所需要花費(fèi)的時(shí)間。反之，亦可以算出開(kāi)啟新風(fēng)系統(tǒng)，有害物濃度下降到預(yù)定濃度所需要花費(fèi)的時(shí)間。

3.2 存在多種有害物（粉塵、有害氣體、熱濕）時(shí)風(fēng)量確定原則

分別求出排除每種有害物風(fēng)量Li；毒性相加作用的有害物：如苯、醇、醋酸等溶劑類；SO2、SO3等刺激性氣體，按求和計(jì)算風(fēng)量：L=∑Li；毒性無(wú)相加作用的有害物：取最大者為風(fēng)量計(jì)算式：L=max{Li}。

3.3 有害物發(fā)散量的計(jì)算

(1) 生產(chǎn)設(shè)備散熱量的確定

可取最小的熱量作為車間冬季計(jì)算熱量，最大的熱量作為車間夏季計(jì)算熱量。

(2) 散濕量的確定

①進(jìn)入空氣中的水蒸汽數(shù)量；②暴露水面或潮濕表面散發(fā)的水蒸汽量；③材料或成品的散濕量；④化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中散發(fā)的水蒸汽量。

(3) 有害氣體的散發(fā)量的計(jì)算

①燃料燃燒產(chǎn)生的有害氣體；②通過(guò)爐子的縫隙進(jìn)入室內(nèi)的煙氣；③從生產(chǎn)設(shè)備或管道的不嚴(yán)密處，漏入室內(nèi)的有害氣體；④容器中化學(xué)品自由表面的蒸發(fā)；⑤物體表面涂漆時(shí)，散入室內(nèi)的溶劑蒸汽；⑥生產(chǎn)過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的有害氣體。

4 應(yīng)用實(shí)例

以上海某地下污水處理廠曝氣沉砂池的通風(fēng)除臭系統(tǒng)為例，房間體積為5000m3，除臭設(shè)施處理風(fēng)量規(guī)模為5000m3/h。假設(shè)：硫化氫的散發(fā)量是15mg/s，室內(nèi)原有硫化氫的濃度為0.01mg/m3，即可得出新風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉后，硫化氫濃度升高到10mg/m3。大氣中得硫化氫濃度忽略不計(jì)。

可得：

由式(3)計(jì)算結(jié)果可得，新風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉后，經(jīng)過(guò)2.27h 后室內(nèi)硫化氫濃度將升至10mg/m3。

若假設(shè)通風(fēng)機(jī)開(kāi)啟后的通風(fēng)量是2.5m3/s，室內(nèi)硫化氫濃度降到7m3/s，通風(fēng)機(jī)需要工作2780s，即0.77h。

5 通風(fēng)除臭系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化

①集氣蓋應(yīng)包圍或靠近污染源，使污染源的擴(kuò)散限制在最小范圍內(nèi)，通過(guò)抽、吸進(jìn)行氣體的收集。一般只在圍擋蓋壁設(shè)置觀察窗或操作檢修門。若集氣蓋或蓋板密閉狀況差，會(huì)影響臭氣收集和除臭效果。

②盡可能多的采用節(jié)能設(shè)備。

③密封工程盡量采用混凝土密封。在確需要檢修的孔洞，用FRP 蓋板或不銹鋼蓋板。盡量采用平蓋板或低弧形的蓋板，以減少密封空間。如采用FRP 蓋板，須確保蓋板有阻燃考慮，并達(dá)到相關(guān)的阻燃要求。

④在格柵除污機(jī)、污泥脫水機(jī)等設(shè)備雖然進(jìn)行了密閉加罩并設(shè)置了負(fù)壓抽吸系統(tǒng)處理臭氣，但仍存在除臭系統(tǒng)檢修過(guò)程中臭氣從密封罩內(nèi)溢出的可能，可通過(guò)不銹鋼桿＋鋼化玻璃隔斷的形式，將預(yù)處理區(qū)和泥處理區(qū)與其他生產(chǎn)區(qū)進(jìn)行有效隔離，盡量杜絕高濃度臭氣外溢。

6 結(jié)語(yǔ)

在全地下式污水處理廠生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，運(yùn)行單位科學(xué)合理安排新風(fēng)系統(tǒng)和除臭系統(tǒng)的安全運(yùn)營(yíng)，降低通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本，也可極大減少了能源的浪費(fèi)。