某地下污水處理廠通風(fēng)氣流組織數(shù)值分析

韓 楓，周文和，王 佳，沈 浩，史成波，劉 勇，楊成慰

(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)

1 引言

污水處理廠是城鎮(zhèn)生活必不可少的組成部分，并對資源循環(huán)利用、生態(tài)環(huán)境改善及“碳中和”目標(biāo)[1]響應(yīng)至關(guān)重要。因具有占地面積少、城鎮(zhèn)環(huán)境影響小等特點(diǎn)，地下污水處理廠逐漸興起[2]。由于地下污水廠處理車間及設(shè)施大多設(shè)置于地下封閉空間，必須采用機(jī)械通風(fēng)和凈化方式稀釋、凈化及排除污水處理過程中的有害及臭味氣體、保證空氣質(zhì)量滿足工作區(qū)域和排放要求，因此，地下污水廠通風(fēng)系統(tǒng)及其氣流組織的合理設(shè)置非常關(guān)鍵[3,4]。

文獻(xiàn)[5]按照GB50019-2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[6]，GB50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[7]，GB50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[8]，GB 51251-2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[9]確定了廣州某污水廠不同工作區(qū)域的除臭、暖通、通風(fēng)、防排煙系統(tǒng)，并通過實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)對設(shè)計的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[10]基于地下建筑相關(guān)規(guī)范及實(shí)際工程中的問題，對地下污水廠除臭排污系統(tǒng)的運(yùn)行提出了合理化建議。文獻(xiàn)[11]通過污水廠7種不同通風(fēng)方式除臭排污效率的研究，得出了立體送風(fēng)是最佳的通風(fēng)形式，其風(fēng)量對排污、除臭效果的影響較大的結(jié)論。

綜上，地下污水處理廠通風(fēng)系統(tǒng)及其氣流組織的合理設(shè)計及運(yùn)行尤為重要，結(jié)合CFD數(shù)值模擬技術(shù)對其驗(yàn)證和優(yōu)化的參考亟需填補(bǔ)。本文以陳江街道辦二號污水處理廠下層箱體的通風(fēng)系統(tǒng)及其氣流組織為例(不包括除臭)，利用Fluent軟件對其設(shè)計方案進(jìn)行驗(yàn)證優(yōu)化，并提出運(yùn)行建議，為地下污水處理廠通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計以及運(yùn)行提出借鑒。

2 工程概況

該項(xiàng)目陳江街道辦二號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)，污水處理規(guī)模10×104m3/d，是惠州市首座全地埋式生態(tài)型污水處理廠，屬于丁戊類地下建筑。處理廠采用全埋地下式“粗細(xì)格柵+膜格柵+曝氣沉砂池+AAO+MBR +紫外線消毒”處理工藝。GB50019-2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[6]，污水處理廠地下空間通風(fēng)及氣流組織方案設(shè)計如下。

(1)地下廠房設(shè)置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng), 其中粗格柵及進(jìn)水泵房、細(xì)格柵、曝氣沉砂池等預(yù)處理區(qū)設(shè)置事故通風(fēng)系統(tǒng)，總換氣次數(shù)12次/h，其中除臭6次/h，暖通排風(fēng)6次/h，機(jī)械補(bǔ)風(fēng)(含離子送風(fēng))，平時可只開除臭。通風(fēng)機(jī)采用防爆風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)與H2S和CH4等臭氣濃度聯(lián)鎖，濃度超標(biāo)時自動開啟，并在廠房室內(nèi)外均設(shè)一組開關(guān)控制。

(2)二級處理-AAO生反池和二級處理-膜池設(shè)置除臭和機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，為了保證蓋板下的負(fù)壓，暖通送風(fēng)需考慮部分除臭的補(bǔ)風(fēng)。

(3)脫水車間等污泥處理區(qū)設(shè)置除臭、離子送風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，除臭風(fēng)量小于離子送風(fēng)風(fēng)量，為了保證風(fēng)量平衡，除臭不足量由暖通排風(fēng)系統(tǒng)排出。

(4)為了排除加藥間內(nèi)的設(shè)備散熱和有害氣體，加藥間內(nèi)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)采用防腐風(fēng)機(jī)，減少有害氣體對設(shè)備的腐蝕。

(5)鼓風(fēng)機(jī)房、配電室設(shè)置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，排風(fēng)量按照消除室內(nèi)余熱確定(排風(fēng)溫度40℃,進(jìn)風(fēng)溫度按照惠州夏季室外干球通風(fēng)溫度31.5℃)和6次/h換氣次數(shù)計算，兩者相比較取大值。

(6)除地下層車行通道外，所有暖通通風(fēng)系統(tǒng)均采用機(jī)械進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)形式。地下廠房所有通風(fēng)機(jī)均選用HTFC -Ⅲ型柜式離心風(fēng)機(jī)箱，設(shè)備吊裝，不設(shè)置專門的風(fēng)機(jī)房。噪音較大的通風(fēng)機(jī)出口設(shè)置消聲靜壓箱，減少室內(nèi)噪聲。

3 CFD計算分析

為了驗(yàn)證和優(yōu)化處理廠下層箱體通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計效果，本文通過CFD數(shù)值模擬方法，使用Gambit軟件對污水處理廠下層箱體進(jìn)行了建模，利用FLUENT和Flu-flow軟件對箱體內(nèi)部氣流組織情況進(jìn)行了計算和分析。下層箱體通風(fēng)系統(tǒng)主要由部分水處理區(qū)域除臭補(bǔ)風(fēng)、走廊空間以及樓梯部分通風(fēng)構(gòu)成。為滿足下層區(qū)域6次/h的補(bǔ)風(fēng)以及通風(fēng)量需求，送風(fēng)風(fēng)機(jī)共6臺，每臺風(fēng)機(jī)僅一個送風(fēng)口，排風(fēng)風(fēng)機(jī)共設(shè)置8臺，每臺排風(fēng)機(jī)連接6～8個風(fēng)口，風(fēng)機(jī)參數(shù)與風(fēng)量如表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)及參數(shù)

由表1得知，送風(fēng)量大于排風(fēng)量，為保證蓋板下的負(fù)壓，送風(fēng)需考慮部分除臭的補(bǔ)風(fēng)，并保證地下箱體空氣的潔凈度確保設(shè)備正常運(yùn)行的緣故；送風(fēng)風(fēng)機(jī)數(shù)量少，風(fēng)量大，風(fēng)口數(shù)量少。而排風(fēng)風(fēng)機(jī)數(shù)量多，排風(fēng)口分布更加廣泛均勻，這樣布置最大滿足了經(jīng)濟(jì)性的同時，確保潔凈空氣均勻的在箱體內(nèi)擴(kuò)散。

3.1 物理模型

下層箱體及通風(fēng)系統(tǒng)的物理模型如圖1所示，模型長157.7 m，寬112 m，層高4 m，左側(cè)底部抬高1.5 m，風(fēng)管設(shè)置在距地面4 m處，箱體通風(fēng)系統(tǒng)送、回風(fēng)口如圖2所示。

圖1 下層箱體模型

圖2 下層箱體通風(fēng)系統(tǒng)布置

為了節(jié)約計算機(jī)資源，在不影響模擬結(jié)果前提下，圖1下層箱體模型中部分柱體、設(shè)備、邊壁等進(jìn)行了簡化。

3.2 數(shù)學(xué)模型

下層箱體通風(fēng)只考慮有害、臭味氣體的稀釋、排除，不考慮對空氣熱濕處理。數(shù)值模型采用三維計算模型，選擇RNG K-ε湍流模型和壓力穩(wěn)態(tài)求解器，開啟重力方程，采用SIMPLE算法求解雷諾平均的N-S方程，固體壁面采用Fluent默認(rèn)的無滑移邊界條件[13]。壓力方程選擇Second Order進(jìn)行離散，連續(xù)性方程、動量方程、能量方程采用二階迎風(fēng)格式Second Order Upwind進(jìn)行離散。RNG K-ε模型相比標(biāo)準(zhǔn)湍流模型增加了低雷諾數(shù)流動粘性公式，可用于近壁區(qū)域流動過程[14]。湍流動能k方程、湍流動能耗散率ε方程、連續(xù)性方程、動量方程和能量方程分別如式(1)～式(5)所示[15]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

3.3 網(wǎng)格劃分及獨(dú)立性考核

區(qū)域離散采用T-Grid網(wǎng)格，表2所示為網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證結(jié)果，考慮計算機(jī)資源的占用及計算精度，最后選用900×1000網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)數(shù)值計算。

表2 網(wǎng)格獨(dú)立性考核結(jié)果

3.4 邊界條件

(1)圖2污水處理廠模型中各送風(fēng)口設(shè)置為速度入口邊界條件，具體參數(shù)如表3。

表3 送風(fēng)口參數(shù)

(2)圖2各回風(fēng)口設(shè)置為壓力出口邊界條件，具體參數(shù)如表4。

表4 回風(fēng)口參數(shù)

(3)模型中墻面、地面、屋頂都設(shè)為絕熱固體壁面邊界條件。設(shè)置樓梯口處為壓力出口邊界條件，且相對壓強(qiáng)為0Pa。

4 結(jié)果與分析

4.1 1.5 m高度截面速度與流線分布

下層箱體內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)1.5 m高截面處氣流流線如圖3所示。由圖3可知，左側(cè)1.5 m高區(qū)域?yàn)榈孛鎱^(qū)域，風(fēng)速較低，氣流組織較差，在樓梯口處風(fēng)速較大。同樣，最大速度出現(xiàn)在風(fēng)口處，風(fēng)速在風(fēng)口周圍衰減。pf2以及pf4附近有內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻礙，導(dǎo)致墻壁附近流速較低。pf5附近墻壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生速度死角。pf1處存在流速較低通道，該處空間狹窄導(dǎo)致風(fēng)速較低。左側(cè)高地面區(qū)域流線稀疏，流動情況較差。氣流碰撞墻壁產(chǎn)生漩渦，導(dǎo)致存在漩渦的區(qū)域流速較低。

4.2 2.5 m高度截面速度與流線分布

下層箱體內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)2.5 m高截面氣流流線分

圖3 箱體1.5 m高度氣流流線

布圖如圖4所示。由圖4可知，最大速度出現(xiàn)在風(fēng)口處，風(fēng)速在風(fēng)口周圍衰減。pf2以及pf4附近有內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻礙，導(dǎo)致墻壁附近流速較低。pf5附近墻壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，阻礙較多，產(chǎn)生速度死角。而pf3右側(cè)通道風(fēng)速較大，造成的主要原因是樓梯口在通道附近，為了保持水廠內(nèi)部壓力不變，需要?dú)饬髟跇翘菘谔幾杂沙隽?，且附近風(fēng)口較多，導(dǎo)致該通道處風(fēng)速較大。pf1處也存在流速較低通道，該處空間狹窄導(dǎo)致風(fēng)速較低。pf2以及pf4附近有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，氣流碰撞墻壁產(chǎn)生漩渦，漩渦處流速較低。Pf4附近房間與墻壁間出現(xiàn)流線間斷情況，原因是此處空間狹窄且沒有風(fēng)口，導(dǎo)致氣流情況較差。pf1狹窄通道處氣流不斷碰撞墻體出現(xiàn)大量漩渦，導(dǎo)致該排風(fēng)口氣流組織情況相比其他排風(fēng)口較差。

圖4 箱體2.5 m高度氣流流線

5 結(jié)論

地下污水處理廠下層通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)口布置均勻，回風(fēng)口附近氣流組織較好，基本能夠滿足通風(fēng)換氣需求。但整個下層箱體存在大量狹窄空間，這些位置容易產(chǎn)生氣流死角?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)風(fēng)閥的方法，減少通風(fēng)良好區(qū)域風(fēng)口的風(fēng)量，同時增加死角區(qū)域附近風(fēng)口的風(fēng)量，改善氣流碰撞產(chǎn)生漩渦導(dǎo)致的氣流阻塞，以此優(yōu)化污水處理廠氣流組織，保證地下空間的空氣品質(zhì)，使設(shè)備正常運(yùn)行。