基于仿真模擬地埋式污水廠除臭通風(fēng)系統(tǒng)的研究

白小平，白玉華，徐 強(qiáng)，徐 寧，祁子靖

[杭州余杭環(huán)境（水務(wù)）控股集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311000]

0 引 言

隨著中國的人口激增、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，地埋式污水處理廠自2010年前后開始建設(shè)，并呈現(xiàn)遞增發(fā)展趨勢，有效地開發(fā)利用及拓展空間越來越迫切。地埋式污水廠在改善區(qū)域水質(zhì)、推進(jìn)水環(huán)境質(zhì)量發(fā)展過程中有不容忽視的作用，但其運(yùn)行期間會產(chǎn)生惡臭氣體，上方常常作為城市綠地甚至公共建筑，離人們生活的區(qū)域更近，一旦處置不妥將影響地面上的居民健康及周邊生活環(huán)境[1]。地埋式污水廠的通風(fēng)除臭工藝在相比地上污水廠的要求更高，通風(fēng)、除臭亟待系統(tǒng)化整合，而該技術(shù)尚未成熟且相關(guān)經(jīng)驗(yàn)較少，在設(shè)計(jì)時(shí)會產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)。

因此，全流程除臭設(shè)備的建設(shè)及其工藝經(jīng)驗(yàn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 地埋式污水廠除臭通風(fēng)系統(tǒng)典型問題分析

1.1 地埋廠與地面廠的除臭通風(fēng)差異

地埋式污水廠由于氣體擴(kuò)散條件、運(yùn)行維護(hù)等要求的變化，地面污水廠的除臭通風(fēng)技術(shù)移植到地埋式污水廠后會出現(xiàn)很多問題，如泄漏率高、工作環(huán)境差、維護(hù)管理不便等，其除臭系統(tǒng)及通風(fēng)系統(tǒng)能力較地面廠要求更高。考慮到地埋式污水廠的臭氣源主要分布在地下二層，負(fù)一層為操作人員活動(dòng)區(qū)域，須配合通風(fēng)系統(tǒng)以確保操作人員的安全以及較好的工作環(huán)境。但負(fù)一層和負(fù)二層之間，不能做到完全隔開，而須將通風(fēng)和除臭作為一個(gè)系統(tǒng)，來統(tǒng)一考慮。同時(shí)，需選用臭氣量小的污水污泥處理工藝，并考慮設(shè)備和池體的密封、柵渣等臭氣源的密閉保存及清運(yùn)[2]。

1.2 收集系統(tǒng)問題

為了避免臭氣外逸，并且減少區(qū)域內(nèi)臭氣收集的總量，地埋式污水廠對需要除臭的構(gòu)筑物或設(shè)備進(jìn)行良好的密封，收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)做到盡可能均勻收集，保證需要除臭的構(gòu)筑物內(nèi)部微負(fù)壓狀態(tài)。傳統(tǒng)的收集系統(tǒng)主要有下述問題：

（1）臭氣區(qū)域密閉性不足，實(shí)際密封效果不能滿足預(yù)期要求；

（2）已通過各種除臭技術(shù)實(shí)現(xiàn)對硫化氫和氨的有效控制且達(dá)標(biāo)，但仍能感覺臭味；

（3）收集管路冷凝水聚集，腐蝕管道造成通風(fēng)除臭不佳[3]。

1.3 風(fēng)量系統(tǒng)問題

基于地埋式污水廠大空間通風(fēng)的情況，對于衛(wèi)生安全、節(jié)能高效的通風(fēng)設(shè)計(jì)，風(fēng)量計(jì)算主要有下述問題：

（1）地下空間體積大，通風(fēng)換氣量大；通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，風(fēng)機(jī)設(shè)備多；

（2）箱體地面預(yù)留井?dāng)?shù)量多，占地面積大；

（3）通風(fēng)需要與其他專業(yè)配合的內(nèi)容多，涉及面比較廣。

2 地埋式污水廠除臭通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量計(jì)算方法研究

2.1 除臭通風(fēng)系統(tǒng)分區(qū)

（1）按臭氣濃度分：用于判斷氣體是否需要經(jīng)過除臭處理或不處理排放，除臭級別。根據(jù)臭氣濃度可分為高濃度臭氣、低濃度臭氣、空間氣體。此外，設(shè)置新風(fēng)區(qū)，對其通風(fēng)系統(tǒng)有不同的要求。

（2）按工藝段分：用于臭氣分質(zhì)，臭氣的主要成分是氨和硫化氫，并含有硫醇、胺類、酰胺、吲哚、醇、酚、醛、酮、有機(jī)酸等多種氣體，非常復(fù)雜。按照工藝段分，處理的臭氣成分比較接近，有利于后續(xù)除臭工藝的選擇。

（3）按區(qū)域分：收集區(qū)域過于分散，引起管線過長，導(dǎo)致風(fēng)管末端抽氣不力，使末端密封區(qū)域內(nèi)無法形成負(fù)壓，引發(fā)臭氣泄露。為了縮短管線長度，建議臭源分區(qū)收集。除臭裝置盡量靠近臭源布置，如有必要，可分多套除臭裝置，就近收集處理。

地埋廠除臭通風(fēng)系統(tǒng)通常是綜合上述各要素后，選擇最優(yōu)的分區(qū)方案。

2.2 除臭風(fēng)量計(jì)算

《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50014—2021）、《城鎮(zhèn)污水處理廠臭氣處理技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 243—2016）等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提供了城鎮(zhèn)污水處理廠除臭設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

（1）臭氣收集風(fēng)量計(jì)算

具體部位之間，由于構(gòu)造的不同，需要收集的空間氣體量不同；根據(jù)臭氣濃度的不同，需要的換風(fēng)次數(shù)也不同，其計(jì)算公式如下：

式中：Q為臭氣處理設(shè)施收集的總臭氣風(fēng)量，m3/h；Q1為對收集空間進(jìn)行換氣所收集的臭氣風(fēng)量，m3/h；Q2為對構(gòu)筑物水面積散逸所收集的臭氣風(fēng)量，m3/h；Q3為收集系統(tǒng)滲漏風(fēng)量同，m3/h；N為換氣次數(shù)，次/h；V為臭氣收集空間，m3；A為單位水面積臭氣風(fēng)量指標(biāo)[m3/（m2·h）]；F為構(gòu)筑物除臭水面積，m2；K為滲漏風(fēng)量系數(shù)，可按5%~10%取值。

（2）收集空間

式中：V為臭氣收集空間，m3；N為臭氣收集區(qū)構(gòu)筑物或集氣罩?jǐn)?shù)量，m；L為臭氣收集區(qū)長度，m；B為臭氣收集區(qū)長度，m；H為臭氣收集區(qū)水面以上凈高（超高）或設(shè)備集氣罩凈高，m。

3 地埋式污水廠除臭通風(fēng)收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 除臭系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）構(gòu)筑物加蓋密閉：需進(jìn)行密封加罩重點(diǎn)收集的臭源主要有預(yù)處理區(qū)、生化區(qū)、泥區(qū)，其余空間可由通風(fēng)系統(tǒng)整體換氣。

（2）設(shè)置負(fù)壓抽吸系統(tǒng)：將風(fēng)機(jī)置于除臭裝置之后，使整套除臭設(shè)備處于負(fù)壓狀態(tài)，防止臭氣外逸。

（3）設(shè)置不銹鋼桿+鋼化玻璃隔斷：通過不銹鋼桿+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)行有效隔斷，盡量杜絕高濃度臭氣外溢。

（4）布置生物除臭和離子除臭系統(tǒng)：在預(yù)處理區(qū)域和泥處理區(qū)域布置生物除臭系統(tǒng)和離子送風(fēng)除臭系統(tǒng)，通過有效風(fēng)管布置和氣流收集處理后達(dá)標(biāo)排放。

（5）除臭裝置布置需避開立柱：針對地埋式污水廠立柱多的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，除臭裝置布置盡可能避開立柱，且除臭裝置池體寬度應(yīng)小于立柱間距（一般小于6 m）。當(dāng)臭氣量較大，可采用多套除臭裝置并聯(lián)。

3.2 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）臭源分區(qū)、就近處理：分區(qū)收集可將臭氣按濃度高低分別匯總至不同處理裝置，有利于針對性選擇處理工藝和調(diào)整工藝參數(shù)，方便實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)選。就近處理可避免收集風(fēng)管過長導(dǎo)致管道阻力損失過大，從而造成收集效果不佳、能耗高的問題，此外，收集風(fēng)管管損平衡的調(diào)節(jié)也將更加簡便。

（2）風(fēng)量計(jì)算及設(shè)備選型：結(jié)合風(fēng)量理論計(jì)算及仿真模擬的結(jié)果，確定出風(fēng)口位置及布置形式，結(jié)合風(fēng)機(jī)設(shè)備功率曲線進(jìn)行設(shè)備選型。

（3）優(yōu)化收集系統(tǒng)：利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對通風(fēng)管道的通風(fēng)量進(jìn)行模塊化的計(jì)算，并對于隔柵井調(diào)節(jié)池、污泥濃縮池、儲泥池、污泥脫水區(qū)域、污泥堆砌棚需要的換氣量，進(jìn)行比較系統(tǒng)的把控，并在數(shù)字化的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，顯著提高整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的針對性。

3.3 仿真模擬

對臭氣進(jìn)行仿真模擬，可以優(yōu)化除臭系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇。由于測點(diǎn)數(shù)量少監(jiān)測數(shù)據(jù)有限，并不能準(zhǔn)確的獲取各個(gè)區(qū)域的氣流流動(dòng)狀態(tài)，因此需要借助計(jì)算流體力學(xué)和CFD技術(shù)來進(jìn)一步分析，為尋找優(yōu)化控制策略和改善地埋式污水廠惡臭環(huán)境提供指導(dǎo)。

3.3.1 仿真模型

以某地埋式污水廠污泥脫水間為例，層高8.5 m，4個(gè)脫泥機(jī)置于房間一側(cè)，除臭系統(tǒng)管道高度為4 m，新風(fēng)管道高度為2.7 m，根據(jù)模型的特點(diǎn)本次選用k-epsilon（2 equ）模型。

3.3.2 三維模型建模

利用Solid Works組建三維模型，如圖1所示。

圖1 三維模型簡圖

3.3.3 模擬計(jì)算

使用ANSYS WORKBENCH平臺，搭建流體仿真模塊，將流體域分割成進(jìn)口管、房間區(qū)域、出口管、泄露源等幾塊區(qū)域。使用FLUENT流體仿真軟件，選擇以H2S、空氣來進(jìn)行擴(kuò)散仿真，送風(fēng)入口流量設(shè)置為8 000 m3/h轉(zhuǎn)換成質(zhì)量輸入，排風(fēng)口設(shè)置成自由流出，以保證質(zhì)量守恒。此后求解進(jìn)行迭代計(jì)算。對斷面上的臭氣濃度及流速進(jìn)行分析，斷面圖如圖2、圖3所示，可以看出該斷面臭氣明顯集中在壓泥機(jī)附近，且濃度較大、氣流速度較小，說明壓泥機(jī)附近可以適當(dāng)增加通風(fēng)口或擾流裝置，利于臭氣排出；另一部分臭氣隨著除臭系統(tǒng)的吸風(fēng)走向聚集，且因?yàn)樾嘛L(fēng)系統(tǒng)新鮮氣流的補(bǔ)充，臭氣濃度較低，說明房間另一側(cè)無臭氣排放源區(qū)域的新風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)口可適當(dāng)減少。

圖2 斷面臭氣濃度分布圖

圖3 臭氣速度分布圖

4 地埋式污水廠除臭通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行控制對策

4.1 在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1.1 智能控制設(shè)計(jì)

惡臭氣體動(dòng)態(tài)多變，業(yè)內(nèi)普遍控制方法是對風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，難以同時(shí)達(dá)到處理效果達(dá)標(biāo)和降低運(yùn)行費(fèi)用兩個(gè)目標(biāo)。智能控制設(shè)計(jì)能以巡回式軌道機(jī)器人、智能檢測頭盔等監(jiān)測方式為核心，更好地解決非線性、大滯后環(huán)節(jié)和變參數(shù)對象等控制問題[4]。

4.1.2 提高檢測頻次

根據(jù)進(jìn)氣濃度的檢測結(jié)果及變化趨勢進(jìn)行判斷，根智能控制反饋及報(bào)警情況適當(dāng)提高檢測頻次。

4.2 運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化控制

除臭通風(fēng)系統(tǒng)可以采用CFD數(shù)值模擬的方法，通過建模模擬，確定合適的換氣次數(shù)及自然補(bǔ)風(fēng)位置，在滿足室內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，又可優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)能降耗，提高能源利用效率[5]。

4.3 運(yùn)行模式優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.3.1 精準(zhǔn)化通風(fēng)排污模型

通過對全面通風(fēng)的排污模型與模仿進(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)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。根據(jù)風(fēng)量計(jì)算公式可算出，開啟新風(fēng)系統(tǒng)的時(shí)間及次數(shù)，將有害物濃度下降到預(yù)定濃度。

4.3.2 合理使用機(jī)械設(shè)備

對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行健康監(jiān)測，并及時(shí)添置機(jī)電設(shè)備，為舊設(shè)備分擔(dān)工作壓力。此外，在運(yùn)行過程中，合理的分配每一臺機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，不能夠讓機(jī)電設(shè)備始終處于高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)中[6]。在除臭系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)、水泵這類的機(jī)電設(shè)備耗能較大，為其配備變頻調(diào)速設(shè)備，根據(jù)電流、電壓情況進(jìn)行智能化處理，進(jìn)而更好的節(jié)能降耗。

5 結(jié)語

地埋式污水廠在生產(chǎn)運(yùn)營過程中，對除臭通風(fēng)進(jìn)行全流程優(yōu)化是十分必要的。通過優(yōu)化收集系統(tǒng)及仿真模擬的手段，為改善地埋式污水廠惡臭環(huán)境提供技術(shù)支持。合理選用在線監(jiān)測系統(tǒng)，優(yōu)化運(yùn)行模式、運(yùn)行參數(shù)，在此基礎(chǔ)上提升除臭效能、降低運(yùn)行成本、提升運(yùn)維效率，研究高效節(jié)能降耗的方案。