基于臭氣空間分布特性的城市污水除臭仿真

于 艷,于曉丹

(1. 吉林建筑科技學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院,吉林 長春 130114;2. 吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,吉林 長春 130118)

1 引言

隨著現(xiàn)代化工藝進程的日益加快,大量的工程和企業(yè)開始逐漸向居民中心靠攏,引發(fā)了一系列的惡臭污染投訴事件,同時有關(guān)惡臭污染的相關(guān)問題也得到政府部門的高度關(guān)注[1,2]。城市污水中產(chǎn)生的惡臭不僅會對人體的神經(jīng)系統(tǒng)以及呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生產(chǎn)生嚴(yán)重的損害,同時還會引發(fā)一系列精神問題。因此,國家相關(guān)部門以及有關(guān)部門制定了一系列污水排放標(biāo)準(zhǔn)以及工作環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)等,主要用來控制城市污水中的惡臭水體對城市環(huán)境以及人體健康產(chǎn)生的負(fù)面影響。

如何有效對城市污水進行除臭處理成為現(xiàn)階段研究的熱點話題,國內(nèi)相關(guān)專家給出了一些較好的研究成果,例如劉建偉等人[3]主要通過組合式生物工藝處理技術(shù)對污水處理廠排放出的惡臭氣體進行處理。肖作義等人[4]主要通過生物濾池法去除城市污水的惡臭物質(zhì)。

在上述兩種方法的基礎(chǔ)上,提出一種基于臭氣空間分布特性的城市污水除臭方法。經(jīng)實驗測試證明,所提方法可以有效去除城市污水中的惡臭物質(zhì)。

2 臭氣空間分布特性研究

城市污水的組成結(jié)構(gòu)是十分復(fù)雜的,不同惡臭源點分別是由不同的惡臭物質(zhì)組成。導(dǎo)致水體內(nèi)產(chǎn)生惡臭物質(zhì)的因素有很多種,例如季節(jié)動態(tài)變化特征以及惡臭物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程等等。另外,惡臭物質(zhì)的產(chǎn)量會隨著季節(jié)和時間的變化而變化。

城市污水除臭方式有很多種,例如催化劑氧化以及異味氧化法等。現(xiàn)階段,二氧化氮氧化除臭技術(shù)在國外已經(jīng)得到十分廣泛地應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和發(fā)展,通過CFD技術(shù)可以準(zhǔn)確描述臭氣的空間分布特征[5,6],通常包含以下幾個環(huán)節(jié):

1)組建數(shù)學(xué)物理模型;

2)數(shù)值算法求解;

3)結(jié)果可視化。

構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的主要目的是針對研究區(qū)域的所有流動問題進行詳細(xì)的數(shù)學(xué)描述,以此為依據(jù)建立微分方程,同時各個方程之間存在耦合關(guān)系,非線性特征比較強,需要借助數(shù)值方法進行求解。

當(dāng)對模型進行求解后,求解結(jié)果即為分布在網(wǎng)格節(jié)點上的不同數(shù)值,但是由于描述形式并不是十分直觀,而且現(xiàn)場工作人員很難進行理解,所以需要借助計算機進行詳細(xì)描述,將求解結(jié)果采用可視化技術(shù)進行描述[7,8],方便工作人員理解和掌握。

微分形成的流體動力學(xué)基本方程主要包含以下幾種形式,分別為

1)連續(xù)性方程可以表示為式(1)的形式

(1)

式中,ρ代表流體的密度;t代表時間;u、v和w分別代表在x、y、z不同方向上的位置矢量。

2)動量方程表示為式(2)的形式

(2)

式中,Su、Sv和Sw代表方程的廣義源項;div(μgradu)、div(μgradv)和div(μgradv)分別代表不同坐標(biāo)方向下的動能。

3)利用式(3)給出能量守恒方程的具體表達(dá)形式:

(3)

式中,k代表氣體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);ST代表氣體的粘度系數(shù)。

臭氣強度主要是指清潔空氣稀釋惡臭樣品直至樣品無味時所需要的稀釋倍數(shù)。

從大的角度而言,惡臭物質(zhì)主要有兩個比較大的發(fā)生源[9,10],分別為:

1)自然發(fā)生源

當(dāng)動植物內(nèi)部包含的蛋白質(zhì)成分被稀釋之后,形成的氣體具有一定的臭味;當(dāng)火山噴發(fā)時,也會形成氣味比較濃烈的硫酸味;河水或者湖水長時間停留,由于雨水以及各種污染物的大量置入,也會形成比較難聞的臭味。

2)人工發(fā)生源

有生產(chǎn)污染源和生活污染源,一般生產(chǎn)污染源主要來自人類自身生產(chǎn)的過程,日化工程以及石油精煉廠等。

污水中的惡臭物質(zhì)不僅會對人類的身體健康產(chǎn)生影響,同時還會破壞城市居民的生活環(huán)境,對社會和經(jīng)濟的整體發(fā)展產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

根據(jù)北京環(huán)境監(jiān)測中心制定的惡臭強度分析方法,具體的分級情況如表1所示。

表1 北京市定制的惡臭強度分類方法

3 污水除臭仿真設(shè)計

3.1 方法

實驗主要劃分為兩個部分進行,其中一部分是針對J城市污水處理廠進行監(jiān)測;另外對污泥脫水機房的污水水平進行監(jiān)測[11,12],兩地均采用現(xiàn)場監(jiān)測,詳細(xì)的監(jiān)測步驟如下所示:

1)對J城市污水處理廠的污染物濃度水平進行監(jiān)測,主要包含的惡臭污染物質(zhì)為硫化氫以及甲硫醇等,同時還需要記錄不同惡臭物質(zhì)的變化規(guī)律。

2)對污泥脫水機房的污染濃度水平進行監(jiān)測,主要監(jiān)測的污染物為硫化氫以及甲硫醇等,將各個惡臭物質(zhì)的變化情況進行詳細(xì)記錄。

3)通過以上兩個區(qū)域的連續(xù)監(jiān)測,能夠獲取分別獲取各個區(qū)域的污水污染物濃度變化情況以及變化規(guī)律。

4)根據(jù)污水中惡臭物體近六個月的變化規(guī)律,考慮有可能的影響因素,對惡臭物體的污染強度進行估算[13,14]。

5)每次監(jiān)測需要記錄當(dāng)時的溫度以及氣候變換等相關(guān)參數(shù),同時在監(jiān)測前期還需要詳細(xì)說明污水處理廠的使用情況。

①監(jiān)測時間

監(jiān)測時間為每天的早上8:00～9:30。

②監(jiān)測地點

城市污水處理廠需要根據(jù)水量進行調(diào)節(jié)[15,16],在滿負(fù)荷狀態(tài)下,污水處理廠內(nèi)的全部污泥濃縮機同時進行工作;在非滿負(fù)荷條件下,需要根據(jù)水量的不同對污泥濃縮機的數(shù)量進行調(diào)整。

③監(jiān)測頻率

在2020年的2月、4月、6月以及8月進行連續(xù)監(jiān)測,即每隔一天測量一次。

④監(jiān)測儀器

利用表2給出監(jiān)測儀器的型號以及相量程、精度的相關(guān)信息:

表2 實驗監(jiān)測儀器

3.2 實驗結(jié)果

通過以上實驗方法,分別對污水處理廠中的主要污染物進行為期四個月的檢測,具體的實驗結(jié)果如下所示:

1)利用表3～表5給出硫化氫、氨以及甲硫醇隨著溫度的變化曲線．

表3 硫化氫濃度和溫度之間的關(guān)系

表4 氨濃度和溫度之間的關(guān)系

表5 甲硫醇和溫度之間的關(guān)系

分析表3～表5中的實驗數(shù)據(jù)可知,在污水中的硫化氫濃度最高。另外,隨著溫度的不斷增加,各種污染物質(zhì)也有直線上升的趨勢。當(dāng)達(dá)到一定溫度時,污染物的生成趨勢會逐漸變緩慢。

2)通過上述實驗方法,分別對污泥脫水機房的主要污染物進行測試,測試結(jié)果如圖6～圖8所示．

分析表6～8中的實驗數(shù)據(jù)可知,硫化氫的濃度最高。而且隨著溫度的不斷上升,各種污染物的濃度也會隨之上升。尤其是在夏季穩(wěn)定比較明顯時,污染物的上升趨勢更加明顯。

表6 硫化氫濃度和溫度之間的關(guān)系

表7 氨濃度和溫度之間的關(guān)系

表8 甲硫醇和溫度之間的關(guān)系

在J城市的污水處理廠以及污泥脫水機房中,各種污染物的濃度會隨著溫度的增加而增加,當(dāng)達(dá)到一定溫度時,硫化氫的上升趨勢也開始變得緩慢,而氨和甲硫醇的濃度依舊呈直線上升趨勢。

在溫度比較低的環(huán)境下,污泥脫水機房的污染物濃度明顯高于J城市的污水處理廠,主要是因為污泥脫水機房的封閉效果更加好,而且室內(nèi)配有暖氣,使污染物的濃度維持在較高的狀態(tài)。

通過上述實驗測試結(jié)果經(jīng)過定性分析可知,污染物的濃度會隨著溫度的增加而上升,但是僅僅從氣體溫度的變化規(guī)律很難通過定量分析得到污水中污染物的源強,其中影響源強的因素有很多種,具體如下所示:

①J城市為北方內(nèi)陸城市,冬季降水以及居民用水都得到明顯降低,同時導(dǎo)致污水處理廠的水量下降,進而活性污泥處理量也會隨之減少。

②污泥脫水機房內(nèi)主要形成污泥厭氧發(fā)酵反應(yīng),其中污泥厭氧發(fā)酵進程會十分容易受到水溫的影響。

全面考慮上述影響因素,對污泥脫水機房中氣溫和水溫進行監(jiān)測,具體實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 污泥脫水機房中水溫和溫度之間的關(guān)系分析

通過計算,可以獲取不同區(qū)域的污泥對于不同污染物的單位負(fù)荷和水溫之間的關(guān)系曲線,進而得到污染物濃度的估算方式。

3)污泥脫水機房

利用圖2給出污泥脫水機房中不同污染物濃度回歸曲線。

圖2 污泥脫水機房水溫和單位污染物的負(fù)荷變化情況

在圖3的基礎(chǔ)上,可以獲取不同污染物的負(fù)荷估算結(jié)果,具體如表9所示:

表9 不同污染物負(fù)荷估算結(jié)果

在確定城市污水的濃度變化情況后,需要對完整的生物濾池系統(tǒng)進行進一步完善,有效達(dá)到城市污水去除的目的。其中,污水惡臭物質(zhì)的去除率是一項十分重要的指標(biāo)。以下給出詳細(xì)的操作過程:

1)濾料:

池內(nèi)的濾料主要選取礦石作為基礎(chǔ)的無機濾料,將濾料的尺寸設(shè)定在5到12mm之間。將天然礦石作為原料,由于礦石具有多孔結(jié)構(gòu),同時添加了一些無機鹽作為微生物活動所需要的養(yǎng)分。

2)菌種:

實驗使用的菌種主要來源于污水處理廠的二沉池活性污泥,通過微生物馴化方法可以篩選出用于生物濾波進行臭氣處理的菌種。進行馴化的主要目的是促使目標(biāo)菌群在濾料上快速生長,有效排除其它不利因素。其中,馴化的主要操作步驟如下所示:

①在前72小時內(nèi)分別向活性污泥中添加一定劑量的Na2S溶液,同時將配好的溶液均勻噴淋在濾料的表面,引入臭氣進行馴化處理。

②在后96小時內(nèi)使用市政供水噴淋在濾料的表面,確保濾料的濕度,同時引入臭氣進行馴化處理。

3)監(jiān)測方法:

根據(jù)改變?yōu)V池的溫度,監(jiān)測三種不同污染物在不同污染物下的去除效率,同時獲取不同污染物的去除率變化情況。

在2020年內(nèi)對J城市污水處理廠進行連續(xù)監(jiān)測,當(dāng)工程運行之后,需要對濾床的溫度進行設(shè)定,后續(xù)連續(xù)測量一周并記錄。實驗過程中,還需要考慮不同干擾因素,其中相關(guān)影響參數(shù)的監(jiān)測范圍如表10所示。

表10 相關(guān)參數(shù)監(jiān)測范圍

在上述基礎(chǔ)上,分析溫度對濾池去除污水中污染物效果的影響,具體實驗結(jié)果如表11～表13所示。

表11 硫化氫去除率和溫度之間的關(guān)系分析

表12 氨去除率和溫度之間的關(guān)系分析

表13 甲硫醇去除率和溫度之間的關(guān)系分析

分析表11～13中的實驗數(shù)據(jù)可知,當(dāng)濾除溫度持續(xù)增加,各種污染物的去除率也呈直線上升趨勢。其中,硫化氫和氨的去除率都在90%以上,但是甲硫醇的去除率相對更低一些。由此可見,采用所提方法可以有效去除污水中的污染物,獲取更加理想的污水除臭效果。

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)方法存在的一系列問題,設(shè)計并提出一種基于臭氣空間分布特性的城市污水除臭方法。經(jīng)實驗測試證明,所提方法可以獲取理想的城市污水除臭結(jié)果,為后續(xù)關(guān)于污水除臭方面的研究提供一定的理論研究。