CFD模擬在城市污水處理廠臭氣收集及工況優(yōu)化中的應(yīng)用

鞠慶玲

(西原環(huán)保<上海>股份有限公司,上海 201204)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速,污水收集與處理率顯著增加,污水處理生化池中產(chǎn)生的臭氣問(wèn)題也日益突出[1-2]。雖然臭氣處理技術(shù)較為成熟(包括生物處理法、吸附法、化學(xué)吸收法、熱力學(xué)法等)[3-4],但收集系統(tǒng)還存在管道布設(shè)不規(guī)范、臭氣收集效率不高、臭氣外溢等問(wèn)題。除臭效果低不僅會(huì)導(dǎo)致工程建設(shè)和運(yùn)維管理成本增高[4-5],還會(huì)引起污水處理設(shè)備腐蝕等一系列問(wèn)題。因此,臭氣收集系統(tǒng)的氣流組織設(shè)計(jì)優(yōu)化將是污水處理廠設(shè)計(jì)中的一個(gè)新重點(diǎn)。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)是進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞及多相流研究的核心與重要技術(shù)[6],已在多行業(yè)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用,如加熱通風(fēng)和空調(diào)、航空航天、車(chē)輛空氣動(dòng)力和建筑設(shè)計(jì)。CFD可預(yù)測(cè)流量及壓力變化、噪聲生成及溫度變化[7],是一款能夠良好模擬高、大空間建筑室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)形成的溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、壓力和速度場(chǎng)等空氣流場(chǎng)的軟件。在污水處理廠除臭設(shè)備中,利用CFD模擬計(jì)算、調(diào)整通風(fēng)口位置及尺寸,并以流線的形式展示出室內(nèi)氣流組織的分布情況[8],進(jìn)而直觀地發(fā)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足之處,進(jìn)行提前修正,在源頭上就降低了設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)維的成本[9]。

在污水處理廠除臭工程中,仍延續(xù)著利用廣泛分布的吸風(fēng)口實(shí)現(xiàn)臭氣收集功能的設(shè)計(jì)習(xí)慣?？紤]到氣體收集與污水處理工藝流程、構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)和布局之間的功能協(xié)調(diào)性,這種方法很難高效實(shí)現(xiàn)臭氣的收集,同時(shí),也可能產(chǎn)生工程改造過(guò)程艱難、工程造價(jià)過(guò)高等問(wèn)題。研究CFD在污水處理廠除臭工程中的應(yīng)用,有助于完善污水處理系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)方法。

香港最大污水處理廠——昂船洲污水處理廠(處理規(guī)模為176萬(wàn)m3/d)的除臭工程中,本研究團(tuán)隊(duì)已嘗試?yán)肅FD對(duì)臭氣收集的流態(tài)進(jìn)行模擬,并成功優(yōu)化了管道布局和補(bǔ)風(fēng)位置,極大程度地減少了外部收集管道的布設(shè)。這使得臭氣收集管道設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔且精準(zhǔn)、氣體流場(chǎng)分布均勻、空氣流動(dòng)阻力小。該除臭工程中臭氣收集量為10萬(wàn)m3/h,除臭效率達(dá)到99%,污水處理廠硫化氫質(zhì)量濃度維持在不高于0.2 mg/m3的水平,最大程度地避免了污水處理廠臭氣對(duì)居民的生活影響。

本文以某50萬(wàn)m3/d生活污水處理廠的除臭工程管道優(yōu)化工程為研究對(duì)象,利用CFD模擬好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)的氣流組織,詳細(xì)分析模型應(yīng)用過(guò)程數(shù)據(jù),并總結(jié)CFD在污水處理廠臭氣收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值。

1 模擬對(duì)象

本研究模擬對(duì)象為一組生物反應(yīng)池,工藝采用厭氧-缺氧-好氧(AAO)水處理工藝,厭氧區(qū)面積為1 092 m2,缺氧區(qū)面積為3 318 m2,好氧區(qū)面積為6 174 m2,曝氣量為33 375 m3/h。研究時(shí),生化池的現(xiàn)狀補(bǔ)風(fēng)口與除臭風(fēng)管的布置如圖1所示。本研究除臭風(fēng)量計(jì)算、水處理工藝的漏風(fēng)點(diǎn)及漏風(fēng)量估算、補(bǔ)風(fēng)點(diǎn)設(shè)置、抽風(fēng)點(diǎn)負(fù)壓設(shè)置情況如表1所示。

表1 生化池臭氣收集工藝計(jì)算Tab.1 Calculation of Odor Collection Process in Biochemical Pool

圖1 生化池補(bǔ)風(fēng)口與除臭風(fēng)管布置Fig.1 Air-Supplement Vent and Deodorization Pipes on Biochemical Pool

2 數(shù)學(xué)模型和控制方程

CFD建模常見(jiàn)的商業(yè)軟件包括Ansys-Fluent、Ansys-CFX、Phoenics、CFD2000 和Star-CFD[10]?？刂品匠贪ㄙ|(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒[11]。在進(jìn)行模擬時(shí),優(yōu)化目標(biāo)的第一步是“定義和假設(shè)”以簡(jiǎn)化模擬,第二步是準(zhǔn)備系統(tǒng)的“幾何模型”分析流體行為。系統(tǒng)的幾何模型準(zhǔn)備完成后,網(wǎng)格生成將模型細(xì)分為n數(shù)口袋。網(wǎng)格生成是設(shè)置單元格區(qū)和邊界條件的必要條件,以便解算器能夠運(yùn)行,從而預(yù)測(cè)系統(tǒng)中每個(gè)點(diǎn)之間的流量條件。

模型根據(jù)Revit模型以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)平面圖紙?jiān)贑AD軟件以及scStream前處理Preprocessor中進(jìn)行幾何模型建立,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及相關(guān)邊界條件設(shè)置。

2.1 網(wǎng)格劃分與求解計(jì)算

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量或者體網(wǎng)格的總數(shù)會(huì)影響結(jié)果的收斂情況,對(duì)計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性產(chǎn)生較大影響[12-13]。目前,scStream前處理Preprocessor網(wǎng)格主要以結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格為主,故本研究模型結(jié)構(gòu)規(guī)整以六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

本研究對(duì)象計(jì)算空間相對(duì)風(fēng)口較大,因此,局部加密風(fēng)口處的網(wǎng)格,最小網(wǎng)格尺寸為5 mm,最小離子風(fēng)管的單個(gè)風(fēng)孔在8個(gè)網(wǎng)格左右。模型總網(wǎng)格數(shù)量為3 000多萬(wàn)個(gè),如圖2所示。

圖2 工藝間的整體、墻壁及管路的網(wǎng)格劃分Fig.2 Grids Division of Whole Process Room, Walls and Pipelines

使用scStream求解器Solver進(jìn)行計(jì)算模擬[14],計(jì)算使用的電腦為24核并行小型服務(wù)器,計(jì)算迭代步長(zhǎng)為1 000步,收斂曲線總體達(dá)到較為平穩(wěn)狀態(tài),計(jì)算時(shí)間為28 h。

2.2 CFD控制方程

基于質(zhì)量保護(hù)原則的方程稱(chēng)為連續(xù)性方程[15-17]。對(duì)于任何流體的連續(xù)流動(dòng),它必須滿(mǎn)足連續(xù)性方程。本次氣流組織模擬采用黏性不可壓縮Navier-Stokes的方程,流體域的連續(xù)和動(dòng)量相關(guān)方程如式(1)～式(3)。本研究中的臭氣收集過(guò)程是強(qiáng)制對(duì)流,因此,忽略能量方程和濕度擴(kuò)散。

(1)

(2)

μeff=μ+μt

(3)

其中:u——速度,m/s;

ρ——為密度,mg/m3;

t——時(shí)間,s;

P——壓力,Pa;

μeff——有效湍流黏性系數(shù),Pa/s;

μ——黏性系數(shù),Pa/s;

μt——湍流附加黏性系數(shù),Pa/s。

2.3 湍流模型

CFD中提供不同的湍流模型,以模擬生化池中氣體的機(jī)械混合,如標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、可實(shí)現(xiàn)的k-ε模型、SSTk-ε模型和雷諾茲應(yīng)力模型[18]。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是由Launder等[19]提出,模型本身具有的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、較高的計(jì)算精度使之成為湍流模型中應(yīng)用范圍最廣,也最為人熟知的一個(gè)模型[20]。因此,本研究湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,通過(guò)求解湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε方程,得到k和ε的解,然后再用k和ε的值計(jì)算湍流黏度,最終通過(guò)Boussinesq假設(shè)得到雷諾應(yīng)力的解。

3 模擬與修正

3.1 模擬結(jié)果與討論

本研究選取高程Z1=8.60 m(水面以上較低處)、Z2=9.78 m(吸風(fēng)口截面)和Z3=10.16 m(靠近補(bǔ)風(fēng)口并遠(yuǎn)離水位)。多方向選取截面,對(duì)各高度的水平面進(jìn)行CFD仿真風(fēng)場(chǎng)分析,以利于更好地觀察風(fēng)場(chǎng)氣流的分布情況。

由圖3可知,當(dāng)Z1=8.60 m時(shí),厭氧區(qū)和好氧區(qū)內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)較為均勻,但流速隨通道口方向距離增加而增加。兩者之間的通道口(區(qū)域 ①紅色框內(nèi))流速最大可達(dá)0.43 m/s。通風(fēng)口較小,入風(fēng)口風(fēng)速增加,整體空間風(fēng)量分布不均,進(jìn)而造成污水處理廠的除臭效率較低[21]。此外,平面矢量圖如圖4所示,通風(fēng)口下方的氣流速度相對(duì)較大,最大可達(dá)0.2 m/s,而遠(yuǎn)離補(bǔ)風(fēng)口位置的氣流流速較小,通風(fēng)效果不斷減弱,導(dǎo)致存在較大的死角[22]。模擬結(jié)果表明,生化池內(nèi)的氣流動(dòng)力學(xué)受垂直氣體羽流和水平流相互競(jìng)爭(zhēng)的控制[23]。因此,在沒(méi)有水平氣流體運(yùn)動(dòng)的情況下,擴(kuò)散器釋放的氣體羽流之間的相互作用產(chǎn)生垂直的、巨大的氣流循環(huán),即螺旋流,產(chǎn)生低氣體阻塞[24]。建議將此通風(fēng)口徑增大,或?qū)㈤_(kāi)口下移,或在區(qū)域 ②黃色部分內(nèi)增設(shè)通風(fēng)口,預(yù)期可以很好地降低氣體運(yùn)動(dòng)過(guò)程的速度降,氣體流場(chǎng)更加均勻。通風(fēng)口的尺寸和位置的修正參數(shù),同樣也可以先通過(guò)CFD驗(yàn)證后再進(jìn)行實(shí)際工程建設(shè)。

圖3 平面氣流云(Z1=8.60 m)Fig.3 Plane Airflow Cloud (Z1=8.60 m)

圖4 平面氣流矢量圖(Z1=8.60 m)Fig.4 Vector Diagram of Plane Airflow(Z1=8.60 m)

對(duì)Z2=9.78 m處內(nèi)墻通氣孔處的氣流進(jìn)行模擬,平面氣流矢量圖(圖5)結(jié)果顯示,風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速較大,最大風(fēng)速為2.76 m/s,而風(fēng)管外區(qū)域風(fēng)速較小,為1 m/s。同樣,在缺氧區(qū)和好氧區(qū)的墻壁通風(fēng)口附近風(fēng)速較大,分布極不均勻。現(xiàn)實(shí)中,污水處理廠缺氧與好氧區(qū)之前的墻壁通風(fēng)口只有一排,這是該處風(fēng)速增大,氣場(chǎng)分布不均的主要原因。然而,污水處理工藝設(shè)計(jì)與氣體收集處理工藝設(shè)計(jì)通常并不統(tǒng)一考慮,所以,通氣口的尺寸以及其對(duì)流場(chǎng)的影響未在常規(guī)生化池設(shè)計(jì)工作中得到足夠的重視。因此,將CFD加入污水處理廠生化池的設(shè)計(jì)中,對(duì)于生化池加蓋臭氣收集很有必要且意義重大。本案例中,建議內(nèi)墻在Z軸方向上多開(kāi)設(shè)幾個(gè)通風(fēng)口,以減緩氣流速度,均勻氣流場(chǎng)。同樣,Z軸方向通風(fēng)口的位置、尺寸也需要在CFD中驗(yàn)證后再進(jìn)行實(shí)際工程建設(shè)。

圖5 平面氣流矢量圖(Z2=9.78 m)Fig.5 Vector Diagram of Plane Airflow(Z2=9.78 m)

如圖5所示(黃色框內(nèi)區(qū)域 ②),由于氣流組織的影響,箭頭指向的管道口風(fēng)速最大,沿著X軸負(fù)方向,管道風(fēng)口的風(fēng)量逐漸減小,是風(fēng)管通風(fēng)不均勻的體現(xiàn),建議改善厭氧區(qū)和好氧區(qū)的墻壁通風(fēng)口的布置。風(fēng)場(chǎng)速度分布不均勻,將導(dǎo)致吸風(fēng)口的吸風(fēng)主要集中在黃框內(nèi)的吸風(fēng)口。因此,建議修改缺氧區(qū)和好氧區(qū)的通風(fēng)口。

Z3=10.16 m處的平面氣流云(圖6)顯示好氧區(qū)和厭氧區(qū)通道內(nèi)速度分布不均勻。由于氣流組織造成吸風(fēng)口的吸風(fēng)主要集中區(qū)域 ②紅色箭頭處,區(qū)域 ①黃色箭頭處吸風(fēng)不明顯。通風(fēng)口(區(qū)域 ③紅色框線處)并沒(méi)有引起太大的氣流不均勻性。因此,建議改進(jìn)好氧區(qū)和缺氧區(qū)通道。

圖6 平面氣流云(Z3=10.16 m)Fig.6 Plane Airflow Cloud (Z3=10.16 m)

3.2 模型修正

不同高度氣體流程的模擬分析結(jié)果表明,傳統(tǒng)污水處理工藝設(shè)計(jì)在氣體收集流場(chǎng)方面的內(nèi)容缺失。利用CFD對(duì)生化池收集氣場(chǎng)的模擬,符合生化池臭氣收集工程設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)需求,可以根據(jù)可視化模型圖,總結(jié)修正方案,使工程方案設(shè)計(jì)更加具有針對(duì)性。

本研究中,根據(jù)不同Z軸方向的氣流模擬分析,本研究對(duì)修正后的氣流分布再次進(jìn)行模擬,如圖7所示。在Z1=8.60 m、Z2=9.78 m和Z3=10.16 m的氣流速度場(chǎng)相比修正之前有明顯變化,整體來(lái)看氣流分布較為均勻,尤其是在通風(fēng)口的高強(qiáng)氣流速度下降,厭氧室的氣體分布越加均勻,風(fēng)速也逐漸平穩(wěn)。此外,氣體可以送到室內(nèi)各個(gè)角落且能夠讓新風(fēng)更加均勻地送出,有效地改善室內(nèi)渦流現(xiàn)象,降低除臭氣體總量。

圖7 修正后的不同高度平氣流矢量圖Fig.7 Revised Vector Diagram of Flat Airflow at Different Heights

4 結(jié)論與建議

根據(jù)CFD研究結(jié)果及香港昂船洲污水處理廠的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),對(duì)于整體密封的污水處理池,本研究建議通過(guò)池內(nèi)液面上空間聯(lián)通的方式使氣相相連,進(jìn)行臭氣收集,并且總結(jié)出以下建議。

(1)收集方式。充分利用原工藝上原有的“風(fēng)源”進(jìn)行臭氣輸送。比如,將好氧區(qū)的曝氣和有組織的補(bǔ)風(fēng)作為風(fēng)源。好氧區(qū)產(chǎn)生的臭氣以大風(fēng)量、較高流速在連通的氣相空間以掃過(guò)的方式單向流動(dòng),所有臭氣均從厭/缺氧區(qū)收集。臭氣收集方向和污水流方向相逆,臭氣由低濃度區(qū)域向高濃度區(qū)域流動(dòng),使生化池除臭收集區(qū)的實(shí)際換風(fēng)量增大,風(fēng)速變大,濃度降低,臭氣的收集和處理效率都得到了提高。此外,池內(nèi)氣相負(fù)壓方面,好氧區(qū)出水部位最小,污水入池的首個(gè)厭氧區(qū)負(fù)壓最大。如此,大大增加了“厭/缺氧區(qū)”換氣次數(shù),從而降低了池內(nèi)的爆炸和毒性風(fēng)險(xiǎn),也減緩了臭氣對(duì)收集管道的腐蝕。

(2)收集效率。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中會(huì)在收集系統(tǒng)中布置較多的吸風(fēng)口,這可能會(huì)在遠(yuǎn)端的角落形成死角,導(dǎo)致臭氣聚集而得不到收集,存在爆炸和毒性的危險(xiǎn),也會(huì)加重對(duì)池壁的腐蝕。本研究對(duì)池內(nèi)設(shè)計(jì)的收集方式是掃過(guò)的流場(chǎng),可以帶走全部的污染物。而且利用CFD模擬,優(yōu)化流場(chǎng)分布,可以減少整體的除臭風(fēng)量,可較大幅度減少風(fēng)管工程量,同時(shí)也提高了臭氣收集效率。

(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于生化池上方加蓋的密封,需盡量封死,并根據(jù)CFD模擬結(jié)果,在合理位置進(jìn)行有序單向補(bǔ)風(fēng)。建議采用壓力可調(diào)節(jié)的余壓閥進(jìn)行單向補(bǔ)風(fēng),以確保較高的臭氣收集效率。

(4)投資費(fèi)用。本研究的臭氣收集方式,實(shí)際意義是利用好氧池的低濃度氣體掃過(guò)“厭/缺氧區(qū)”并帶走臭氣物質(zhì),如控制得當(dāng),可以減少甚至取消“厭/缺氧區(qū)”的臭氣計(jì)算風(fēng)量,從而減小除臭系統(tǒng)的規(guī)模,節(jié)省投資和運(yùn)行費(fèi)用。

(5)節(jié)能降耗。按照本研究提出的臭氣收集方式,可以省去池頂諸多的收集風(fēng)管,且整個(gè)收集系統(tǒng)的流速遠(yuǎn)低于風(fēng)管內(nèi)的流速,從而降低了收集系統(tǒng)的阻力,整個(gè)除臭系統(tǒng)更節(jié)能。