大型污泥脫水車間除臭送排風模擬和優(yōu)化研究

周 斌，胡 聰，林莉峰

[1.上海城投污水處理有限公司，上海市 201203；2.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

但實際往往由于收集系統(tǒng)不完善造成除臭效果有限，整個除臭工程仍未發(fā)揮出應有的效益[1]。因此我們要更加重視臭氣源的收集，而送排風管道設計是臭氣收集系統(tǒng)的核心。

隨著時代科技的日新月異，更多的先進軟件被用于輔助和指導設計。陳思維通過CFD 研究了不同送排風量下脫水機房豎直離子風管的通風除臭效果[2]。劉洪波運用CFD 軟件對污泥脫水機房惡臭污染進行仿真分析，結果表明氣流組織對H2S 擴散分布影響較大，可通過CFD 數(shù)值模擬確定最佳的惡臭收集位置，在機房內形成良好的氣流組織，并獲得最佳的惡臭收集效果[3]。

本文以白龍港污泥處理處置二期工程污泥脫水車間為例，引進了CFD 虛擬仿真技術來進行輔助設計并驗證設計的合理性。通過對初始設計中污泥脫水及干化車間的臭氣源強以及除臭送排風的氣流組織模擬，找出除臭收集系統(tǒng)設計中存在的問題，并有針對性地提出優(yōu)化建議，以滿足現(xiàn)有職業(yè)健康標準和環(huán)保排放標準。

1 脫水車間送排風氣流組織模擬

1.1 軟件和模型

所謂氣流組織形式，是指空氣氣流流動受送回風口、送風速度以及建筑結構影響而形成的不同組織形式的流場。進行氣流組織模擬，需要對研究對象進行建模。本文研究選用的CFD 模擬軟件為scStream，此軟件為日本公司1984 年首次發(fā)布的，是一款通用的結構化網(wǎng)格（直角或圓柱）熱流體分析軟件。sc-Stream 軟件自帶前處理Preprocessor（模型建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件定義）、求解器Solver（求解計算）、Postprocessor 后處理（計算數(shù)據(jù)圖像畫、圖形展示、動畫制作）等功能集成為一體。scStream 被廣泛應用于建筑物的環(huán)境控制分析以及影響環(huán)境的室內外空氣以及熱流場分析。

首先，通過CFD 軟件進行幾何模型的建立、劃分網(wǎng)格以及定義邊界條件來滿足后期的模擬計算。模型的建立是根據(jù)設計方可以提供的Revit 模型以及CAD 平面圖紙在CAD 軟件以及scStream 前處理Preprocessor 中進行幾何模型建立。其次，通過CFD軟件來判斷網(wǎng)格是否滿足條件、選定所需要的物理模型、設置模型的計算區(qū)域和邊界條件、選定計算方法，經(jīng)過初始化條件之后開始迭代計算，將計算得到的結果保存以方便后處理。最后通過Postprocessor 后處理軟件進行圖像的后處理。

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分對計算結果的真實性有較大影響。如果網(wǎng)格劃分的質量差或者網(wǎng)格的總數(shù)較少，計算結果往往會難以收斂或者偏離實際情況。因此需要在計算收斂的情況下，盡可能達到高質量的網(wǎng)格水平，以使得后期計算結果符合實際。

網(wǎng)格的劃分有結構化、非結構化以及兩種混合的三種類型。由于本文所選的模擬對象脫水車間近似為規(guī)則的六面體，本文采用結構化網(wǎng)格。脫水車間的尺寸為53.9 m（L）×30.8 m（W）×12.0 m（H），圖1 為脫水車間及主要設備布置示意圖。脫水機房內北側二層設備平臺（標高4.2 m）距墻4.5 m 并排布置7臺離心脫水機，本研究按7 臺離心脫水機同時運行考慮，脫水機外殼模型尺寸為6.0 m（L）×1.8 m（W）×2.0 m（H）；每臺離心脫水底部設置一臺出泥螺桿泵（標高0.0 m），出泥螺桿泵模型尺寸為7.0 m（L）×0.8 m（W）×0.8 m（H）；脫水機房內東南角距墻7.0 m并排布置7 臺進泥螺桿泵（標高0.0 m），進泥螺桿泵模型尺寸為4.35 m（L）×0.8 m（W）×0.6 m（H）。脫水機房內西南角為低壓配電間和變壓器室。利用scStream 自帶的前處理Preprocessor 對脫水機房中的流體區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，生成六面體結構化網(wǎng)格。為了使模擬計算的結果更加精確，對排風口和送風口處進行網(wǎng)格加密化處理，最小網(wǎng)格尺寸為1.3 mm，最小的模型在8 個網(wǎng)格左右，最終得到的六面體網(wǎng)格總數(shù)量為6 344.822 萬個（706×430×209），見圖2。對模型進行網(wǎng)格無關性檢驗，最終確定得到的網(wǎng)格數(shù)量與模擬結果沒有相關性。

圖1 脫水車間平面布置示意圖（單位：mm）

圖2 脫水車間網(wǎng)格圖

1.3 邊界條件

邊界條件一般會對數(shù)值計算產(chǎn)生重要的影響，因而要在合適的位置選擇合適的邊界條件。脫水車間邊界有門、排風口和送風口。根據(jù)該車間惡臭氣體逸散特點、送風形式和邊界條件的物理機理對脫水車間的邊界類型進行設定。運行過程中，車間大門基本處理開啟狀態(tài)，但門口設定了風幕門，可能當作與外界不流通。送風口和排風口是脫水車間空氣流動的動力源，均由風機提供動力，并且惡臭濃度、空氣流速、溫度、相對濕度等都是不均勻和變化的。另作以下簡化假設：

（1）室內的空氣（和臭氣）為不可壓縮理想氣體，密封性良好；

（2）車間墻壁、地面和頂面均為無滑移絕熱壁面。

為了保證臭氣不會逸散到外部空間造成環(huán)境污染，脫水機房內部應保持為微負壓狀態(tài)，因此排風系統(tǒng)的風量要大于送離子新風系統(tǒng)的風量?，F(xiàn)有脫水車間共設置了兩組送離子新風系統(tǒng)，風量均為60 000 m3/h；排風系統(tǒng)兩套，風量分別為95 000 m3/h 和50 000 m3/h，送、排風管道平面布置和立體模型分別見圖3、圖4。圖4 風管立體模型中，藍色部分為離子送風管道，紅色部分為臭氣收集排放管道。

圖3 脫水車間送排風管道平面圖

圖4 脫水車間送排風管道模型圖

污染物的泄露濃度按常見脫水車間的濃度取值并適當放大。臭氣濃度為3 000～30 000（無量綱），主要臭氣成分為氨、硫化氫和甲硫醇。極端工況下臭氣濃度可達50 000（無量綱）以上，甲硫醇濃度預估為5～10 mg/m。

1.4 控制方程與湍流模型

1.4.1 CFD 控制方程

本次氣流組織模擬采用粘性不可壓縮Navier-Stokes 的方程，流體域的連續(xù)和動量方程見式（1）～式（3）：

式中：u 為流體運動速度，m/s；Ρ 為流體密度，kg/m3；T 為時間，s；P 為流體壓力，Pa；μeff為流體有效湍流粘性系數(shù)，μeff= μ + μt，μ 為流體動力黏度系數(shù)，μt為湍流附加粘性系數(shù)，Pa·s；C 為擴散物濃度，無量綱；Dm為擴散系數(shù)，m2·s-1；D 為擴散物源項，l·s-1。

使用scStream 求解器Solver 進行計算模擬。使用電腦為36 核并行小型服務器進行模擬計算，收斂曲線總體達到較為平穩(wěn)狀態(tài)，計算時間為28 h 左右。

1.4.2 湍流模型

湍流模型采用標準k-ε 模型。標準k-ε 模型是由Launder 和Spalding 提出，模型本身具有的穩(wěn)定性，經(jīng)濟性和比較高的計算精度使之成為湍流模型中應用范圍最廣、也最為人熟知的一個模型。標準kε 模型通過求解湍流動能k 和湍流耗散率ε 方程，得到k 和ε 的解，然后再用k 和ε 的值計算湍流黏度，最終通過Boussinesq 假設得到雷諾應力的解。

1.5 模擬結果與分析

1.5.1 送風模擬

通過CFD 進行虛擬仿真模擬計算，分別模擬了車間高度（Z 方向）不同高度上車間長度（X 方向）和車間寬度（Y 方向）的送風風速流場，見圖5。

圖5 脫水車間不同高度的送風風速流場

從圖5 中可以看出，送風管道在1.5 m 高度處的風速流場基本在0～0.5 m/s，送風效果不佳，且1.5 m高度基本屬于工作人員的呼吸區(qū)域。從職業(yè)健康角度，需要加強此區(qū)域的離子送風。另外一個值得注意的地方是：從送風口中心截面圖（見圖6）可看出，送風氣流在送風口處最大（超過2 m/s）并隨著遠離送風口而速度迅速衰減，由此可將送風口處的形式由普通網(wǎng)格改為球形噴口等提高有效送風距離。

圖6 送風口中心截面速度云圖

1.5.2 臭氣濃度場模擬

排風方面模擬了臭氣泄漏重點區(qū)域的高度流場分布情況，圖7 展示了在Z 軸高度方向上1.5 m、3.6 m、4.5 m、6.7 m、8.5 m 和9.6 m 高度的泄漏濃度分布情況模擬結果。

圖7 脫水車間不同泄漏高度的濃度場

1.5.3 排風模擬

圖8 為Z 軸方向上1.5 m、3.3 m、4.2 m、6.2 m、8.2 m 和9.6 m 高度排風風速分布情況模擬結果。

圖8 脫水車間各高度排風風速流場

從Z 方向各高度的排風風速分布模擬結果可以看出，各排風橫干管風速很高（超過2 m/s），支立管的風速基本都很小(小于0.5 m/s)，排風立管末端（底部）風速基本為零，且臭氣只在各排風口處附近（主要是4.2 m 和3.3 m 高度上）才有較大的抽吸速度，整體排風效果很差，臭氣不能及時通過排放管道排出車間。

1.6 優(yōu)化建議

根據(jù)本次模擬結果，對脫水車間現(xiàn)有設計的送排風管道和風口進行了調整優(yōu)化，包括加強脫水車間人員“呼吸高度”區(qū)域的離子送風，將普通平板格網(wǎng)送風口改成球形噴口以增加送風距離，增加車間底部送風球形噴口，調整立管位置，調整部分管道的管徑等，另外在各排風支立管頂端與橫干管處設置主動排風小風機，加上末端的大風機吸風，達到了較好的排風抽吸效果。加強送排風的同時，保持污泥脫水車間為“微負壓”狀態(tài)。使得脫水車間的送新風系統(tǒng)和臭氣收集系統(tǒng)能夠更有效的協(xié)同工作，改善脫水車間的工作環(huán)境。具體見表1。

表1 脫水車間送排風模擬和優(yōu)化建議

根據(jù)上述模擬分析的結果，在模型中有針對性地進行模型調整后，氣流組織情況明顯改善，人員呼吸區(qū)域的送離子新風更為均勻，而且臭氣收集支立管末端的底層空間流場針對污染物泄漏排散效果有了較大改觀。

2 項目實施情況

2.1 優(yōu)化措施

通過上述模擬情況及優(yōu)化建議，在施工圖設計階段，對除臭工程中送排風系統(tǒng)套數(shù)、風量、風管布置、送排風口設置等方面進行調整，具體優(yōu)化內容見表2。

表2 脫水車間送排風優(yōu)化內容

2.2 檢測結果

在實施了上述優(yōu)化措施和項目正式投產(chǎn)后，委托第三方檢測機構對污泥脫水車間主要點位的主要污染物濃度進行取樣檢測，使用便攜式揮發(fā)性有機氣體分析儀EXPEC 3100 與臭氣分析儀New force TionGas-200 檢測污染源的強度，檢測點的高度為人員呼吸區(qū)高度1.5 m 以及設備主體高度3.5 m。污染源的測定點位分布示意見圖9，主要指標檢測結果見表3。同時對脫水車間配套的除臭設施的進出口污染物濃度進行取樣檢測，結果見表4。

表3 本項目與其它污水廠脫水車間污染物對比

表4 脫水車間除臭設施進出口污染物濃度

圖9 污泥脫水車間測點布置圖

從表3 可知，脫水車間經(jīng)過有效送排水優(yōu)化設計與施工，車間內主要臭氣指標全部遠低于排放標準，且硫化氫和臭氣濃度兩項指標也優(yōu)于有代表性的同類污泥處理項目，除臭效果顯著。從表4 除臭設施進出口污染物濃度指標可以看出，除臭設施運行正常，各污染物的去除率均在85%以下，出口濃度遠低于排放標準，實現(xiàn)了設計目標。

3 結 語

（1）目前國內除臭工程設計參考的基本是現(xiàn)行規(guī)范《城鎮(zhèn)污水處理廠臭氣處理技術規(guī)程（CJJ/T 243-2016）》，這種基于換氣次數(shù)的經(jīng)驗性設計的可靠性有待進一步驗證。污泥處理車間內設備眾多，空間布局復雜、污染源強分布不均，且由換氣次數(shù)算出來的只是總風量，而實際上流場情況非常復雜，單純依據(jù)換氣次數(shù)得出的設計方案常出現(xiàn)系統(tǒng)運行能耗高、實際通風效果不佳等問題。為了充分發(fā)揮除臭系統(tǒng)的功能，應該更加重視送排風管道的設計和優(yōu)化。

（2）本文基本白龍港污泥二期項目的脫水車間，利用CFD 氣流組織模擬等手段，及時發(fā)現(xiàn)了初始設計中除臭系統(tǒng)的不足之處，通過針對性地優(yōu)化后，送排風效果得到了很大改善。工程建成投產(chǎn)后，第三方檢測結果表明，無論是脫水車間內還是配套的除臭設施排口，各項臭氣污染物指標均達到排放標準要求。

（3）CFD 氣流組織模擬是一個很好的工具，在建筑通風領域有非常成熟的應用。污水、污泥處理工程的除臭可以借鑒用利用好這樣的工具，進而幫助我們在設計階段就能一定程度上驗證工程設計效果，有針對性地采取優(yōu)化措施，有利于污水處理廠的臭氣治理，提高工程效益。