某污水处理厂气流组织模拟分析

黄俊潮 于靖华 田利伟



某污水处理厂气流组织模拟分析

黄俊潮1于靖华1田利伟2

（1.华中科技大学 武汉 430074；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063）

污泥脱水机房和污泥干化机房是污水处理厂恶臭气体的主要产生单元，所造成的恶臭污染影响着工作人员和周边居民的身体健康。为优化机房的机械通风，有效排出恶臭气体，以某污水处理厂的污泥脱水机房和污泥干化机房为研究对象，采用数值模拟软件，模拟计算两个机房的不同区域在不同机械通风方案工况下的室内污染物浓度分布特征、气流组织分布情况以及流场分布情况，分别提出了污泥脱水机房和污泥干化机房的机械通风优化设计方案，指导该污水处理厂恶臭气体针对性收集与处理。

脱水机房；干化机房；气流组织；机械通风；污染物浓度

0 引言

污水处理厂所产生的恶臭气体对周围环境造成了二次污染，不仅污染环境而且严重危害人体健康[1]。污泥脱水机房和污泥干化机房作为污水处理厂恶臭气体的主要产生单元[2]，有必要对其机械通风进行优化，改善机房室内气流组织，进而指导污水处理厂针对性收集排风并集中处理恶臭气体。CFD技术自首次应用以来，在暖通工程中的研究和应用方面发展迅速[3-6]。因此本文通过建立污泥脱水机房和污泥干化机房的CFD模型，模拟并优化其机械通风方案。

1 污泥脱水机房气流组织模拟分析

1.1 污泥脱水机房模拟区域

污泥脱水机房模拟区域主要由三部分组成：夜间紧急堆场、污泥料仓以及脱水机房一层车间。三部分区域的位置详见图1（a）。为了保证各功能区域的空气质量，初步方案确定为从A轴送风，使得气流由一侧向另一侧有序流动。

1.2 污泥脱水机房CFD模拟分析

1.2.1 CFD模型及其边界条件

根据各区域的尺寸建立CFD三维模型，将研究区域分为夜间紧急堆场、污泥料仓、污泥脱水机房三部分，对三部分区域分别送风和排风，模型如图1（b）所示，选择RNG-湍流模型进行模拟计算。调研结果显示，三个区域的污染物质主要是硫化氢、甲硫醇以及氨气，浓度都在5mg/m3左右。其中夜间紧急堆场的送风量为20000m3/h，污泥料仓区域风量为60000m3/h，污泥脱水机房一层车间风量为20000m3/h。

（a）污泥脱水机房示意图（b）方案一污泥脱水机房CFD模型

（1）室内污染物散发量的确定

根据设计送风量和测得的排风口处污染物浓度，确定各个区域的污染物散发量，夜间紧急堆场为0.028g/s，污泥料仓为0.084g/s，污泥脱水机房为0.017g/s。对于夜间紧急堆场，将污染源平均布置于3m高度范围内；对于污泥料仓，将污染源平均布置于设备布置区域的3m高度范围内；对于污泥脱水机房，将污染源平均布置于设备布置区域的3m高度范围内。

（2）送、回风口参数的确定

根据各区域的送风量确定风口的设计参数如下：

对于夜间紧急堆场，其送风量为20000m3/h，设置8个球形喷口，其中A轴和J轴分别设置4个球形喷口，球形喷口的安装高度为距地面3m，送风角度水平向下15°，球形喷口喉部直径400mm。排风口位于房间中央顶部，排风口尺寸为1000mm×2000mm。对于污泥料仓，其送风量为60000m3/h，设置20个球形喷口，球形喷口位于A轴，球形喷口的安装高度考虑门洞处的车辆进出，设定为距地面4.5m，送风角度为水平向下15°，球形喷口喉部直径400mm。排风口位于房间另一侧中间顶部，排风口尺寸为1000mm×4000mm。对于脱水机房，其送风量为20000m3/h，设置6个球形喷口，球形喷口位于A轴，球形喷口的安装高度为距地面3m，送风角度水平向下15°，球形喷口喉部直径400mm。排风口位于房间另一侧中间顶部，排风口尺寸为1000mm× 2000mm。

1.2.2 模拟结果及分析

（1）方案一模拟结果及分析

根据以上设置对不同区域的污染物浓度进行模拟计算，模拟结果如图2所示，重点分析3m高度范围内的污染物浓度分布，以及1-1、2-2和3-3剖面的气流组织和污染物浓度分布。

对于夜间紧急堆场，3m高度范围内污染物的平均浓度为6.42ppm，最高浓度7.77ppm。整个夜间紧急堆场污染物浓度分布较为均匀，送风系统能够形成较为稳定的气流组织，新鲜空气由A轴和J轴送入，由E轴的排风口排出，不断流、不短路。

对于污泥料仓，3m高度范围内硫化氢的平均浓度为6.63ppm，最高浓度10.52ppm。整个污泥料仓污染物浓度各区域差别较大，同时由于球型侧送喷口安装高度接近屋顶，导致贴附射流现象较为严重，尽管送风角度水平向下15°，但送风仍无法达到污泥料仓底部区域，送风口附近形成了较大的涡流。因此建议继续加大送风角度，同时考虑1.5m高度污染物浓度分布不均，建议在E轴设置两个排风口，以改善污泥料仓3m范围内的气流组织。

（a）高度1.5m处各区域污染物浓度分布（b）各剖面污染物浓度分布

对于脱水机房，3m高度范围内硫化氢的平均浓度为4.16ppm，最高浓度7.93ppm。整个污泥脱水机房污染物浓度分布较为均匀，送风系统能够形成较为稳定的气流组织，新鲜空气由A轴送入，由D轴的排风口排出，不断流、不短路。污泥脱水机房平均浓度低于其他两个区域，但整个污泥脱水机房由左至由硫化氢浓度明显升高，因此建议改变排风口位置以改善3m高度范围内的污染物分布。

（2）方案二模拟结果及分析

将污泥料仓区域的球形侧送喷口送风角度保持为水平向下25°，同时在A轴和E轴分别设置10个球形喷口，形成对吹。球形喷口的安装高度同样考虑门口处的车辆进出，设定为距地面4.5m，球形喷口喉部直径400mm。排风口则位于房间中间顶部。具体布置如图3（a）所示，对污泥料仓区域的污染物浓度分布和气流组织进行重新模拟计算，模拟结果如图3（b）所示。

（a）方案二污泥脱水机房CFD模型（b）方案二1.5m高度的污染物浓度分布

模拟结果表明，对于污泥料仓，当采用方案二的送风方式，即两侧送风，中间排风的送风方式后，气流组织能够满足排臭要求，3m高度范围内硫化氢的平均浓度为6.04ppm，最高浓度9.35ppm。整个污泥料仓的气流组织得到改善，污染物浓度分布较为均匀，送风系统能够形成较为稳定的气流组织，新鲜空气由A轴和E轴送入，由C轴的排风口排出，不断流、不短路。因此建议污泥料仓采用方案二的通风优化设计方案。

2 污泥干化机房气流组织模拟分析

2.1 污泥干化机房模拟区域

污泥干化机房的模拟区域主要由干化机房和钢化玻璃加罩封闭的干泥卸料区域组成，两部分区域的示意位置详见图4（a）。为了保证各功能区域的空气质量，送风方案确定为从一侧送风，使得气流由一侧有序流向另一侧。

（a）污泥干化机房示意图（b）污泥干化机房CFD模型

2.2 污泥干化机房CFD模拟分析

2.2.1 CFD模型及其边界条件

根据各区域的尺寸建立CFD三维模型，将研究区域分为干化机房、干泥卸料区两部分，对两部分区域分别送风和排风，模型如上图4（b）所示，选择RNG-湍流模型进行模拟计算。实地测试表明，两个区域的污染物主要是硫化氢、甲硫醇以及氨气，浓度都在5mg/m3左右。其中干化机房的送风量为110000m3/h，干泥卸料区域风量为10000m3/h。

（1）室内污染物散发量的确定

根据设计送风量和测得的排风口处污染物浓度，确定干化机房污染物散发量为0.153g/s，干泥卸料区域为0.014g/s；将污染源分别平均布置于对应区域的3m高度范围内。

（2）送、回风口参数的确定

根据各区域的送风量确定风口的设计参数如下：

对于干化机房，其送风量为110000m3/h，设置43个球形喷口，单个球形喷口的送风量为2560m3/h，球形喷口的安装高度均为距地面3m，送风角度水平向下15°，球形喷口喉部直径400mm。排风口位于F轴距地面0.5m高处，均匀设置共6处，尺寸为2000mm×1000mm。

对于干泥卸料区域，其送风量为10000m3/h，设置6个条缝缝口，条缝缝口位于F轴，排风口位于对面距地面0.5m高度处，均匀设置6处，排风口尺寸为1000mm×300mm。为保证气流组织的均匀性，将送风口与排风口错落布置。

2.2.2 模拟结果及分析

根据以上设置对不同区域的污染物浓度进行模拟计算，模拟结果如图5所示。重点分析1.5m高度的污染物浓度分布（图5（b））、速度场（图5（c））和流场（图5（d））。

由模拟结果可知，对于干化机房，3m高度范围内硫化氢的平均浓度为3.79ppm，最高浓度4.38ppm。整个干化机房气流组织分布较为均匀，1.5m高度处风速基本维持在1m/s左右，送风系统能够形成较为稳定的气流组织，新鲜空气由一侧的球形喷口送入，由另一侧的排风口排出，不断流、不短路。

对于干泥卸料区，采用钢化玻璃加罩封闭后，由于该区域跨度较小，因此采用条缝风口送风即可，另一方面由于该区域宽度较大，达到61m，而送风量仅为10000m3/h，因此风口之间间距较大，将条缝送风口与百叶排风口错开布置后，干泥卸料区虽无法获得较为平稳的气流组织，但可将污染物混合的较为均匀，并从百叶风口处排出，避免了气流组织短路和死角的产生；干泥卸料区3m高度范围内硫化氢的平均浓度为3.49ppm，最高浓度5.19ppm。1.5m高度处风速基本保持在1m/s以下。

（a）各区域流场分布（b）1.5m高度处污染物浓度分布 （c）1.5m高度处速度场分布（d）1.5m高度处流场分布

3 结论与建议

本研究通过建立污泥脱水机房和污泥干化机房CFD三维数值模型，模拟计算了不同区域在不同机械通风方案工况下的室内污染物浓度分布特征、气流组织分布情况以及流场分布情况，提出了污泥脱水机房和污泥干化机房的机械通风优化设计方案，具体结论如下：

（1）污泥脱水机房由紧急堆场、污泥料仓以及脱水机房三部分功能区域构成，对于夜间紧急堆场由于房间较宽，两侧均设置球形喷口侧送风，安装高度为3m，送风角度为水平向下15°，排风口则位于房间中间顶部位置；对于污泥料仓由于前后有车辆进出的门，喷口安装高度需提高至4.5m，为保证送风达到整个区域，两侧均需设置喷口送风，送风角度为水平向下25°，排风口位于房间中间顶部位置；对于脱水机房一侧设置球形喷口侧送风即可，安装高度为3m，送风角度为水平向下15°，排风口位于另一侧靠近污染区域。

（2）对于污泥干化机房，主要包括干化机房和干泥卸料区两部分，其中干化机房一侧设置球形喷口送风，另一侧底部设置百叶排风口即可；干泥卸料区由于送风距离较短，一侧设置条缝风口送风即可，另一侧百叶排风口则与条缝风口错开布置，以避免气流短路和出现死角。

[1] 王秀艳,易忠芹,王钊,等.污水处理厂恶臭气体健康风险评估[J].土木建筑与环境工程,2013,35(5):49-54.

[2] 李莉.城市污水处理厂恶臭环境影响评价思路和要点[J].环境科学与技术,2009,32(12D):361-365.

[3] Nielson P V. Prediction of airflow and comfort in air-conditioned spaces [J]. ASHRAE transactions, 1995,(11):247.

[4] Baker A J, Richard M K, Elliott B G, et al. Computational fluid dynamics a two-edged sword [J]. ASHRAE Journal, 1997,(8):5-51.

[5] Martin Paul. CFD in the real world [J]. ASHRAE Journal, 1999,(1):2-20.

[6] Chen Q, Srebric J. A procedure for verification, validation, and reporting of indoor environment CFD analyses [J]. HVAC&R RESEARCH, April 2002,8(2).

Air Distribution Analysis for a Certain Sewage Treatment Plant

HuangJunchao1YuJinghua1TianLiwei2

( 1.Huazhong University of Science & Technology, Wuhan, 430074;2.China Raliway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan, 430063 )

Sludge dewatering room and sludge drying room are two of the primary source of malodorous gas in the sewage treatment plant, leading to the odor pollution which affects the health of the staff and the residents in the surrounding. For optimizing the mechanical ventilation of these two rooms, and the effective discharge of the fetor, take the sludge dewatering room and the sludge drying room of a certain sewage treatment plant as the research object, further more, by utilizing the numerical simulation software, simulate the indoor pollutant concentration distribution characteristics, air distribution and flow field distribution of different areas of these two rooms under different working condition of different mechanical ventilation schemes. The mechanical ventilation optimization design schemes are put forward for the sludge dewatering room and the sludge drying room, to guide the collection and processing of stench gas for sewage treatment plant.

sludge dewatering room; sludge drying room; air distribution; mechanical ventilation; pollutant concentration

1671-6612（2017）04-406-05

TU843

A

黄俊潮（1989.04-），男，在读硕士研究生，E-mail：junchaohuang@hust.edu.cn

于靖华（1981.03-），女，博士，副教授，E-mail：yujinghua323@126.com

2016-08-11