全地下式污水处理厂通风系统节能优化研究

文_曹国建 上海度标检测技术有限公司

近年来，随着自然环境的改善，越来越多的城市开始建设地下污水厂。地下污水处理厂是指将部分或所有处理构筑物置于地下箱体内，而厂区地上部分则做成了景观绿地或公园。这样不仅合理利用了土地，完善了基础设施，也是营造城市舒适环境的一个发展趋势，然而即使是地下式污水厂也不可避免地产生恶臭。恶臭是刺激嗅觉感官、引起人们不愉快及损害生活环境的气味的统称。污水处理厂的恶臭气体种类很多，它们主要来源于污水处理过程中有机物的分解。它们不仅让人有恶心感，同时对人体有毒害作用，所以必须采用必要的措施严格控制它们的浓度。

虽然地下式污水处理厂能够将产生的恶臭气体进行密封收集处理，但是仍有部分的处理过程，如格栅间、污泥脱水车间、污泥输送等无法对恶臭进行密封处理，再加上除臭系统部分的泄漏，增加了整个地下大空间的恶臭浓度，而各个设备产生的热量使得其温度不断升高，这些都影响地下空间品质和舒适度，损害工作人员的健康。

地下污水处理厂气体的流通主要是依靠通风机及除臭系统的运转。在地下室污水处理厂实际运营中，为了保证地下工作环境的安全，设计的排风量普遍过大，使得污水处理厂通风系统的运营成本非常高，造成能源浪费。因此地下式污水处理厂通风除臭节能控制策略值得深入研究。

1 地下式污水处理厂简介

地下式污水处理厂一般将所有建(构)筑物组团布置，形成地下箱体。竖向分为两层，其中底层为构筑物和管廊层，上层为设备和操作巡视层。较大规模的地下污水厂操作层均设有车道，满足消防车、运输车进出要求。全地下污水厂建构筑物均埋设于地下，顶部做景观公园，半地下式污水厂操作层部分露出地面，可实现部分自然采光、通风，有利于操作管理。

全地下式污水处理厂按照处理工艺一般分为污水处理、深度处理、污泥处理、臭气处理。其中污水处理阶段有格栅、进水泵房、沉砂池、初沉池、初沉污泥泵房、生物反应池、二沉池、回流污泥泵房、剩余污泥泵房、供气系统、化学除磷、消毒；深度处理阶段主要是滤池、化学系统；污泥处理阶段主要是浓缩池、脱水机房、污泥料仓、污泥干化、外运。臭气处理一般为收集与输送、除臭。以上所叙述的所有建构筑物和设备均处于地下结构中。

2 地下式污水处理厂恶臭污染源

由于地下污水处理厂整个地下空间是个相对密封的环境，大量恶臭气体富集，其中含量最高的为NH3、H2S、CH4，污水处理厂恶臭气体的臭阈和臭味具体看表1。

在污水处理厂的恶臭污染物中氨气、硫化氢在污水处理厂中浓度相对较大，臭阈值低，并且具有毒性，严重损害人体健康，是通风控制的重点对象。据查阅的大量文献分析可得：臭气污染主要集中在进水区、曝气沉沙池、格栅区以及污泥处理区。

表1 污水处理厂恶臭气体的臭阈和臭味表

2.1 硫化氢

硫化氢(H2S)是一种无机化合物，正常情况下是一种无色、易燃的酸性气体，浓度低时带恶臭，气味如臭蛋；浓度高时反而没有气味（因为高浓度的硫化氢可以麻痹嗅觉神经）。它能溶于水，0°C 时1mol 水能溶解2.6mol 左右的硫化氢。硫化氢的水溶液叫氢硫酸，是一种弱酸，当它受热时，硫化氢又从水里逸出。硫化氢是一种急性剧毒，吸入少量高浓度硫化氢可于短时间内致命。低浓度的硫化氢对眼、呼吸系统及中枢神经都有影响。查工作场所空气中化学物质容许浓度可知：MAC 为10mg/m3。《硫化氢职业危害防护导则》建议设置两级报警阈值，警报值设置在10mg/m3，高报值设置在50mg/m3。

2.2 氨气

氨气(NH3)无色气体，有强烈的刺激气味。密度0.7710。相对密度0.5971(空气=1.00)。易被液化成无色的液体。在常温下加压即可使其液化(临界温度132.4℃，临界压力11.2MPa，即112.2 大气压)。沸点-33.5℃。也易被固化成雪状固体。熔点-77.75℃。溶于水、乙醇和乙醚。在高温时会分解成氮气和氢气，有还原作用。有催化剂存在时可被氧化成一氧化氮。用于制液氮、氨水、硝酸、铵盐和胺类等。可由氮和氢直接合成而制得，能灼伤皮肤、眼睛、呼吸器官的粘膜，人吸入过多，能引起肺肿胀，以至死亡。查工作场所空气中化学物质容许浓度可知：PC-TWA 为20mg/m3，PC-STEL 为30mg/m3。

恶臭的有效控制措施是除臭系统和送风系统。恶臭的治理环节分为臭源密闭、恶臭气体收集输送及末端治理，地下污水处理厂臭气浓度的因素很复杂，通风系统可控的因素为厂内温度、湿度和排风量。排风系统不能随着污水厂恶臭浓度的变化做相应的调整，风量过大将造成排风系统能源的浪费。

3 全面通风排污模型

以硫化氢为例，温度、湿度和排风量都会影响污水厂散发出臭气的浓度，这里暂且不考虑温度和湿度的影响，只考虑排风量对于浓度的影响关系，通过对全面通风的排污模型进行分析与计算，从而节约新风系统的能源。

全面通风又称稀释通风，对整个车间进行通风换气，用新鲜空气稀释室内有害物，消除余热、余温，使之符合卫生标准要求。全面通风有自然通风、机械通风和自然与机械联合通风等各种形式。全面通风的动力可以是自然风压和热压，也可以是风机风压。

3.1 全面通风换风量的确定有几点假设

有害物在室内均匀散发；稀释过程处于稳定状态，送风气流与室内空气的混合气流瞬间完成；送排风气流是等温的。

如果采用全面通风稀释室内空气中的有害物，那么在任何一个微小时间间隔内，室内得到的有害物量（即有害物源散发的有害物量和送风空气带入的有害物量）与从室内排出的有害物量（排出空气带走的有害物量）之差应等于整个房间内增加（或减少）的有害物量，设dt时间内房间有害物浓度的变化量为dy，得到：

式中：L—全面通风量，m3/s；

y0—送风空气中有害物浓度，mg/m3；

x—有害物散发量，mg/s；

y—在某一时刻室内空气中有害物浓度，mg/m3；

Vf—房间体积，m3；

dt—某一段无限小的时间间隔，s；

dy—在dt 时间内房间内浓度的增量，g/m3；

式(1)称为全面通风的基本微分方程式。它反映了任何瞬间室内空气中有害物浓度y 与全面通风量L 之间的关系。

对公式进行转化，得

式中：y2—室内空气中有害物质的最高容许浓度，mg/m3。

式(2)反映了任意时刻有害物浓度与通风量之间的关系，可求出在给定通风量条件下，达到要求浓度y2所需要的时间，也可求出在规定时间t内，达到要求的浓度y2时，所需的全面通风量。

根据式(2)可算出，保持除臭设备常开，新风系统关闭，有害物浓度上升到最高容许浓度所需要花费的时间。反之，亦可以算出开启新风系统，有害物浓度下降到预定浓度所需要花费的时间。

3.2 存在多种有害物（粉尘、有害气体、热湿）时风量确定原则

分别求出排除每种有害物风量Li；毒性相加作用的有害物：如苯、醇、醋酸等溶剂类；SO2、SO3等刺激性气体，按求和计算风量：L=∑Li；毒性无相加作用的有害物：取最大者为风量计算式：L=max{Li}。

3.3 有害物发散量的计算

(1) 生产设备散热量的确定

可取最小的热量作为车间冬季计算热量，最大的热量作为车间夏季计算热量。

(2) 散湿量的确定

①进入空气中的水蒸汽数量；②暴露水面或潮湿表面散发的水蒸汽量；③材料或成品的散湿量；④化学反应过程中散发的水蒸汽量。

(3) 有害气体的散发量的计算

①燃料燃烧产生的有害气体；②通过炉子的缝隙进入室内的烟气；③从生产设备或管道的不严密处，漏入室内的有害气体；④容器中化学品自由表面的蒸发；⑤物体表面涂漆时，散入室内的溶剂蒸汽；⑥生产过程中化学反应产生的有害气体。

4 应用实例

以上海某地下污水处理厂曝气沉砂池的通风除臭系统为例，房间体积为5000m3，除臭设施处理风量规模为5000m3/h。假设：硫化氢的散发量是15mg/s，室内原有硫化氢的浓度为0.01mg/m3，即可得出新风系统关闭后，硫化氢浓度升高到10mg/m3。大气中得硫化氢浓度忽略不计。

可得：

由式(3)计算结果可得，新风系统关闭后，经过2.27h 后室内硫化氢浓度将升至10mg/m3。

若假设通风机开启后的通风量是2.5m3/s，室内硫化氢浓度降到7m3/s，通风机需要工作2780s，即0.77h。

5 通风除臭系统节能优化

①集气盖应包围或靠近污染源，使污染源的扩散限制在最小范围内，通过抽、吸进行气体的收集。一般只在围挡盖壁设置观察窗或操作检修门。若集气盖或盖板密闭状况差，会影响臭气收集和除臭效果。

②尽可能多的采用节能设备。

③密封工程尽量采用混凝土密封。在确需要检修的孔洞，用FRP 盖板或不锈钢盖板。尽量采用平盖板或低弧形的盖板，以减少密封空间。如采用FRP 盖板，须确保盖板有阻燃考虑，并达到相关的阻燃要求。

④在格栅除污机、污泥脱水机等设备虽然进行了密闭加罩并设置了负压抽吸系统处理臭气，但仍存在除臭系统检修过程中臭气从密封罩内溢出的可能，可通过不锈钢杆＋钢化玻璃隔断的形式，将预处理区和泥处理区与其他生产区进行有效隔离，尽量杜绝高浓度臭气外溢。

6 结语

在全地下式污水处理厂生产运营过程中，运行单位科学合理安排新风系统和除臭系统的安全运营，降低通风系统的运营成本，也可极大减少了能源的浪费。