基于仿真模拟地埋式污水厂除臭通风系统的研究

2022-09-15白小平白玉华祁子靖

城市道桥与防洪 2022年8期

白小平，白玉华，徐强，徐宁，祁子靖

[杭州余杭环境（水务）控股集团有限公司，浙江杭州 311000]

0 引言

随着中国的人口激增、经济的快速发展和技术进步，地埋式污水处理厂自2010年前后开始建设，并呈现递增发展趋势，有效地开发利用及拓展空间越来越迫切。地埋式污水厂在改善区域水质、推进水环境质量发展过程中有不容忽视的作用，但其运行期间会产生恶臭气体，上方常常作为城市绿地甚至公共建筑，离人们生活的区域更近，一旦处置不妥将影响地面上的居民健康及周边生活环境[1]。地埋式污水厂的通风除臭工艺在相比地上污水厂的要求更高，通风、除臭亟待系统化整合，而该技术尚未成熟且相关经验较少，在设计时会产生不必要的浪费。

因此，全流程除臭设备的建设及其工艺经验具有重要的现实意义。

1 地埋式污水厂除臭通风系统典型问题分析

1.1 地埋厂与地面厂的除臭通风差异

地埋式污水厂由于气体扩散条件、运行维护等要求的变化，地面污水厂的除臭通风技术移植到地埋式污水厂后会出现很多问题，如泄漏率高、工作环境差、维护管理不便等，其除臭系统及通风系统能力较地面厂要求更高。考虑到地埋式污水厂的臭气源主要分布在地下二层，负一层为操作人员活动区域，须配合通风系统以确保操作人员的安全以及较好的工作环境。但负一层和负二层之间，不能做到完全隔开，而须将通风和除臭作为一个系统，来统一考虑。同时，需选用臭气量小的污水污泥处理工艺，并考虑设备和池体的密封、栅渣等臭气源的密闭保存及清运[2]。

1.2 收集系统问题

为了避免臭气外逸，并且减少区域内臭气收集的总量，地埋式污水厂对需要除臭的构筑物或设备进行良好的密封，收集系统设计做到尽可能均匀收集，保证需要除臭的构筑物内部微负压状态。传统的收集系统主要有下述问题：

（1）臭气区域密闭性不足，实际密封效果不能满足预期要求；

（2）已通过各种除臭技术实现对硫化氢和氨的有效控制且达标，但仍能感觉臭味；

（3）收集管路冷凝水聚集，腐蚀管道造成通风除臭不佳[3]。

1.3 风量系统问题

基于地埋式污水厂大空间通风的情况，对于卫生安全、节能高效的通风设计，风量计算主要有下述问题：

（1）地下空间体积大，通风换气量大；通风系统复杂，风机设备多；

（2）箱体地面预留井数量多，占地面积大；

（3）通风需要与其他专业配合的内容多，涉及面比较广。

2 地埋式污水厂除臭通风系统风量计算方法研究

2.1 除臭通风系统分区

（1）按臭气浓度分：用于判断气体是否需要经过除臭处理或不处理排放，除臭级别。根据臭气浓度可分为高浓度臭气、低浓度臭气、空间气体。此外，设置新风区，对其通风系统有不同的要求。

（2）按工艺段分：用于臭气分质，臭气的主要成分是氨和硫化氢，并含有硫醇、胺类、酰胺、吲哚、醇、酚、醛、酮、有机酸等多种气体，非常复杂。按照工艺段分，处理的臭气成分比较接近，有利于后续除臭工艺的选择。

（3）按区域分：收集区域过于分散，引起管线过长，导致风管末端抽气不力，使末端密封区域内无法形成负压，引发臭气泄露。为了缩短管线长度，建议臭源分区收集。除臭装置尽量靠近臭源布置，如有必要，可分多套除臭装置，就近收集处理。

地埋厂除臭通风系统通常是综合上述各要素后，选择最优的分区方案。

2.2 除臭风量计算

《室外排水设计规范》（GB 50014—2021）、《城镇污水处理厂臭气处理技术规程》（CJJ/T 243—2016）等标准规范，提供了城镇污水处理厂除臭设计的标准。

（1）臭气收集风量计算

具体部位之间，由于构造的不同，需要收集的空间气体量不同；根据臭气浓度的不同，需要的换风次数也不同，其计算公式如下：

式中：Q为臭气处理设施收集的总臭气风量，m3/h；Q1为对收集空间进行换气所收集的臭气风量，m3/h；Q2为对构筑物水面积散逸所收集的臭气风量，m3/h；Q3为收集系统渗漏风量同，m3/h；N为换气次数，次/h；V为臭气收集空间，m3；A为单位水面积臭气风量指标[m3/（m2·h）]；F为构筑物除臭水面积，m2；K为渗漏风量系数，可按5%~10%取值。

（2）收集空间

式中：V为臭气收集空间，m3；N为臭气收集区构筑物或集气罩数量，m；L为臭气收集区长度，m；B为臭气收集区长度，m；H为臭气收集区水面以上净高（超高）或设备集气罩净高，m。

3 地埋式污水厂除臭通风收集系统设计

3.1 除臭系统设计

（1）构筑物加盖密闭：需进行密封加罩重点收集的臭源主要有预处理区、生化区、泥区，其余空间可由通风系统整体换气。

（2）设置负压抽吸系统：将风机置于除臭装置之后，使整套除臭设备处于负压状态，防止臭气外逸。

（3）设置不锈钢杆+钢化玻璃隔断：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断，尽量杜绝高浓度臭气外溢。

（4）布置生物除臭和离子除臭系统：在预处理区域和泥处理区域布置生物除臭系统和离子送风除臭系统，通过有效风管布置和气流收集处理后达标排放。

（5）除臭装置布置需避开立柱：针对地埋式污水厂立柱多的结构特点，除臭装置布置尽可能避开立柱，且除臭装置池体宽度应小于立柱间距（一般小于6 m）。当臭气量较大，可采用多套除臭装置并联。

3.2 通风系统设计

（1）臭源分区、就近处理：分区收集可将臭气按浓度高低分别汇总至不同处理装置，有利于针对性选择处理工艺和调整工艺参数，方便实现工艺优选。就近处理可避免收集风管过长导致管道阻力损失过大，从而造成收集效果不佳、能耗高的问题，此外，收集风管管损平衡的调节也将更加简便。

（2）风量计算及设备选型：结合风量理论计算及仿真模拟的结果，确定出风口位置及布置形式，结合风机设备功率曲线进行设备选型。

（3）优化收集系统：利用大数据技术，对通风管道的通风量进行模块化的计算，并对于隔栅井调节池、污泥浓缩池、储泥池、污泥脱水区域、污泥堆砌棚需要的换气量，进行比较系统的把控，并在数字化的基础之上，进行优化设计，显著提高整个系统设计的针对性。

3.3 仿真模拟

对臭气进行仿真模拟，可以优化除臭系统设计和参数选择。由于测点数量少监测数据有限，并不能准确的获取各个区域的气流流动状态，因此需要借助计算流体力学和CFD技术来进一步分析，为寻找优化控制策略和改善地埋式污水厂恶臭环境提供指导。

3.3.1 仿真模型

以某地埋式污水厂污泥脱水间为例，层高8.5 m，4个脱泥机置于房间一侧，除臭系统管道高度为4 m，新风管道高度为2.7 m，根据模型的特点本次选用k-epsilon（2 equ）模型。

3.3.2 三维模型建模

利用Solid Works组建三维模型，如图1所示。

图1 三维模型简图

3.3.3 模拟计算

使用ANSYS WORKBENCH平台，搭建流体仿真模块，将流体域分割成进口管、房间区域、出口管、泄露源等几块区域。使用FLUENT流体仿真软件，选择以H2S、空气来进行扩散仿真，送风入口流量设置为8 000 m3/h转换成质量输入，排风口设置成自由流出，以保证质量守恒。此后求解进行迭代计算。对断面上的臭气浓度及流速进行分析，断面图如图2、图3所示，可以看出该断面臭气明显集中在压泥机附近，且浓度较大、气流速度较小，说明压泥机附近可以适当增加通风口或扰流装置，利于臭气排出；另一部分臭气随着除臭系统的吸风走向聚集，且因为新风系统新鲜气流的补充，臭气浓度较低，说明房间另一侧无臭气排放源区域的新风系统风口可适当减少。