某地下污水處理廠通風氣流組織數值分析

韓 楓，周文和，王 佳，沈 浩，史成波，劉 勇，楊成慰

(1.蘭州交通大學 環境與市政工程學院,甘肅 蘭州 730070；2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北 武漢 430010)

1 引言

污水處理廠是城鎮生活必不可少的組成部分，并對資源循環利用、生態環境改善及“碳中和”目標[1]響應至關重要。因具有占地面積少、城鎮環境影響小等特點，地下污水處理廠逐漸興起[2]。由于地下污水廠處理車間及設施大多設置于地下封閉空間，必須采用機械通風和凈化方式稀釋、凈化及排除污水處理過程中的有害及臭味氣體、保證空氣質量滿足工作區域和排放要求，因此，地下污水廠通風系統及其氣流組織的合理設置非常關鍵[3,4]。

文獻[5]按照GB50019-2015《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[6]，GB50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[7]，GB50016-2014《建筑設計防火規范》[8]，GB 51251-2017《建筑防煙排煙系統技術標準》[9]確定了廣州某污水廠不同工作區域的除臭、暖通、通風、防排煙系統，并通過實際運行的數據對設計的合理性進行了驗證。文獻[10]基于地下建筑相關規范及實際工程中的問題，對地下污水廠除臭排污系統的運行提出了合理化建議。文獻[11]通過污水廠7種不同通風方式除臭排污效率的研究，得出了立體送風是最佳的通風形式，其風量對排污、除臭效果的影響較大的結論。

綜上，地下污水處理廠通風系統及其氣流組織的合理設計及運行尤為重要，結合CFD數值模擬技術對其驗證和優化的參考亟需填補。本文以陳江街道辦二號污水處理廠下層箱體的通風系統及其氣流組織為例(不包括除臭)，利用Fluent軟件對其設計方案進行驗證優化，并提出運行建議，為地下污水處理廠通風系統的設計以及運行提出借鑒。

2 工程概況

該項目陳江街道辦二號污水處理廠位于廣東省惠州市仲愷高新技術產業開發區，污水處理規模10×104m3/d，是惠州市首座全地埋式生態型污水處理廠，屬于丁戊類地下建筑。處理廠采用全埋地下式“粗細格柵+膜格柵+曝氣沉砂池+AAO+MBR +紫外線消毒”處理工藝。GB50019-2015《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[6]，污水處理廠地下空間通風及氣流組織方案設計如下。

(1)地下廠房設置機械通風系統, 其中粗格柵及進水泵房、細格柵、曝氣沉砂池等預處理區設置事故通風系統，總換氣次數12次/h，其中除臭6次/h，暖通排風6次/h，機械補風(含離子送風)，平時可只開除臭。通風機采用防爆風機，風機與H2S和CH4等臭氣濃度聯鎖，濃度超標時自動開啟，并在廠房室內外均設一組開關控制。

(2)二級處理-AAO生反池和二級處理-膜池設置除臭和機械通風系統，為了保證蓋板下的負壓，暖通送風需考慮部分除臭的補風。

(3)脫水車間等污泥處理區設置除臭、離子送風和機械通風系統，除臭風量小于離子送風風量，為了保證風量平衡，除臭不足量由暖通排風系統排出。

(4)為了排除加藥間內的設備散熱和有害氣體，加藥間內機械通風系統，風機采用防腐風機，減少有害氣體對設備的腐蝕。

(5)鼓風機房、配電室設置機械通風系統，排風量按照消除室內余熱確定(排風溫度40℃,進風溫度按照惠州夏季室外干球通風溫度31.5℃)和6次/h換氣次數計算，兩者相比較取大值。

(6)除地下層車行通道外，所有暖通通風系統均采用機械進風、機械排風形式。地下廠房所有通風機均選用HTFC -Ⅲ型柜式離心風機箱，設備吊裝，不設置專門的風機房。噪音較大的通風機出口設置消聲靜壓箱，減少室內噪聲。

3 CFD計算分析

為了驗證和優化處理廠下層箱體通風系統設計效果，本文通過CFD數值模擬方法，使用Gambit軟件對污水處理廠下層箱體進行了建模，利用FLUENT和Flu-flow軟件對箱體內部氣流組織情況進行了計算和分析。下層箱體通風系統主要由部分水處理區域除臭補風、走廊空間以及樓梯部分通風構成。為滿足下層區域6次/h的補風以及通風量需求，送風風機共6臺，每臺風機僅一個送風口，排風風機共設置8臺，每臺排風機連接6～8個風口，風機參數與風量如表1所示。

表1 風機及參數

由表1得知，送風量大于排風量，為保證蓋板下的負壓，送風需考慮部分除臭的補風，并保證地下箱體空氣的潔凈度確保設備正常運行的緣故；送風風機數量少，風量大，風口數量少。而排風風機數量多，排風口分布更加廣泛均勻，這樣布置最大滿足了經濟性的同時，確保潔凈空氣均勻的在箱體內擴散。

3.1 物理模型

下層箱體及通風系統的物理模型如圖1所示，模型長157.7 m，寬112 m，層高4 m，左側底部抬高1.5 m，風管設置在距地面4 m處，箱體通風系統送、回風口如圖2所示。

圖1 下層箱體模型

圖2 下層箱體通風系統布置

為了節約計算機資源，在不影響模擬結果前提下，圖1下層箱體模型中部分柱體、設備、邊壁等進行了簡化。

3.2 數學模型

下層箱體通風只考慮有害、臭味氣體的稀釋、排除，不考慮對空氣熱濕處理。數值模型采用三維計算模型，選擇RNG K-ε湍流模型和壓力穩態求解器，開啟重力方程，采用SIMPLE算法求解雷諾平均的N-S方程，固體壁面采用Fluent默認的無滑移邊界條件[13]。壓力方程選擇Second Order進行離散，連續性方程、動量方程、能量方程采用二階迎風格式Second Order Upwind進行離散。RNG K-ε模型相比標準湍流模型增加了低雷諾數流動粘性公式，可用于近壁區域流動過程[14]。湍流動能k方程、湍流動能耗散率ε方程、連續性方程、動量方程和能量方程分別如式(1)～式(5)所示[15]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

3.3 網格劃分及獨立性考核

區域離散采用T-Grid網格，表2所示為網格獨立性驗證結果，考慮計算機資源的占用及計算精度，最后選用900×1000網格進行后續數值計算。

表2 網格獨立性考核結果

3.4 邊界條件

(1)圖2污水處理廠模型中各送風口設置為速度入口邊界條件，具體參數如表3。

表3 送風口參數

(2)圖2各回風口設置為壓力出口邊界條件，具體參數如表4。

表4 回風口參數

(3)模型中墻面、地面、屋頂都設為絕熱固體壁面邊界條件。設置樓梯口處為壓力出口邊界條件，且相對壓強為0Pa。

4 結果與分析

4.1 1.5 m高度截面速度與流線分布

下層箱體內部通風系統1.5 m高截面處氣流流線如圖3所示。由圖3可知，左側1.5 m高區域為地面區域，風速較低，氣流組織較差，在樓梯口處風速較大。同樣，最大速度出現在風口處，風速在風口周圍衰減。pf2以及pf4附近有內部結構阻礙，導致墻壁附近流速較低。pf5附近墻壁結構復雜，產生速度死角。pf1處存在流速較低通道，該處空間狹窄導致風速較低。左側高地面區域流線稀疏，流動情況較差。氣流碰撞墻壁產生漩渦，導致存在漩渦的區域流速較低。

4.2 2.5 m高度截面速度與流線分布

下層箱體內部通風系統2.5 m高截面氣流流線分

圖3 箱體1.5 m高度氣流流線

布圖如圖4所示。由圖4可知，最大速度出現在風口處，風速在風口周圍衰減。pf2以及pf4附近有內部結構阻礙，導致墻壁附近流速較低。pf5附近墻壁結構復雜，阻礙較多，產生速度死角。而pf3右側通道風速較大，造成的主要原因是樓梯口在通道附近，為了保持水廠內部壓力不變，需要氣流在樓梯口處自由出流，且附近風口較多，導致該通道處風速較大。pf1處也存在流速較低通道，該處空間狹窄導致風速較低。pf2以及pf4附近有內部結構，氣流碰撞墻壁產生漩渦，漩渦處流速較低。Pf4附近房間與墻壁間出現流線間斷情況，原因是此處空間狹窄且沒有風口，導致氣流情況較差。pf1狹窄通道處氣流不斷碰撞墻體出現大量漩渦，導致該排風口氣流組織情況相比其他排風口較差。

圖4 箱體2.5 m高度氣流流線

5 結論

地下污水處理廠下層通風系統回風口布置均勻，回風口附近氣流組織較好，基本能夠滿足通風換氣需求。但整個下層箱體存在大量狹窄空間，這些位置容易產生氣流死角。可通過調節風閥的方法，減少通風良好區域風口的風量，同時增加死角區域附近風口的風量，改善氣流碰撞產生漩渦導致的氣流阻塞，以此優化污水處理廠氣流組織，保證地下空間的空氣品質，使設備正常運行。