基于仿真模擬地埋式污水廠除臭通風系統的研究

白小平，白玉華，徐 強，徐 寧，祁子靖

[杭州余杭環境（水務）控股集團有限公司，浙江 杭州 311000]

0 引 言

隨著中國的人口激增、經濟的快速發展和技術進步，地埋式污水處理廠自2010年前后開始建設，并呈現遞增發展趨勢，有效地開發利用及拓展空間越來越迫切。地埋式污水廠在改善區域水質、推進水環境質量發展過程中有不容忽視的作用，但其運行期間會產生惡臭氣體，上方常常作為城市綠地甚至公共建筑，離人們生活的區域更近，一旦處置不妥將影響地面上的居民健康及周邊生活環境[1]。地埋式污水廠的通風除臭工藝在相比地上污水廠的要求更高，通風、除臭亟待系統化整合，而該技術尚未成熟且相關經驗較少，在設計時會產生不必要的浪費。

因此，全流程除臭設備的建設及其工藝經驗具有重要的現實意義。

1 地埋式污水廠除臭通風系統典型問題分析

1.1 地埋廠與地面廠的除臭通風差異

地埋式污水廠由于氣體擴散條件、運行維護等要求的變化，地面污水廠的除臭通風技術移植到地埋式污水廠后會出現很多問題，如泄漏率高、工作環境差、維護管理不便等，其除臭系統及通風系統能力較地面廠要求更高。考慮到地埋式污水廠的臭氣源主要分布在地下二層，負一層為操作人員活動區域，須配合通風系統以確保操作人員的安全以及較好的工作環境。但負一層和負二層之間，不能做到完全隔開，而須將通風和除臭作為一個系統，來統一考慮。同時，需選用臭氣量小的污水污泥處理工藝，并考慮設備和池體的密封、柵渣等臭氣源的密閉保存及清運[2]。

1.2 收集系統問題

為了避免臭氣外逸，并且減少區域內臭氣收集的總量，地埋式污水廠對需要除臭的構筑物或設備進行良好的密封，收集系統設計做到盡可能均勻收集，保證需要除臭的構筑物內部微負壓狀態。傳統的收集系統主要有下述問題：

（1）臭氣區域密閉性不足，實際密封效果不能滿足預期要求；

（2）已通過各種除臭技術實現對硫化氫和氨的有效控制且達標，但仍能感覺臭味；

（3）收集管路冷凝水聚集，腐蝕管道造成通風除臭不佳[3]。

1.3 風量系統問題

基于地埋式污水廠大空間通風的情況，對于衛生安全、節能高效的通風設計，風量計算主要有下述問題：

（1）地下空間體積大，通風換氣量大；通風系統復雜，風機設備多；

（2）箱體地面預留井數量多，占地面積大；

（3）通風需要與其他專業配合的內容多，涉及面比較廣。

2 地埋式污水廠除臭通風系統風量計算方法研究

2.1 除臭通風系統分區

（1）按臭氣濃度分：用于判斷氣體是否需要經過除臭處理或不處理排放，除臭級別。根據臭氣濃度可分為高濃度臭氣、低濃度臭氣、空間氣體。此外，設置新風區，對其通風系統有不同的要求。

（2）按工藝段分：用于臭氣分質，臭氣的主要成分是氨和硫化氫，并含有硫醇、胺類、酰胺、吲哚、醇、酚、醛、酮、有機酸等多種氣體，非常復雜。按照工藝段分，處理的臭氣成分比較接近，有利于后續除臭工藝的選擇。

（3）按區域分：收集區域過于分散，引起管線過長，導致風管末端抽氣不力，使末端密封區域內無法形成負壓，引發臭氣泄露。為了縮短管線長度，建議臭源分區收集。除臭裝置盡量靠近臭源布置，如有必要，可分多套除臭裝置，就近收集處理。

地埋廠除臭通風系統通常是綜合上述各要素后，選擇最優的分區方案。

2.2 除臭風量計算

《室外排水設計規范》（GB 50014—2021）、《城鎮污水處理廠臭氣處理技術規程》（CJJ/T 243—2016）等標準規范，提供了城鎮污水處理廠除臭設計的標準。

（1）臭氣收集風量計算

具體部位之間，由于構造的不同，需要收集的空間氣體量不同；根據臭氣濃度的不同，需要的換風次數也不同，其計算公式如下：

式中：Q為臭氣處理設施收集的總臭氣風量，m3/h；Q1為對收集空間進行換氣所收集的臭氣風量，m3/h；Q2為對構筑物水面積散逸所收集的臭氣風量，m3/h；Q3為收集系統滲漏風量同，m3/h；N為換氣次數，次/h；V為臭氣收集空間，m3；A為單位水面積臭氣風量指標[m3/（m2·h）]；F為構筑物除臭水面積，m2；K為滲漏風量系數，可按5%~10%取值。

（2）收集空間

式中：V為臭氣收集空間，m3；N為臭氣收集區構筑物或集氣罩數量，m；L為臭氣收集區長度，m；B為臭氣收集區長度，m；H為臭氣收集區水面以上凈高（超高）或設備集氣罩凈高，m。

3 地埋式污水廠除臭通風收集系統設計

3.1 除臭系統設計

（1）構筑物加蓋密閉：需進行密封加罩重點收集的臭源主要有預處理區、生化區、泥區，其余空間可由通風系統整體換氣。

（2）設置負壓抽吸系統：將風機置于除臭裝置之后，使整套除臭設備處于負壓狀態，防止臭氣外逸。

（3）設置不銹鋼桿+鋼化玻璃隔斷：通過不銹鋼桿+鋼化玻璃隔斷的形式，將預處理區和泥處理區與其他生產區進行有效隔斷，盡量杜絕高濃度臭氣外溢。

（4）布置生物除臭和離子除臭系統：在預處理區域和泥處理區域布置生物除臭系統和離子送風除臭系統，通過有效風管布置和氣流收集處理后達標排放。

（5）除臭裝置布置需避開立柱：針對地埋式污水廠立柱多的結構特點，除臭裝置布置盡可能避開立柱，且除臭裝置池體寬度應小于立柱間距（一般小于6 m）。當臭氣量較大，可采用多套除臭裝置并聯。

3.2 通風系統設計

（1）臭源分區、就近處理：分區收集可將臭氣按濃度高低分別匯總至不同處理裝置，有利于針對性選擇處理工藝和調整工藝參數，方便實現工藝優選。就近處理可避免收集風管過長導致管道阻力損失過大，從而造成收集效果不佳、能耗高的問題，此外，收集風管管損平衡的調節也將更加簡便。

（2）風量計算及設備選型：結合風量理論計算及仿真模擬的結果，確定出風口位置及布置形式，結合風機設備功率曲線進行設備選型。

（3）優化收集系統：利用大數據技術，對通風管道的通風量進行模塊化的計算，并對于隔柵井調節池、污泥濃縮池、儲泥池、污泥脫水區域、污泥堆砌棚需要的換氣量，進行比較系統的把控，并在數字化的基礎之上，進行優化設計，顯著提高整個系統設計的針對性。

3.3 仿真模擬

對臭氣進行仿真模擬，可以優化除臭系統設計和參數選擇。由于測點數量少監測數據有限，并不能準確的獲取各個區域的氣流流動狀態，因此需要借助計算流體力學和CFD技術來進一步分析，為尋找優化控制策略和改善地埋式污水廠惡臭環境提供指導。

3.3.1 仿真模型

以某地埋式污水廠污泥脫水間為例，層高8.5 m，4個脫泥機置于房間一側，除臭系統管道高度為4 m，新風管道高度為2.7 m，根據模型的特點本次選用k-epsilon（2 equ）模型。

3.3.2 三維模型建模

利用Solid Works組建三維模型，如圖1所示。

圖1 三維模型簡圖

3.3.3 模擬計算

使用ANSYS WORKBENCH平臺，搭建流體仿真模塊，將流體域分割成進口管、房間區域、出口管、泄露源等幾塊區域。使用FLUENT流體仿真軟件，選擇以H2S、空氣來進行擴散仿真，送風入口流量設置為8 000 m3/h轉換成質量輸入，排風口設置成自由流出，以保證質量守恒。此后求解進行迭代計算。對斷面上的臭氣濃度及流速進行分析，斷面圖如圖2、圖3所示，可以看出該斷面臭氣明顯集中在壓泥機附近，且濃度較大、氣流速度較小，說明壓泥機附近可以適當增加通風口或擾流裝置，利于臭氣排出；另一部分臭氣隨著除臭系統的吸風走向聚集，且因為新風系統新鮮氣流的補充，臭氣濃度較低，說明房間另一側無臭氣排放源區域的新風系統風口可適當減少。

圖2 斷面臭氣濃度分布圖

圖3 臭氣速度分布圖

4 地埋式污水廠除臭通風系統運行控制對策

4.1 在線監測系統設計

4.1.1 智能控制設計

惡臭氣體動態多變，業內普遍控制方法是對風機進行控制，難以同時達到處理效果達標和降低運行費用兩個目標。智能控制設計能以巡回式軌道機器人、智能檢測頭盔等監測方式為核心，更好地解決非線性、大滯后環節和變參數對象等控制問題[4]。

4.1.2 提高檢測頻次

根據進氣濃度的檢測結果及變化趨勢進行判斷，根智能控制反饋及報警情況適當提高檢測頻次。

4.2 運行參數優化控制

除臭通風系統可以采用CFD數值模擬的方法，通過建模模擬，確定合適的換氣次數及自然補風位置，在滿足室內環境衛生標準的同時，又可優化設計、節能降耗，提高能源利用效率[5]。

4.3 運行模式優化設計

4.3.1 精準化通風排污模型

通過對全面通風的排污模型與模仿進行分析與計算，從而節約新風系統的能源。全面通風有自然通風、機械通風和自然與機械聯合通風等各種形式。根據風量計算公式可算出，開啟新風系統的時間及次數，將有害物濃度下降到預定濃度。

4.3.2 合理使用機械設備

對系統設備進行健康監測，并及時添置機電設備，為舊設備分擔工作壓力。此外，在運行過程中，合理的分配每一臺機電設備的運行時間，不能夠讓機電設備始終處于高負荷運轉中[6]。在除臭系統中風機、水泵這類的機電設備耗能較大，為其配備變頻調速設備，根據電流、電壓情況進行智能化處理，進而更好的節能降耗。

5 結語

地埋式污水廠在生產運營過程中，對除臭通風進行全流程優化是十分必要的。通過優化收集系統及仿真模擬的手段，為改善地埋式污水廠惡臭環境提供技術支持。合理選用在線監測系統，優化運行模式、運行參數，在此基礎上提升除臭效能、降低運行成本、提升運維效率，研究高效節能降耗的方案。