CFD模擬在城市污水處理廠臭氣收集及工況優化中的應用

鞠慶玲

(西原環保<上海>股份有限公司,上海 201204)

隨著城鎮化進程加速,污水收集與處理率顯著增加,污水處理生化池中產生的臭氣問題也日益突出[1-2]。雖然臭氣處理技術較為成熟(包括生物處理法、吸附法、化學吸收法、熱力學法等)[3-4],但收集系統還存在管道布設不規范、臭氣收集效率不高、臭氣外溢等問題。除臭效果低不僅會導致工程建設和運維管理成本增高[4-5],還會引起污水處理設備腐蝕等一系列問題。因此,臭氣收集系統的氣流組織設計優化將是污水處理廠設計中的一個新重點。

計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)是進行傳熱、傳質、動量傳遞及多相流研究的核心與重要技術[6],已在多行業實現了應用,如加熱通風和空調、航空航天、車輛空氣動力和建筑設計。CFD可預測流量及壓力變化、噪聲生成及溫度變化[7],是一款能夠良好模擬高、大空間建筑室內通風系統運行時形成的溫度場、濕度場、壓力和速度場等空氣流場的軟件。在污水處理廠除臭設備中,利用CFD模擬計算、調整通風口位置及尺寸,并以流線的形式展示出室內氣流組織的分布情況[8],進而直觀地發現通風系統設計的不足之處,進行提前修正,在源頭上就降低了設計、建設和運維的成本[9]。

在污水處理廠除臭工程中,仍延續著利用廣泛分布的吸風口實現臭氣收集功能的設計習慣。考慮到氣體收集與污水處理工藝流程、構筑物結構和布局之間的功能協調性,這種方法很難高效實現臭氣的收集,同時,也可能產生工程改造過程艱難、工程造價過高等問題。研究CFD在污水處理廠除臭工程中的應用,有助于完善污水處理系統的工藝設計方法。

香港最大污水處理廠——昂船洲污水處理廠(處理規模為176萬m3/d)的除臭工程中,本研究團隊已嘗試利用CFD對臭氣收集的流態進行模擬,并成功優化了管道布局和補風位置,極大程度地減少了外部收集管道的布設。這使得臭氣收集管道設計簡潔且精準、氣體流場分布均勻、空氣流動阻力小。該除臭工程中臭氣收集量為10萬m3/h,除臭效率達到99%,污水處理廠硫化氫質量濃度維持在不高于0.2 mg/m3的水平,最大程度地避免了污水處理廠臭氣對居民的生活影響。

本文以某50萬m3/d生活污水處理廠的除臭工程管道優化工程為研究對象,利用CFD模擬好氧區、缺氧區和厭氧區的氣流組織,詳細分析模型應用過程數據,并總結CFD在污水處理廠臭氣收集系統設計中的應用價值。

1 模擬對象

本研究模擬對象為一組生物反應池,工藝采用厭氧-缺氧-好氧(AAO)水處理工藝,厭氧區面積為1 092 m2,缺氧區面積為3 318 m2,好氧區面積為6 174 m2,曝氣量為33 375 m3/h。研究時,生化池的現狀補風口與除臭風管的布置如圖1所示。本研究除臭風量計算、水處理工藝的漏風點及漏風量估算、補風點設置、抽風點負壓設置情況如表1所示。

表1 生化池臭氣收集工藝計算Tab.1 Calculation of Odor Collection Process in Biochemical Pool

圖1 生化池補風口與除臭風管布置Fig.1 Air-Supplement Vent and Deodorization Pipes on Biochemical Pool

2 數學模型和控制方程

CFD建模常見的商業軟件包括Ansys-Fluent、Ansys-CFX、Phoenics、CFD2000 和Star-CFD[10]。控制方程包括質量守恒、動量守恒和能量守恒[11]。在進行模擬時,優化目標的第一步是“定義和假設”以簡化模擬,第二步是準備系統的“幾何模型”分析流體行為。系統的幾何模型準備完成后,網格生成將模型細分為n數口袋。網格生成是設置單元格區和邊界條件的必要條件,以便解算器能夠運行,從而預測系統中每個點之間的流量條件。

模型根據Revit模型以及計算機輔助設計(CAD)平面圖紙在CAD軟件以及scStream前處理Preprocessor中進行幾何模型建立,并進行網格劃分以及相關邊界條件設置。

2.1 網格劃分與求解計算

網格劃分的質量或者體網格的總數會影響結果的收斂情況,對計算結果的真實性產生較大影響[12-13]。目前,scStream前處理Preprocessor網格主要以結構化六面體網格為主,故本研究模型結構規整以六面體網格進行劃分。

本研究對象計算空間相對風口較大,因此,局部加密風口處的網格,最小網格尺寸為5 mm,最小離子風管的單個風孔在8個網格左右。模型總網格數量為3 000多萬個,如圖2所示。

圖2 工藝間的整體、墻壁及管路的網格劃分Fig.2 Grids Division of Whole Process Room, Walls and Pipelines

使用scStream求解器Solver進行計算模擬[14],計算使用的電腦為24核并行小型服務器,計算迭代步長為1 000步,收斂曲線總體達到較為平穩狀態,計算時間為28 h。

2.2 CFD控制方程

基于質量保護原則的方程稱為連續性方程[15-17]。對于任何流體的連續流動,它必須滿足連續性方程。本次氣流組織模擬采用黏性不可壓縮Navier-Stokes的方程,流體域的連續和動量相關方程如式(1)～式(3)。本研究中的臭氣收集過程是強制對流,因此,忽略能量方程和濕度擴散。

(1)

(2)

μeff=μ+μt

(3)

其中:u——速度,m/s;

ρ——為密度,mg/m3;

t——時間,s;

P——壓力,Pa;

μeff——有效湍流黏性系數,Pa/s;

μ——黏性系數,Pa/s;

μt——湍流附加黏性系數,Pa/s。

2.3 湍流模型

CFD中提供不同的湍流模型,以模擬生化池中氣體的機械混合,如標準k-ε模型、RNGk-ε模型、可實現的k-ε模型、SSTk-ε模型和雷諾茲應力模型[18]。標準k-ε模型是由Launder等[19]提出,模型本身具有的穩定性、經濟性、較高的計算精度使之成為湍流模型中應用范圍最廣,也最為人熟知的一個模型[20]。因此,本研究湍流模型采用標準k-ε模型,通過求解湍流動能k和湍流耗散率ε方程,得到k和ε的解,然后再用k和ε的值計算湍流黏度,最終通過Boussinesq假設得到雷諾應力的解。

3 模擬與修正

3.1 模擬結果與討論

本研究選取高程Z1=8.60 m(水面以上較低處)、Z2=9.78 m(吸風口截面)和Z3=10.16 m(靠近補風口并遠離水位)。多方向選取截面,對各高度的水平面進行CFD仿真風場分析,以利于更好地觀察風場氣流的分布情況。

由圖3可知,當Z1=8.60 m時,厭氧區和好氧區內的風場較為均勻,但流速隨通道口方向距離增加而增加。兩者之間的通道口(區域 ①紅色框內)流速最大可達0.43 m/s。通風口較小,入風口風速增加,整體空間風量分布不均,進而造成污水處理廠的除臭效率較低[21]。此外,平面矢量圖如圖4所示,通風口下方的氣流速度相對較大,最大可達0.2 m/s,而遠離補風口位置的氣流流速較小,通風效果不斷減弱,導致存在較大的死角[22]。模擬結果表明,生化池內的氣流動力學受垂直氣體羽流和水平流相互競爭的控制[23]。因此,在沒有水平氣流體運動的情況下,擴散器釋放的氣體羽流之間的相互作用產生垂直的、巨大的氣流循環,即螺旋流,產生低氣體阻塞[24]。建議將此通風口徑增大,或將開口下移,或在區域 ②黃色部分內增設通風口,預期可以很好地降低氣體運動過程的速度降,氣體流場更加均勻。通風口的尺寸和位置的修正參數,同樣也可以先通過CFD驗證后再進行實際工程建設。

圖3 平面氣流云(Z1=8.60 m)Fig.3 Plane Airflow Cloud (Z1=8.60 m)

圖4 平面氣流矢量圖(Z1=8.60 m)Fig.4 Vector Diagram of Plane Airflow(Z1=8.60 m)

對Z2=9.78 m處內墻通氣孔處的氣流進行模擬,平面氣流矢量圖(圖5)結果顯示,風管內風速較大,最大風速為2.76 m/s,而風管外區域風速較小,為1 m/s。同樣,在缺氧區和好氧區的墻壁通風口附近風速較大,分布極不均勻。現實中,污水處理廠缺氧與好氧區之前的墻壁通風口只有一排,這是該處風速增大,氣場分布不均的主要原因。然而,污水處理工藝設計與氣體收集處理工藝設計通常并不統一考慮,所以,通氣口的尺寸以及其對流場的影響未在常規生化池設計工作中得到足夠的重視。因此,將CFD加入污水處理廠生化池的設計中,對于生化池加蓋臭氣收集很有必要且意義重大。本案例中,建議內墻在Z軸方向上多開設幾個通風口,以減緩氣流速度,均勻氣流場。同樣,Z軸方向通風口的位置、尺寸也需要在CFD中驗證后再進行實際工程建設。

圖5 平面氣流矢量圖(Z2=9.78 m)Fig.5 Vector Diagram of Plane Airflow(Z2=9.78 m)

如圖5所示(黃色框內區域 ②),由于氣流組織的影響,箭頭指向的管道口風速最大,沿著X軸負方向,管道風口的風量逐漸減小,是風管通風不均勻的體現,建議改善厭氧區和好氧區的墻壁通風口的布置。風場速度分布不均勻,將導致吸風口的吸風主要集中在黃框內的吸風口。因此,建議修改缺氧區和好氧區的通風口。

Z3=10.16 m處的平面氣流云(圖6)顯示好氧區和厭氧區通道內速度分布不均勻。由于氣流組織造成吸風口的吸風主要集中區域 ②紅色箭頭處,區域 ①黃色箭頭處吸風不明顯。通風口(區域 ③紅色框線處)并沒有引起太大的氣流不均勻性。因此,建議改進好氧區和缺氧區通道。

圖6 平面氣流云(Z3=10.16 m)Fig.6 Plane Airflow Cloud (Z3=10.16 m)

3.2 模型修正

不同高度氣體流程的模擬分析結果表明,傳統污水處理工藝設計在氣體收集流場方面的內容缺失。利用CFD對生化池收集氣場的模擬,符合生化池臭氣收集工程設計的現實需求,可以根據可視化模型圖,總結修正方案,使工程方案設計更加具有針對性。

本研究中,根據不同Z軸方向的氣流模擬分析,本研究對修正后的氣流分布再次進行模擬,如圖7所示。在Z1=8.60 m、Z2=9.78 m和Z3=10.16 m的氣流速度場相比修正之前有明顯變化,整體來看氣流分布較為均勻,尤其是在通風口的高強氣流速度下降,厭氧室的氣體分布越加均勻,風速也逐漸平穩。此外,氣體可以送到室內各個角落且能夠讓新風更加均勻地送出,有效地改善室內渦流現象,降低除臭氣體總量。

圖7 修正后的不同高度平氣流矢量圖Fig.7 Revised Vector Diagram of Flat Airflow at Different Heights

4 結論與建議

根據CFD研究結果及香港昂船洲污水處理廠的工程應用經驗,對于整體密封的污水處理池,本研究建議通過池內液面上空間聯通的方式使氣相相連,進行臭氣收集,并且總結出以下建議。

(1)收集方式。充分利用原工藝上原有的“風源”進行臭氣輸送。比如,將好氧區的曝氣和有組織的補風作為風源。好氧區產生的臭氣以大風量、較高流速在連通的氣相空間以掃過的方式單向流動,所有臭氣均從厭/缺氧區收集。臭氣收集方向和污水流方向相逆,臭氣由低濃度區域向高濃度區域流動,使生化池除臭收集區的實際換風量增大,風速變大,濃度降低,臭氣的收集和處理效率都得到了提高。此外,池內氣相負壓方面,好氧區出水部位最小,污水入池的首個厭氧區負壓最大。如此,大大增加了“厭/缺氧區”換氣次數,從而降低了池內的爆炸和毒性風險,也減緩了臭氣對收集管道的腐蝕。

(2)收集效率。傳統設計中會在收集系統中布置較多的吸風口,這可能會在遠端的角落形成死角,導致臭氣聚集而得不到收集,存在爆炸和毒性的危險,也會加重對池壁的腐蝕。本研究對池內設計的收集方式是掃過的流場,可以帶走全部的污染物。而且利用CFD模擬,優化流場分布,可以減少整體的除臭風量,可較大幅度減少風管工程量,同時也提高了臭氣收集效率。

(3)結構設計。對于生化池上方加蓋的密封,需盡量封死,并根據CFD模擬結果,在合理位置進行有序單向補風。建議采用壓力可調節的余壓閥進行單向補風,以確保較高的臭氣收集效率。

(4)投資費用。本研究的臭氣收集方式,實際意義是利用好氧池的低濃度氣體掃過“厭/缺氧區”并帶走臭氣物質,如控制得當,可以減少甚至取消“厭/缺氧區”的臭氣計算風量,從而減小除臭系統的規模,節省投資和運行費用。

(5)節能降耗。按照本研究提出的臭氣收集方式,可以省去池頂諸多的收集風管,且整個收集系統的流速遠低于風管內的流速,從而降低了收集系統的阻力,整個除臭系統更節能。