地下污水處理廠通風(fēng)除臭系統(tǒng)風(fēng)量平衡及均勻性研究

張 雪，薛 穎，張春鵬

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092；2.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

地下污水處理廠將傳統(tǒng)地上污水處理構(gòu)筑物移至地下一體化箱體內(nèi)，從而釋放上部地面空間用于進(jìn)一步開發(fā)建設(shè)，提升土地利用價(jià)值，近年來在國內(nèi)外被廣泛采用。地下污水處理廠處于全地下封閉環(huán)境，若通風(fēng)除臭問題解決不好，造成臭氣聚集或外溢，不僅會(huì)降低上部土地的開發(fā)價(jià)值，更重要的是會(huì)威脅污水處理廠工作人員的人身安全，因此地下污水處理廠通風(fēng)除臭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行至關(guān)重要。本文以泰和污水處理廠為例，進(jìn)行通風(fēng)除臭系統(tǒng)風(fēng)量平衡分析、風(fēng)管管路及系統(tǒng)均勻性模擬，以期評(píng)估通風(fēng)除臭系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，為同類型設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究背景

泰和污水處理廠位于上海市寶山區(qū)，設(shè)計(jì)規(guī)模為40 萬m3/d，采用全地下形式建設(shè)。地下一體化箱體總長約為350 m，寬約為350 m，地下分兩層，地下一層為操作層，凈高6.5 m，地下二層為構(gòu)筑物池體及管廊層。本研究主要針對(duì)初沉池、生物反應(yīng)池及二沉池區(qū)域，區(qū)域長約為350 m，寬約為175 m。為提高地下箱體的空氣品質(zhì)，降低污染物濃度，保障工人安全，泰和污水處理廠地下一體化箱體內(nèi)共設(shè)有5 套機(jī)械通風(fēng)除臭系統(tǒng)，包括暖通系統(tǒng)、大空間除臭系統(tǒng)、離子送風(fēng)系統(tǒng)、生物除臭系統(tǒng)以及其他風(fēng)管系統(tǒng)（主要為設(shè)備或其他空間排風(fēng)所設(shè)置）。

2 風(fēng)量平衡理論計(jì)算

2.1 排風(fēng)量計(jì)算

排風(fēng)量計(jì)算主要涉及兩個(gè)方面，即操作層機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)和蓋板縫隙漏風(fēng)[1-2]。經(jīng)合計(jì)，地下一層總排風(fēng)量Qout為2 953 029.33 m3/h。因此，地下一層總排風(fēng)量約為295 萬m3/h。下面說明具體計(jì)算過程。

2.1.1 操作層機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)

地下一層大空間機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)有兩套，一套為暖通系統(tǒng)，另一套為大空間除臭系統(tǒng)。暖通系統(tǒng)共設(shè)有32 臺(tái)低噪聲柜式離心風(fēng)機(jī)（型號(hào)HTFC-B-Ⅲ-No33），每臺(tái)風(fēng)量為59 169 m3/h，同時(shí)設(shè)有8 臺(tái)低噪聲柜式離心機(jī)（型號(hào)HTFC-B-Ⅲ-No36S1），每臺(tái)風(fēng)量為69 536 m3/h。經(jīng)計(jì)算，暖通系統(tǒng)總排風(fēng)量Qbig為2 449 696 m3/h。大空間除臭系統(tǒng)共設(shè)有4 套活性炭除臭設(shè)備，每套設(shè)備排風(fēng)量為100 000 m3/h。經(jīng)計(jì)算，大空間除臭系統(tǒng)總排風(fēng)量Qod為400 000 m3/h。經(jīng)合計(jì)，地下一層總機(jī)械排風(fēng)量Q1為2 849 696 m3/h。

2.1.2 蓋板縫隙漏風(fēng)

為防止地下二層生物反應(yīng)池中的臭氣從蓋板縫隙溢出至地下一層大空間中，地下二層蓋板上的生物除臭風(fēng)口的總排風(fēng)量大于生物反應(yīng)池的曝氣量，在生物反應(yīng)池中形成負(fù)壓。由負(fù)壓產(chǎn)生的滲透風(fēng)量來自地下一層，通過蓋板縫隙滲透入生物反應(yīng)池內(nèi)。下面計(jì)算負(fù)壓形成的滲透風(fēng)量。生物除臭系統(tǒng)的風(fēng)管位于地下一層大空間中，風(fēng)口位于地下二層生物反應(yīng)池的蓋板上，主要用于地下二層曝氣池除臭，共有4 套系統(tǒng)，每套排風(fēng)量為55 000 m3/h。經(jīng)計(jì)算，生物除臭系統(tǒng)總排風(fēng)量Qodb為220 000 m3/h。地下二層好氧曝氣池內(nèi)，總曝氣量為116 666.67 m3/h。經(jīng)作差，蓋板縫隙漏風(fēng)總量Qf為103 333.33 m3/h。

2.2 送風(fēng)量計(jì)算

2.2.1 地下一層機(jī)械送風(fēng)系統(tǒng)

離子送風(fēng)系統(tǒng)為地下一層大空間的機(jī)械送風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于地下一層大空間走廊和中間走道送風(fēng)，風(fēng)管設(shè)置高度為2 m，多孔垂直立管送風(fēng)，風(fēng)口高度為1～2 m，共設(shè)有2 套離子送風(fēng)系統(tǒng)，每套送風(fēng)量為65 000 m3/h。經(jīng)計(jì)算，離子送風(fēng)系統(tǒng)總送風(fēng)量Qion為130 000 m3/h。

2.2.2 天窗滲透風(fēng)

由小節(jié)2.1 可知，地下一層大空間總排風(fēng)量約為295 萬m3/h。由小節(jié)2.2.1 可知，地下一層大空間總機(jī)械送風(fēng)量為13 萬m3/h。根據(jù)風(fēng)量平衡，經(jīng)作差，從天窗等位置滲透入室內(nèi)的新風(fēng)量Qin約為282 萬m3/h。

2.3 換氣次數(shù)

地下一層大空間模擬區(qū)域長約為350 m，寬約為175 m，高約為6.5 m。經(jīng)計(jì)算，其體積V為398 125 m3。根據(jù)式（1）計(jì)算，地下一層大換氣次數(shù)n為7.42 次/h。泰和污水處理廠工程設(shè)備房間為廠房，上部為公共開放綠地，地下部分為封閉大空間，按照廠房進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用全面機(jī)械通風(fēng)方式，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，換氣次數(shù)不小于6 次/h，現(xiàn)換氣次數(shù)為7.42 次/h，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3 風(fēng)管內(nèi)風(fēng)量均勻性研究

3.1 暖通系統(tǒng)單根排風(fēng)風(fēng)管

暖通系統(tǒng)排風(fēng)管基本平行布置，每根暖通風(fēng)管接1 個(gè)獨(dú)立排風(fēng)風(fēng)機(jī)，不同風(fēng)管的形狀基本相似，因此選取最長的單根管路（長153.2 m）進(jìn)行模擬，研究該排風(fēng)風(fēng)管的風(fēng)量均勻性，三維模型按照暖通設(shè)計(jì)圖紙?jiān)瓨咏ǔ伞Ｓ赡M結(jié)果可知，該排風(fēng)管壓力分布不均勻。左端接排風(fēng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)口靜壓在163～190 Pa（負(fù)壓），越靠近右端，風(fēng)管內(nèi)靜壓越低。風(fēng)管內(nèi)的速度分布也不均勻，同時(shí)存在遠(yuǎn)端風(fēng)口風(fēng)量極低的情況。距離左端排風(fēng)風(fēng)機(jī)最近的排風(fēng)口風(fēng)量最大，之后每個(gè)排風(fēng)口的排風(fēng)量逐漸遞減，最遠(yuǎn)端5 個(gè)排風(fēng)口的風(fēng)量基本為零。

3.2 生物除臭系統(tǒng)支管

生物除臭系統(tǒng)的風(fēng)管管路復(fù)雜，多根平行支管與主管相連，主管最終連接至活性炭除臭設(shè)備中。主管與支管間存在閥門，因此選取單根支管進(jìn)行風(fēng)管內(nèi)風(fēng)量均勻性的模擬分析。由模擬結(jié)果可知，支管接主管的風(fēng)口靜壓在21～24 Pa（負(fù)壓），距離支管總風(fēng)口越遠(yuǎn)，風(fēng)管內(nèi)靜壓越低。該支管的速度分布與風(fēng)量分布也不均勻，距離總管最近的排風(fēng)口風(fēng)速最高、風(fēng)量最大，距離主管越遠(yuǎn)，風(fēng)速與排風(fēng)量均越低，但不存在排風(fēng)口風(fēng)量為零的情況。

3.3 生物除臭系統(tǒng)閥門調(diào)節(jié)

生物除臭系統(tǒng)每個(gè)排風(fēng)口處均設(shè)置有調(diào)節(jié)閥，由于閥門調(diào)節(jié)對(duì)生物除臭系統(tǒng)的影響效果不明確，因此選取1 套生物除臭風(fēng)管系統(tǒng)，模擬閥門調(diào)節(jié)前后生物除臭風(fēng)管內(nèi)部氣流組織的分布。首先對(duì)生物除臭風(fēng)管進(jìn)行無閥門情況下的管路均勻性模擬，在得到管路流場分布后，再模擬閥門調(diào)節(jié)后管路內(nèi)的氣流組織分布。

閥門調(diào)節(jié)前，生物除臭系統(tǒng)的模擬結(jié)果如圖1所示。由此可以看出，遠(yuǎn)端管段左側(cè)風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)速極低，風(fēng)管均勻性較差，氣流在左邊管路入口處形成渦流，可能是因?yàn)橛覀?cè)管路管徑較大，阻力較低，風(fēng)速較大。左側(cè)回風(fēng)口形成渦流，阻礙管內(nèi)的流動(dòng)。閥門調(diào)節(jié)后，生物除臭系統(tǒng)的模擬結(jié)果如圖2所示。

圖1 閥門調(diào)節(jié)前生物除臭系統(tǒng)流速分布

圖2 閥門調(diào)節(jié)后生物除臭系統(tǒng)流速分布

由此可以看出，閥門調(diào)節(jié)后，各管段的速度分布基本均勻，相較于閥門調(diào)節(jié)前，風(fēng)管均勻性明顯提高。調(diào)節(jié)前幾乎不抽風(fēng)的遠(yuǎn)端左側(cè)管段，經(jīng)過閥門調(diào)節(jié)，抽風(fēng)量與其余管段相近。閥門調(diào)節(jié)前，遠(yuǎn)端管段左側(cè)風(fēng)管內(nèi)由于阻力形成渦流，調(diào)節(jié)后，渦流基本消失，氣流組織正常。綜上所述，對(duì)于管路長且復(fù)雜的生物除臭系統(tǒng)，若不設(shè)置閥門調(diào)節(jié)，除臭風(fēng)管的均勻性較差，尤其遠(yuǎn)端風(fēng)管存在抽不動(dòng)風(fēng)的情況。可以通過控制調(diào)節(jié)閥，調(diào)整各支管的風(fēng)管阻力，使得風(fēng)管均勻性提高。

4 結(jié)語

本文根據(jù)泰和污水處理廠通風(fēng)除臭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖紙建立詳細(xì)的三維模型，并對(duì)風(fēng)管、設(shè)備等結(jié)構(gòu)做適當(dāng)簡化，對(duì)風(fēng)管系統(tǒng)的排布做細(xì)微調(diào)整。研究表明，根據(jù)大空間內(nèi)排風(fēng)量和送風(fēng)量、蓋板的滲透風(fēng)量和天窗的進(jìn)風(fēng)量，經(jīng)風(fēng)量平衡計(jì)算，大空間的換氣次數(shù)為7.42 次/h，滿足相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)暖通風(fēng)管、生物除臭風(fēng)管的單根風(fēng)管風(fēng)量均勻性進(jìn)行模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，暖通風(fēng)管風(fēng)口排風(fēng)量不均勻，且回風(fēng)口并沒有風(fēng)閥，需要進(jìn)一步優(yōu)化。生物除臭系統(tǒng)的支管閥門調(diào)節(jié)前，管路內(nèi)的流場較為不均勻，管內(nèi)局部會(huì)形成渦流，阻礙流動(dòng)，閥門調(diào)節(jié)后，管內(nèi)流場與流量分布較為均勻，因此可以通過控制調(diào)節(jié)閥，調(diào)整各支管的風(fēng)管阻力，提高風(fēng)管均勻性。地下污水處理廠通風(fēng)除臭系統(tǒng)的布置對(duì)于維持污水處理廠的正常運(yùn)行、保障人員安全具有重要意義，隨著污水處理廠處理規(guī)模的增加，通風(fēng)除臭系統(tǒng)的工程投資也相應(yīng)增加。經(jīng)模擬分析，對(duì)于大空間的機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)，沒有必要按整個(gè)區(qū)域通長布置，建議根據(jù)風(fēng)管均勻性模擬結(jié)果，減少風(fēng)管長度，在保障通風(fēng)安全的基礎(chǔ)上節(jié)省工程投資。此外，對(duì)于地下污水處理廠的除臭系統(tǒng)，建議在支管處設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，平衡各個(gè)點(diǎn)的除臭風(fēng)量，保證區(qū)域排風(fēng)均勻，增強(qiáng)控制靈活性。