大型污泥脫水車間除臭送排風(fēng)模擬和優(yōu)化研究

周 斌，胡 聰，林莉峰

[1.上海城投污水處理有限公司，上海市 201203；2.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

但實際往往由于收集系統(tǒng)不完善造成除臭效果有限，整個除臭工程仍未發(fā)揮出應(yīng)有的效益[1]。因此我們要更加重視臭氣源的收集，而送排風(fēng)管道設(shè)計是臭氣收集系統(tǒng)的核心。

隨著時代科技的日新月異，更多的先進(jìn)軟件被用于輔助和指導(dǎo)設(shè)計。陳思維通過CFD 研究了不同送排風(fēng)量下脫水機房豎直離子風(fēng)管的通風(fēng)除臭效果[2]。劉洪波運用CFD 軟件對污泥脫水機房惡臭污染進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明氣流組織對H2S 擴散分布影響較大，可通過CFD 數(shù)值模擬確定最佳的惡臭收集位置，在機房內(nèi)形成良好的氣流組織，并獲得最佳的惡臭收集效果[3]。

本文以白龍港污泥處理處置二期工程污泥脫水車間為例，引進(jìn)了CFD 虛擬仿真技術(shù)來進(jìn)行輔助設(shè)計并驗證設(shè)計的合理性。通過對初始設(shè)計中污泥脫水及干化車間的臭氣源強以及除臭送排風(fēng)的氣流組織模擬，找出除臭收集系統(tǒng)設(shè)計中存在的問題，并有針對性地提出優(yōu)化建議，以滿足現(xiàn)有職業(yè)健康標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。

1 脫水車間送排風(fēng)氣流組織模擬

1.1 軟件和模型

所謂氣流組織形式，是指空氣氣流流動受送回風(fēng)口、送風(fēng)速度以及建筑結(jié)構(gòu)影響而形成的不同組織形式的流場。進(jìn)行氣流組織模擬，需要對研究對象進(jìn)行建模。本文研究選用的CFD 模擬軟件為scStream，此軟件為日本公司1984 年首次發(fā)布的，是一款通用的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（直角或圓柱）熱流體分析軟件。sc-Stream 軟件自帶前處理Preprocessor（模型建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件定義）、求解器Solver（求解計算）、Postprocessor 后處理（計算數(shù)據(jù)圖像畫、圖形展示、動畫制作）等功能集成為一體。scStream 被廣泛應(yīng)用于建筑物的環(huán)境控制分析以及影響環(huán)境的室內(nèi)外空氣以及熱流場分析。

首先，通過CFD 軟件進(jìn)行幾何模型的建立、劃分網(wǎng)格以及定義邊界條件來滿足后期的模擬計算。模型的建立是根據(jù)設(shè)計方可以提供的Revit 模型以及CAD 平面圖紙在CAD 軟件以及scStream 前處理Preprocessor 中進(jìn)行幾何模型建立。其次，通過CFD軟件來判斷網(wǎng)格是否滿足條件、選定所需要的物理模型、設(shè)置模型的計算區(qū)域和邊界條件、選定計算方法，經(jīng)過初始化條件之后開始迭代計算，將計算得到的結(jié)果保存以方便后處理。最后通過Postprocessor 后處理軟件進(jìn)行圖像的后處理。

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分對計算結(jié)果的真實性有較大影響。如果網(wǎng)格劃分的質(zhì)量差或者網(wǎng)格的總數(shù)較少，計算結(jié)果往往會難以收斂或者偏離實際情況。因此需要在計算收斂的情況下，盡可能達(dá)到高質(zhì)量的網(wǎng)格水平，以使得后期計算結(jié)果符合實際。

網(wǎng)格的劃分有結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化以及兩種混合的三種類型。由于本文所選的模擬對象脫水車間近似為規(guī)則的六面體，本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。脫水車間的尺寸為53.9 m（L）×30.8 m（W）×12.0 m（H），圖1 為脫水車間及主要設(shè)備布置示意圖。脫水機房內(nèi)北側(cè)二層設(shè)備平臺（標(biāo)高4.2 m）距墻4.5 m 并排布置7臺離心脫水機，本研究按7 臺離心脫水機同時運行考慮，脫水機外殼模型尺寸為6.0 m（L）×1.8 m（W）×2.0 m（H）；每臺離心脫水底部設(shè)置一臺出泥螺桿泵（標(biāo)高0.0 m），出泥螺桿泵模型尺寸為7.0 m（L）×0.8 m（W）×0.8 m（H）；脫水機房內(nèi)東南角距墻7.0 m并排布置7 臺進(jìn)泥螺桿泵（標(biāo)高0.0 m），進(jìn)泥螺桿泵模型尺寸為4.35 m（L）×0.8 m（W）×0.6 m（H）。脫水機房內(nèi)西南角為低壓配電間和變壓器室。利用scStream 自帶的前處理Preprocessor 對脫水機房中的流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了使模擬計算的結(jié)果更加精確，對排風(fēng)口和送風(fēng)口處進(jìn)行網(wǎng)格加密化處理，最小網(wǎng)格尺寸為1.3 mm，最小的模型在8 個網(wǎng)格左右，最終得到的六面體網(wǎng)格總數(shù)量為6 344.822 萬個（706×430×209），見圖2。對模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，最終確定得到的網(wǎng)格數(shù)量與模擬結(jié)果沒有相關(guān)性。

圖1 脫水車間平面布置示意圖（單位：mm）

圖2 脫水車間網(wǎng)格圖

1.3 邊界條件

邊界條件一般會對數(shù)值計算產(chǎn)生重要的影響，因而要在合適的位置選擇合適的邊界條件。脫水車間邊界有門、排風(fēng)口和送風(fēng)口。根據(jù)該車間惡臭氣體逸散特點、送風(fēng)形式和邊界條件的物理機理對脫水車間的邊界類型進(jìn)行設(shè)定。運行過程中，車間大門基本處理開啟狀態(tài)，但門口設(shè)定了風(fēng)幕門，可能當(dāng)作與外界不流通。送風(fēng)口和排風(fēng)口是脫水車間空氣流動的動力源，均由風(fēng)機提供動力，并且惡臭濃度、空氣流速、溫度、相對濕度等都是不均勻和變化的。另作以下簡化假設(shè)：

（1）室內(nèi)的空氣（和臭氣）為不可壓縮理想氣體，密封性良好；

（2）車間墻壁、地面和頂面均為無滑移絕熱壁面。

為了保證臭氣不會逸散到外部空間造成環(huán)境污染，脫水機房內(nèi)部應(yīng)保持為微負(fù)壓狀態(tài)，因此排風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量要大于送離子新風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量。現(xiàn)有脫水車間共設(shè)置了兩組送離子新風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)量均為60 000 m3/h；排風(fēng)系統(tǒng)兩套，風(fēng)量分別為95 000 m3/h 和50 000 m3/h，送、排風(fēng)管道平面布置和立體模型分別見圖3、圖4。圖4 風(fēng)管立體模型中，藍(lán)色部分為離子送風(fēng)管道，紅色部分為臭氣收集排放管道。

圖3 脫水車間送排風(fēng)管道平面圖

圖4 脫水車間送排風(fēng)管道模型圖

污染物的泄露濃度按常見脫水車間的濃度取值并適當(dāng)放大。臭氣濃度為3 000～30 000（無量綱），主要臭氣成分為氨、硫化氫和甲硫醇。極端工況下臭氣濃度可達(dá)50 000（無量綱）以上，甲硫醇濃度預(yù)估為5～10 mg/m。

1.4 控制方程與湍流模型

1.4.1 CFD 控制方程

本次氣流組織模擬采用粘性不可壓縮Navier-Stokes 的方程，流體域的連續(xù)和動量方程見式（1）～式（3）：

式中：u 為流體運動速度，m/s；Ρ 為流體密度，kg/m3；T 為時間，s；P 為流體壓力，Pa；μeff為流體有效湍流粘性系數(shù)，μeff= μ + μt，μ 為流體動力黏度系數(shù)，μt為湍流附加粘性系數(shù)，Pa·s；C 為擴散物濃度，無量綱；Dm為擴散系數(shù)，m2·s-1；D 為擴散物源項，l·s-1。

使用scStream 求解器Solver 進(jìn)行計算模擬。使用電腦為36 核并行小型服務(wù)器進(jìn)行模擬計算，收斂曲線總體達(dá)到較為平穩(wěn)狀態(tài)，計算時間為28 h 左右。

1.4.2 湍流模型

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型是由Launder 和Spalding 提出，模型本身具有的穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)性和比較高的計算精度使之成為湍流模型中應(yīng)用范圍最廣、也最為人熟知的一個模型。標(biāo)準(zhǔn)kε 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(shè)得到雷諾應(yīng)力的解。

1.5 模擬結(jié)果與分析

1.5.1 送風(fēng)模擬

通過CFD 進(jìn)行虛擬仿真模擬計算，分別模擬了車間高度（Z 方向）不同高度上車間長度（X 方向）和車間寬度（Y 方向）的送風(fēng)風(fēng)速流場，見圖5。

圖5 脫水車間不同高度的送風(fēng)風(fēng)速流場

從圖5 中可以看出，送風(fēng)管道在1.5 m 高度處的風(fēng)速流場基本在0～0.5 m/s，送風(fēng)效果不佳，且1.5 m高度基本屬于工作人員的呼吸區(qū)域。從職業(yè)健康角度，需要加強此區(qū)域的離子送風(fēng)。另外一個值得注意的地方是：從送風(fēng)口中心截面圖（見圖6）可看出，送風(fēng)氣流在送風(fēng)口處最大（超過2 m/s）并隨著遠(yuǎn)離送風(fēng)口而速度迅速衰減，由此可將送風(fēng)口處的形式由普通網(wǎng)格改為球形噴口等提高有效送風(fēng)距離。

圖6 送風(fēng)口中心截面速度云圖

1.5.2 臭氣濃度場模擬

排風(fēng)方面模擬了臭氣泄漏重點區(qū)域的高度流場分布情況，圖7 展示了在Z 軸高度方向上1.5 m、3.6 m、4.5 m、6.7 m、8.5 m 和9.6 m 高度的泄漏濃度分布情況模擬結(jié)果。

圖7 脫水車間不同泄漏高度的濃度場

1.5.3 排風(fēng)模擬

圖8 為Z 軸方向上1.5 m、3.3 m、4.2 m、6.2 m、8.2 m 和9.6 m 高度排風(fēng)風(fēng)速分布情況模擬結(jié)果。

圖8 脫水車間各高度排風(fēng)風(fēng)速流場

從Z 方向各高度的排風(fēng)風(fēng)速分布模擬結(jié)果可以看出，各排風(fēng)橫干管風(fēng)速很高（超過2 m/s），支立管的風(fēng)速基本都很小(小于0.5 m/s)，排風(fēng)立管末端（底部）風(fēng)速基本為零，且臭氣只在各排風(fēng)口處附近（主要是4.2 m 和3.3 m 高度上）才有較大的抽吸速度，整體排風(fēng)效果很差，臭氣不能及時通過排放管道排出車間。

1.6 優(yōu)化建議

根據(jù)本次模擬結(jié)果，對脫水車間現(xiàn)有設(shè)計的送排風(fēng)管道和風(fēng)口進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，包括加強脫水車間人員“呼吸高度”區(qū)域的離子送風(fēng)，將普通平板格網(wǎng)送風(fēng)口改成球形噴口以增加送風(fēng)距離，增加車間底部送風(fēng)球形噴口，調(diào)整立管位置，調(diào)整部分管道的管徑等，另外在各排風(fēng)支立管頂端與橫干管處設(shè)置主動排風(fēng)小風(fēng)機，加上末端的大風(fēng)機吸風(fēng)，達(dá)到了較好的排風(fēng)抽吸效果。加強送排風(fēng)的同時，保持污泥脫水車間為“微負(fù)壓”狀態(tài)。使得脫水車間的送新風(fēng)系統(tǒng)和臭氣收集系統(tǒng)能夠更有效的協(xié)同工作，改善脫水車間的工作環(huán)境。具體見表1。

表1 脫水車間送排風(fēng)模擬和優(yōu)化建議

根據(jù)上述模擬分析的結(jié)果，在模型中有針對性地進(jìn)行模型調(diào)整后，氣流組織情況明顯改善，人員呼吸區(qū)域的送離子新風(fēng)更為均勻，而且臭氣收集支立管末端的底層空間流場針對污染物泄漏排散效果有了較大改觀。

2 項目實施情況

2.1 優(yōu)化措施

通過上述模擬情況及優(yōu)化建議，在施工圖設(shè)計階段，對除臭工程中送排風(fēng)系統(tǒng)套數(shù)、風(fēng)量、風(fēng)管布置、送排風(fēng)口設(shè)置等方面進(jìn)行調(diào)整，具體優(yōu)化內(nèi)容見表2。

表2 脫水車間送排風(fēng)優(yōu)化內(nèi)容

2.2 檢測結(jié)果

在實施了上述優(yōu)化措施和項目正式投產(chǎn)后，委托第三方檢測機構(gòu)對污泥脫水車間主要點位的主要污染物濃度進(jìn)行取樣檢測，使用便攜式揮發(fā)性有機氣體分析儀EXPEC 3100 與臭氣分析儀New force TionGas-200 檢測污染源的強度，檢測點的高度為人員呼吸區(qū)高度1.5 m 以及設(shè)備主體高度3.5 m。污染源的測定點位分布示意見圖9，主要指標(biāo)檢測結(jié)果見表3。同時對脫水車間配套的除臭設(shè)施的進(jìn)出口污染物濃度進(jìn)行取樣檢測，結(jié)果見表4。

表3 本項目與其它污水廠脫水車間污染物對比

表4 脫水車間除臭設(shè)施進(jìn)出口污染物濃度

圖9 污泥脫水車間測點布置圖

從表3 可知，脫水車間經(jīng)過有效送排水優(yōu)化設(shè)計與施工，車間內(nèi)主要臭氣指標(biāo)全部遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn)，且硫化氫和臭氣濃度兩項指標(biāo)也優(yōu)于有代表性的同類污泥處理項目，除臭效果顯著。從表4 除臭設(shè)施進(jìn)出口污染物濃度指標(biāo)可以看出，除臭設(shè)施運行正常，各污染物的去除率均在85%以下，出口濃度遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)。

3 結(jié) 語

（1）目前國內(nèi)除臭工程設(shè)計參考的基本是現(xiàn)行規(guī)范《城鎮(zhèn)污水處理廠臭氣處理技術(shù)規(guī)程（CJJ/T 243-2016）》，這種基于換氣次數(shù)的經(jīng)驗性設(shè)計的可靠性有待進(jìn)一步驗證。污泥處理車間內(nèi)設(shè)備眾多，空間布局復(fù)雜、污染源強分布不均，且由換氣次數(shù)算出來的只是總風(fēng)量，而實際上流場情況非常復(fù)雜，單純依據(jù)換氣次數(shù)得出的設(shè)計方案常出現(xiàn)系統(tǒng)運行能耗高、實際通風(fēng)效果不佳等問題。為了充分發(fā)揮除臭系統(tǒng)的功能，應(yīng)該更加重視送排風(fēng)管道的設(shè)計和優(yōu)化。

（2）本文基本白龍港污泥二期項目的脫水車間，利用CFD 氣流組織模擬等手段，及時發(fā)現(xiàn)了初始設(shè)計中除臭系統(tǒng)的不足之處，通過針對性地優(yōu)化后，送排風(fēng)效果得到了很大改善。工程建成投產(chǎn)后，第三方檢測結(jié)果表明，無論是脫水車間內(nèi)還是配套的除臭設(shè)施排口，各項臭氣污染物指標(biāo)均達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）CFD 氣流組織模擬是一個很好的工具，在建筑通風(fēng)領(lǐng)域有非常成熟的應(yīng)用。污水、污泥處理工程的除臭可以借鑒用利用好這樣的工具，進(jìn)而幫助我們在設(shè)計階段就能一定程度上驗證工程設(shè)計效果，有針對性地采取優(yōu)化措施，有利于污水處理廠的臭氣治理，提高工程效益。