某污水處理廠氣流組織模擬分析

黃俊潮 于靖華 田利偉

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某污水處理廠氣流組織模擬分析

黃俊潮1于靖華1田利偉2

（1.華中科技大學(xué) 武漢 430074；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063）

污泥脫水機(jī)房和污泥干化機(jī)房是污水處理廠惡臭氣體的主要產(chǎn)生單元，所造成的惡臭污染影響著工作人員和周邊居民的身體健康。為優(yōu)化機(jī)房的機(jī)械通風(fēng)，有效排出惡臭氣體，以某污水處理廠的污泥脫水機(jī)房和污泥干化機(jī)房為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬軟件，模擬計(jì)算兩個(gè)機(jī)房的不同區(qū)域在不同機(jī)械通風(fēng)方案工況下的室內(nèi)污染物濃度分布特征、氣流組織分布情況以及流場(chǎng)分布情況，分別提出了污泥脫水機(jī)房和污泥干化機(jī)房的機(jī)械通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)該污水處理廠惡臭氣體針對(duì)性收集與處理。

脫水機(jī)房；干化機(jī)房；氣流組織；機(jī)械通風(fēng)；污染物濃度

0 引言

污水處理廠所產(chǎn)生的惡臭氣體對(duì)周圍環(huán)境造成了二次污染，不僅污染環(huán)境而且嚴(yán)重危害人體健康[1]。污泥脫水機(jī)房和污泥干化機(jī)房作為污水處理廠惡臭氣體的主要產(chǎn)生單元[2]，有必要對(duì)其機(jī)械通風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化，改善機(jī)房室內(nèi)氣流組織，進(jìn)而指導(dǎo)污水處理廠針對(duì)性收集排風(fēng)并集中處理惡臭氣體。CFD技術(shù)自首次應(yīng)用以來(lái)，在暖通工程中的研究和應(yīng)用方面發(fā)展迅速[3-6]。因此本文通過(guò)建立污泥脫水機(jī)房和污泥干化機(jī)房的CFD模型，模擬并優(yōu)化其機(jī)械通風(fēng)方案。

1 污泥脫水機(jī)房氣流組織模擬分析

1.1 污泥脫水機(jī)房模擬區(qū)域

污泥脫水機(jī)房模擬區(qū)域主要由三部分組成：夜間緊急堆場(chǎng)、污泥料倉(cāng)以及脫水機(jī)房一層車間。三部分區(qū)域的位置詳見(jiàn)圖1（a）。為了保證各功能區(qū)域的空氣質(zhì)量，初步方案確定為從A軸送風(fēng)，使得氣流由一側(cè)向另一側(cè)有序流動(dòng)。

1.2 污泥脫水機(jī)房CFD模擬分析

1.2.1 CFD模型及其邊界條件

根據(jù)各區(qū)域的尺寸建立CFD三維模型，將研究區(qū)域分為夜間緊急堆場(chǎng)、污泥料倉(cāng)、污泥脫水機(jī)房三部分，對(duì)三部分區(qū)域分別送風(fēng)和排風(fēng)，模型如圖1（b）所示，選擇RNG-湍流模型進(jìn)行模擬計(jì)算。調(diào)研結(jié)果顯示，三個(gè)區(qū)域的污染物質(zhì)主要是硫化氫、甲硫醇以及氨氣，濃度都在5mg/m3左右。其中夜間緊急堆場(chǎng)的送風(fēng)量為20000m3/h，污泥料倉(cāng)區(qū)域風(fēng)量為60000m3/h，污泥脫水機(jī)房一層車間風(fēng)量為20000m3/h。

（a）污泥脫水機(jī)房示意圖（b）方案一污泥脫水機(jī)房CFD模型

（1）室內(nèi)污染物散發(fā)量的確定

根據(jù)設(shè)計(jì)送風(fēng)量和測(cè)得的排風(fēng)口處污染物濃度，確定各個(gè)區(qū)域的污染物散發(fā)量，夜間緊急堆場(chǎng)為0.028g/s，污泥料倉(cāng)為0.084g/s，污泥脫水機(jī)房為0.017g/s。對(duì)于夜間緊急堆場(chǎng)，將污染源平均布置于3m高度范圍內(nèi)；對(duì)于污泥料倉(cāng)，將污染源平均布置于設(shè)備布置區(qū)域的3m高度范圍內(nèi)；對(duì)于污泥脫水機(jī)房，將污染源平均布置于設(shè)備布置區(qū)域的3m高度范圍內(nèi)。

（2）送、回風(fēng)口參數(shù)的確定

根據(jù)各區(qū)域的送風(fēng)量確定風(fēng)口的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

對(duì)于夜間緊急堆場(chǎng)，其送風(fēng)量為20000m3/h，設(shè)置8個(gè)球形噴口，其中A軸和J軸分別設(shè)置4個(gè)球形噴口，球形噴口的安裝高度為距地面3m，送風(fēng)角度水平向下15°，球形噴口喉部直徑400mm。排風(fēng)口位于房間中央頂部，排風(fēng)口尺寸為1000mm×2000mm。對(duì)于污泥料倉(cāng)，其送風(fēng)量為60000m3/h，設(shè)置20個(gè)球形噴口，球形噴口位于A軸，球形噴口的安裝高度考慮門(mén)洞處的車輛進(jìn)出，設(shè)定為距地面4.5m，送風(fēng)角度為水平向下15°，球形噴口喉部直徑400mm。排風(fēng)口位于房間另一側(cè)中間頂部，排風(fēng)口尺寸為1000mm×4000mm。對(duì)于脫水機(jī)房，其送風(fēng)量為20000m3/h，設(shè)置6個(gè)球形噴口，球形噴口位于A軸，球形噴口的安裝高度為距地面3m，送風(fēng)角度水平向下15°，球形噴口喉部直徑400mm。排風(fēng)口位于房間另一側(cè)中間頂部，排風(fēng)口尺寸為1000mm× 2000mm。

1.2.2 模擬結(jié)果及分析

（1）方案一模擬結(jié)果及分析

根據(jù)以上設(shè)置對(duì)不同區(qū)域的污染物濃度進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果如圖2所示，重點(diǎn)分析3m高度范圍內(nèi)的污染物濃度分布，以及1-1、2-2和3-3剖面的氣流組織和污染物濃度分布。

對(duì)于夜間緊急堆場(chǎng)，3m高度范圍內(nèi)污染物的平均濃度為6.42ppm，最高濃度7.77ppm。整個(gè)夜間緊急堆場(chǎng)污染物濃度分布較為均勻，送風(fēng)系統(tǒng)能夠形成較為穩(wěn)定的氣流組織，新鮮空氣由A軸和J軸送入，由E軸的排風(fēng)口排出，不斷流、不短路。

對(duì)于污泥料倉(cāng)，3m高度范圍內(nèi)硫化氫的平均濃度為6.63ppm，最高濃度10.52ppm。整個(gè)污泥料倉(cāng)污染物濃度各區(qū)域差別較大，同時(shí)由于球型側(cè)送噴口安裝高度接近屋頂，導(dǎo)致貼附射流現(xiàn)象較為嚴(yán)重，盡管送風(fēng)角度水平向下15°，但送風(fēng)仍無(wú)法達(dá)到污泥料倉(cāng)底部區(qū)域，送風(fēng)口附近形成了較大的渦流。因此建議繼續(xù)加大送風(fēng)角度，同時(shí)考慮1.5m高度污染物濃度分布不均，建議在E軸設(shè)置兩個(gè)排風(fēng)口，以改善污泥料倉(cāng)3m范圍內(nèi)的氣流組織。

（a）高度1.5m處各區(qū)域污染物濃度分布（b）各剖面污染物濃度分布

對(duì)于脫水機(jī)房，3m高度范圍內(nèi)硫化氫的平均濃度為4.16ppm，最高濃度7.93ppm。整個(gè)污泥脫水機(jī)房污染物濃度分布較為均勻，送風(fēng)系統(tǒng)能夠形成較為穩(wěn)定的氣流組織，新鮮空氣由A軸送入，由D軸的排風(fēng)口排出，不斷流、不短路。污泥脫水機(jī)房平均濃度低于其他兩個(gè)區(qū)域，但整個(gè)污泥脫水機(jī)房由左至由硫化氫濃度明顯升高，因此建議改變排風(fēng)口位置以改善3m高度范圍內(nèi)的污染物分布。

（2）方案二模擬結(jié)果及分析

將污泥料倉(cāng)區(qū)域的球形側(cè)送噴口送風(fēng)角度保持為水平向下25°，同時(shí)在A軸和E軸分別設(shè)置10個(gè)球形噴口，形成對(duì)吹。球形噴口的安裝高度同樣考慮門(mén)口處的車輛進(jìn)出，設(shè)定為距地面4.5m，球形噴口喉部直徑400mm。排風(fēng)口則位于房間中間頂部。具體布置如圖3（a）所示，對(duì)污泥料倉(cāng)區(qū)域的污染物濃度分布和氣流組織進(jìn)行重新模擬計(jì)算，模擬結(jié)果如圖3（b）所示。

（a）方案二污泥脫水機(jī)房CFD模型（b）方案二1.5m高度的污染物濃度分布

模擬結(jié)果表明，對(duì)于污泥料倉(cāng)，當(dāng)采用方案二的送風(fēng)方式，即兩側(cè)送風(fēng)，中間排風(fēng)的送風(fēng)方式后，氣流組織能夠滿足排臭要求，3m高度范圍內(nèi)硫化氫的平均濃度為6.04ppm，最高濃度9.35ppm。整個(gè)污泥料倉(cāng)的氣流組織得到改善，污染物濃度分布較為均勻，送風(fēng)系統(tǒng)能夠形成較為穩(wěn)定的氣流組織，新鮮空氣由A軸和E軸送入，由C軸的排風(fēng)口排出，不斷流、不短路。因此建議污泥料倉(cāng)采用方案二的通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2 污泥干化機(jī)房氣流組織模擬分析

2.1 污泥干化機(jī)房模擬區(qū)域

污泥干化機(jī)房的模擬區(qū)域主要由干化機(jī)房和鋼化玻璃加罩封閉的干泥卸料區(qū)域組成，兩部分區(qū)域的示意位置詳見(jiàn)圖4（a）。為了保證各功能區(qū)域的空氣質(zhì)量，送風(fēng)方案確定為從一側(cè)送風(fēng)，使得氣流由一側(cè)有序流向另一側(cè)。

（a）污泥干化機(jī)房示意圖（b）污泥干化機(jī)房CFD模型

2.2 污泥干化機(jī)房CFD模擬分析

2.2.1 CFD模型及其邊界條件

根據(jù)各區(qū)域的尺寸建立CFD三維模型，將研究區(qū)域分為干化機(jī)房、干泥卸料區(qū)兩部分，對(duì)兩部分區(qū)域分別送風(fēng)和排風(fēng)，模型如上圖4（b）所示，選擇RNG-湍流模型進(jìn)行模擬計(jì)算。實(shí)地測(cè)試表明，兩個(gè)區(qū)域的污染物主要是硫化氫、甲硫醇以及氨氣，濃度都在5mg/m3左右。其中干化機(jī)房的送風(fēng)量為110000m3/h，干泥卸料區(qū)域風(fēng)量為10000m3/h。

（1）室內(nèi)污染物散發(fā)量的確定

根據(jù)設(shè)計(jì)送風(fēng)量和測(cè)得的排風(fēng)口處污染物濃度，確定干化機(jī)房污染物散發(fā)量為0.153g/s，干泥卸料區(qū)域?yàn)?.014g/s；將污染源分別平均布置于對(duì)應(yīng)區(qū)域的3m高度范圍內(nèi)。

（2）送、回風(fēng)口參數(shù)的確定

根據(jù)各區(qū)域的送風(fēng)量確定風(fēng)口的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

對(duì)于干化機(jī)房，其送風(fēng)量為110000m3/h，設(shè)置43個(gè)球形噴口，單個(gè)球形噴口的送風(fēng)量為2560m3/h，球形噴口的安裝高度均為距地面3m，送風(fēng)角度水平向下15°，球形噴口喉部直徑400mm。排風(fēng)口位于F軸距地面0.5m高處，均勻設(shè)置共6處，尺寸為2000mm×1000mm。

對(duì)于干泥卸料區(qū)域，其送風(fēng)量為10000m3/h，設(shè)置6個(gè)條縫縫口，條縫縫口位于F軸，排風(fēng)口位于對(duì)面距地面0.5m高度處，均勻設(shè)置6處，排風(fēng)口尺寸為1000mm×300mm。為保證氣流組織的均勻性，將送風(fēng)口與排風(fēng)口錯(cuò)落布置。

2.2.2 模擬結(jié)果及分析

根據(jù)以上設(shè)置對(duì)不同區(qū)域的污染物濃度進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果如圖5所示。重點(diǎn)分析1.5m高度的污染物濃度分布（圖5（b））、速度場(chǎng)（圖5（c））和流場(chǎng)（圖5（d））。

由模擬結(jié)果可知，對(duì)于干化機(jī)房，3m高度范圍內(nèi)硫化氫的平均濃度為3.79ppm，最高濃度4.38ppm。整個(gè)干化機(jī)房氣流組織分布較為均勻，1.5m高度處風(fēng)速基本維持在1m/s左右，送風(fēng)系統(tǒng)能夠形成較為穩(wěn)定的氣流組織，新鮮空氣由一側(cè)的球形噴口送入，由另一側(cè)的排風(fēng)口排出，不斷流、不短路。

對(duì)于干泥卸料區(qū)，采用鋼化玻璃加罩封閉后，由于該區(qū)域跨度較小，因此采用條縫風(fēng)口送風(fēng)即可，另一方面由于該區(qū)域?qū)挾容^大，達(dá)到61m，而送風(fēng)量?jī)H為10000m3/h，因此風(fēng)口之間間距較大，將條縫送風(fēng)口與百葉排風(fēng)口錯(cuò)開(kāi)布置后，干泥卸料區(qū)雖無(wú)法獲得較為平穩(wěn)的氣流組織，但可將污染物混合的較為均勻，并從百葉風(fēng)口處排出，避免了氣流組織短路和死角的產(chǎn)生；干泥卸料區(qū)3m高度范圍內(nèi)硫化氫的平均濃度為3.49ppm，最高濃度5.19ppm。1.5m高度處風(fēng)速基本保持在1m/s以下。

（a）各區(qū)域流場(chǎng)分布（b）1.5m高度處污染物濃度分布 （c）1.5m高度處速度場(chǎng)分布（d）1.5m高度處流場(chǎng)分布

3 結(jié)論與建議

本研究通過(guò)建立污泥脫水機(jī)房和污泥干化機(jī)房CFD三維數(shù)值模型，模擬計(jì)算了不同區(qū)域在不同機(jī)械通風(fēng)方案工況下的室內(nèi)污染物濃度分布特征、氣流組織分布情況以及流場(chǎng)分布情況，提出了污泥脫水機(jī)房和污泥干化機(jī)房的機(jī)械通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，具體結(jié)論如下：

（1）污泥脫水機(jī)房由緊急堆場(chǎng)、污泥料倉(cāng)以及脫水機(jī)房三部分功能區(qū)域構(gòu)成，對(duì)于夜間緊急堆場(chǎng)由于房間較寬，兩側(cè)均設(shè)置球形噴口側(cè)送風(fēng)，安裝高度為3m，送風(fēng)角度為水平向下15°，排風(fēng)口則位于房間中間頂部位置；對(duì)于污泥料倉(cāng)由于前后有車輛進(jìn)出的門(mén)，噴口安裝高度需提高至4.5m，為保證送風(fēng)達(dá)到整個(gè)區(qū)域，兩側(cè)均需設(shè)置噴口送風(fēng)，送風(fēng)角度為水平向下25°，排風(fēng)口位于房間中間頂部位置；對(duì)于脫水機(jī)房一側(cè)設(shè)置球形噴口側(cè)送風(fēng)即可，安裝高度為3m，送風(fēng)角度為水平向下15°，排風(fēng)口位于另一側(cè)靠近污染區(qū)域。

（2）對(duì)于污泥干化機(jī)房，主要包括干化機(jī)房和干泥卸料區(qū)兩部分，其中干化機(jī)房一側(cè)設(shè)置球形噴口送風(fēng)，另一側(cè)底部設(shè)置百葉排風(fēng)口即可；干泥卸料區(qū)由于送風(fēng)距離較短，一側(cè)設(shè)置條縫風(fēng)口送風(fēng)即可，另一側(cè)百葉排風(fēng)口則與條縫風(fēng)口錯(cuò)開(kāi)布置，以避免氣流短路和出現(xiàn)死角。

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Air Distribution Analysis for a Certain Sewage Treatment Plant

HuangJunchao1YuJinghua1TianLiwei2

( 1.Huazhong University of Science & Technology, Wuhan, 430074;2.China Raliway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan, 430063 )

Sludge dewatering room and sludge drying room are two of the primary source of malodorous gas in the sewage treatment plant, leading to the odor pollution which affects the health of the staff and the residents in the surrounding. For optimizing the mechanical ventilation of these two rooms, and the effective discharge of the fetor, take the sludge dewatering room and the sludge drying room of a certain sewage treatment plant as the research object, further more, by utilizing the numerical simulation software, simulate the indoor pollutant concentration distribution characteristics, air distribution and flow field distribution of different areas of these two rooms under different working condition of different mechanical ventilation schemes. The mechanical ventilation optimization design schemes are put forward for the sludge dewatering room and the sludge drying room, to guide the collection and processing of stench gas for sewage treatment plant.

sludge dewatering room; sludge drying room; air distribution; mechanical ventilation; pollutant concentration

1671-6612（2017）04-406-05

TU843

A

黃俊潮（1989.04-），男，在讀碩士研究生，E-mail：junchaohuang@hust.edu.cn

于靖華（1981.03-），女，博士，副教授，E-mail：yujinghua323@126.com

2016-08-11