污水廠含臭氣體排放塔結(jié)構(gòu)參數(shù)CFD 優(yōu)化

張明亮 周文和 王佳 沈浩 史成波 滕峰

（1 蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 甘肅蘭州 730070 2 中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 湖北武漢 430010）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展及人民生活水平的改善，污水處理廠逐漸增加，其產(chǎn)物含臭氣體通常經(jīng)排放塔高空排出，利用擴(kuò)散稀釋及大氣的自潔能力將地面濃度控制在可接受的范圍內(nèi)，其效果取決于含臭氣體初始濃度、排放塔結(jié)構(gòu)及當(dāng)?shù)貧庀髼l件。因此，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件，合理設(shè)計(jì)排放塔高度等結(jié)構(gòu)及排放參數(shù)，對(duì)保障周邊環(huán)境的生活質(zhì)量及居民健康具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

浮杰［1］就煙氣煙羽抬升高度和傳統(tǒng)排煙方式進(jìn)行對(duì)比，并分析了“煙塔合一”技術(shù)對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)的影響。盧權(quán)等［2］利用數(shù)值方法，對(duì)某電廠鍋爐尾部煙道流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，并對(duì)原方案進(jìn)行了優(yōu)化改造。鄧斌等［3］通過(guò)分析煙羽形成及消散原理，借助CFD 技術(shù)分析了影響煙氣與大氣混合的因素。陳逸鵬等［4］以在大氣中擴(kuò)散的混合氣流為研究對(duì)象，通過(guò)CFD 對(duì)不同工況下的煙羽擴(kuò)散進(jìn)行模擬分析，并通過(guò)模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的合理性。

可以看出，借助CFD 技術(shù)完成煙囪等構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)的驗(yàn)證和優(yōu)化方面不乏應(yīng)用案例及成果，但在污水廠生物臭氣排放擴(kuò)散分析方面的應(yīng)用亟待彌補(bǔ)?；谫|(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程以及RNG k-ε 模型方程等CFD 技術(shù)，本文以陳江街道辦二號(hào)地下污水處理廠生物臭氣排放塔為例，運(yùn)用Fluent 等軟件，對(duì)含臭氣體排放塔結(jié)構(gòu)參數(shù)與排放塔周?chē)h(huán)境臭氣濃度的影響關(guān)系進(jìn)行分析，以期驗(yàn)證和優(yōu)化本文含臭氣體煙羽擴(kuò)散合理的排放塔結(jié)構(gòu)參數(shù)初設(shè)方案，為不同工況相同問(wèn)題的解決提供借鑒。

1 工程背景

陳江街道辦二號(hào)地下污水處理廠位于廣東省惠州市仲愷高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)，是惠州市首座全地埋式生態(tài)型污水處理廠，日處理規(guī)模為10 萬(wàn)m3/d。污水處理過(guò)程中產(chǎn)生、散發(fā)的含臭氣體經(jīng)排風(fēng)口收集、風(fēng)管匯集，再經(jīng)生物除臭裝置處理后從排放塔排出，其除臭、排放工藝流程如圖1 所示。排放塔初設(shè)方案及相關(guān)參數(shù)具體取值如表1 所示。

圖1 生物除臭工藝流程

表1 項(xiàng)目初設(shè)方案

2 數(shù)值模型

為了數(shù)值驗(yàn)證和優(yōu)化本文地下污水廠含臭氣體排放塔初設(shè)方案，相關(guān)CFD 模擬技術(shù)的物理模型，數(shù)值模型、方法及邊界條件簡(jiǎn)述如下。

2.1 三維建模及網(wǎng)格劃分

為保證計(jì)算域內(nèi)排放塔排出臭氣的流動(dòng)擴(kuò)散能夠充分發(fā)展，本文沿環(huán)境空氣風(fēng)向選取計(jì)算域尺寸為135 m×45 m×90 m，借助Gambit 軟件建立全尺寸三維物理模型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)區(qū)域進(jìn)行離散，并對(duì)臭氣排放塔排氣口區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密以提升模擬結(jié)果的精確度，物理模型如圖2 所示。

圖2 物理模型

為了獲得網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算結(jié)果間的關(guān)系，確定合理的網(wǎng)格數(shù)量，本文區(qū)域離散分別采用不同數(shù)量的多套網(wǎng)格，并相應(yīng)計(jì)算了區(qū)域內(nèi)臭氣擴(kuò)散的速度場(chǎng)，4 套網(wǎng)格系統(tǒng)在塔口縱向中心面（x=0 平面）均勻分布的10 個(gè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速見(jiàn)圖3。通過(guò)對(duì)比分析可知：在網(wǎng)格數(shù)量為60 W 和100 W 時(shí)，測(cè)點(diǎn)速度波動(dòng)較大，而在網(wǎng)格數(shù)量150 W 和200 W 條件下，測(cè)點(diǎn)速度誤差在允許范圍內(nèi)，表明已滿足網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算結(jié)果的獨(dú)立性；鑒于模擬時(shí)間等多方面因素考慮，最終選取數(shù)量為150 W 的網(wǎng)格系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)模擬分析。

圖3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

2.2 數(shù)值模型、方法及邊界條件

數(shù)值模型包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程以及RNG k-ε 模型方程，具體邊界參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 邊界類(lèi)型設(shè)置

3 結(jié)果及分析

本文依據(jù)設(shè)計(jì)單位給定的參數(shù)和除臭工藝調(diào)控要求，通過(guò)改變環(huán)境參數(shù)、臭氣排放塔高度和排放參數(shù)，設(shè)置以表3 所示8 種不同工況，并基于此得到污水廠含臭氣體排放塔結(jié)構(gòu)及其臭氣擴(kuò)散關(guān)系。

表3 工況參數(shù)設(shè)置

3.1 溫度的影響

為了得到不同環(huán)境溫度及臭氣溫度的影響作用，本文分別對(duì)工況1、工況2 和工況4 條件下含臭氣體排放塔排放及擴(kuò)散情況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和分析，選取臭氣中組分含量較大的NH3擴(kuò)散情況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4 所示。從圖4（a）和（b）可以看出，環(huán)境溫度對(duì)臭氣擴(kuò)散影響較小，在臭氣溫度同為40 ℃時(shí)，工況1、工況2 下臭氣抬升高度和擴(kuò)散距離分別為30 m 和48 m 左右。而含臭氣體排放溫度對(duì)臭氣擴(kuò)散影響較大，環(huán)境溫度均為22 ℃時(shí)，工況4 條件下雖臭氣抬升高度較工況1 相差不大，但其最大擴(kuò)散距離超過(guò)100 m，較工況1 遠(yuǎn)。該現(xiàn)象是由于環(huán)境溫度與臭氣排放溫度溫差較小，因此排出的臭氣通過(guò)熱濕交換達(dá)到大氣狀態(tài)的時(shí)間將會(huì)增加，相應(yīng)擴(kuò)散范圍也就越遠(yuǎn)，將不利于臭氣的擴(kuò)散。在本文排放塔臭氣入口濃度及大氣和臭氣排放溫度條件下，NH3地面濃度均滿足設(shè)計(jì)最初規(guī)劃“1 m～500 m 范圍內(nèi)對(duì)高度為0 m～2 m 內(nèi)的行人無(wú)影響，對(duì)370 m～500 m 范圍內(nèi)的文化設(shè)施建筑物無(wú)影響”，且落地最大污染物含量滿足規(guī)范［5］要求。

圖4 溫度的影響關(guān)系

3.2 氣流速度的影響

為了得到不同環(huán)境速度及臭氣速度的影響，本文對(duì)工況1、工況3 和工況5 條件下含臭氣體排放塔排放及擴(kuò)散情況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和分析，結(jié)果如圖5 所示?？梢钥闯?，環(huán)境大氣風(fēng)向和流速對(duì)臭氣擴(kuò)散影響很大，大氣流速增大將明顯降低臭氣抬升高度，但臭氣的擴(kuò)散范圍也相應(yīng)增大。在臭氣排放速度同為10 m/s 時(shí)，工況1 下臭氣抬升高度為30 m，工況3 臭氣抬升高度為15 m，擴(kuò)散距離超過(guò)100 m。同樣，臭氣排放速度對(duì)臭氣擴(kuò)散影響也很大，在環(huán)境速度同為3 m/s 時(shí)，工況5條件下，通過(guò)增加臭氣排放速度至15 m/s，臭氣抬升高度相應(yīng)增大到40 m，臭氣落在地面的濃度將更小，更有利于臭氣的擴(kuò)散。本文排放塔臭氣入口濃度及大氣和臭氣排放速度條件下，NH3地面濃度均滿足設(shè)計(jì)最初規(guī)劃“1 m～500 m 范圍內(nèi)對(duì)高度為0 m～2 m 內(nèi)的行人無(wú)影響，對(duì)370 m～500 m 范圍內(nèi)的文化設(shè)施建筑物無(wú)影響”，且落地最大污染物含量滿足規(guī)范［5］要求。

圖5 速度的影響關(guān)系

3.3 塔高的影響

為了得到排放塔高度，本文分別對(duì)工況6、工況7 和工況8 條件下含臭氣體排放塔排放及擴(kuò)散情況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和分析，結(jié)果如圖6 所示。結(jié)合圖5（c）可以看出，經(jīng)過(guò)生物除臭工藝排放出的臭氣，在設(shè)置一定高度排放塔有組織排放時(shí)，即塔高分別為15 m、10 m、5 m 條件下，臭氣抬升高度均為40 m左右，且相應(yīng)臭氣擴(kuò)散距離在40 m～50 m 范圍內(nèi)，均滿足設(shè)計(jì)最初規(guī)劃 “1 m～500 m 范圍內(nèi)對(duì)高度為0 m～2 m 內(nèi)的行人無(wú)影響，對(duì)370 m～500 m 范圍內(nèi)的文化設(shè)施建筑物無(wú)影響”，且落地最大污染物含量滿足規(guī)范［5］要求。當(dāng)塔高為0 m，即臭氣無(wú)組織排放條件時(shí)，臭氣擴(kuò)散將會(huì)對(duì)“1 m～500 m 范圍內(nèi)高度為0 m～2 m 內(nèi)”的行人產(chǎn)生影響見(jiàn)圖6（c）。綜合對(duì)建筑成本等多方面的考慮，本文選取排放塔高度為5 m 的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為最優(yōu)方案。

圖6 塔高的影響關(guān)系

4 結(jié)論

隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，地下污水處理廠不斷增加，其含臭氣體產(chǎn)物的處理和排放效果至關(guān)重要。本文通過(guò)對(duì)陳江街道辦二號(hào)地下污水處理廠不同工況含臭氣體排放塔排放方案及效果進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析，得出以下結(jié)論。

（1）臭氣排放溫度和速度、環(huán)境大氣流速對(duì)臭氣擴(kuò)散影響相對(duì)較大。在滿足排放要求基礎(chǔ)上，本文工況條件下建議排放塔高度為5 m。

（2）借助CFD 技術(shù)對(duì)污水處理廠含臭氣體排放塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化有效可行。