地下式污水處理廠具有節省土地資源、噪音污染小等優勢，在我國得到了迅速的發展。但也存在運行維護困難、安全隱患大等問題。地下全密封設計，環境相對封閉，污水處理過程容易造成惡臭氣體聚集且無法排除的狀況。脫水機房是地下污水廠惡臭氣體逸散源頭，惡臭污染非常嚴重。惡臭氣體主要成分為H2S、NH3，臭閾值低、毒性大，若不妥善治理，將會嚴重影響工作人員的身體健康。
氣流組織在改善地下空間環境空氣品質方面非常重要，設置合適的氣流組織是排污除臭的重要手段。對有污染源且空間相對封閉環境中氣流組織的研究，國內外已有很多成果。齊欣等在對地鐵內氣流組織研究中確定了污染物濃度與氣流走向的關系;鄧元媛等研究了晶硅生產還原廠房內氣流組織對污染控制作用，指出置換通風的效果最優;LI等研究了置換通風與混合通風對房間表面污染的影響，結果表明2種氣流組織效果相同;CHEONG等通過實驗和數值仿真的方法研究了3種氣流組織的污染排除能力，結果表明頂送側回氣流組織排污效率最高。近幾年，我國對地下污水廠環境治理較為重視，對控制惡臭污染的研究力度不斷加強。劉洪波等運用CFD軟件首次對污泥脫水機房惡臭污染進行仿真分析，指出氣流組織對H2S分布影響很大，為污泥脫水機房氣流組織的研究提供了基礎。氣流組織的選擇因需求和環境的差異有所不同，針對地下污水廠惡臭污染控制的氣流組織研究較少。因此，如何科學地設置地下污水廠的氣流組織，對逸散惡臭進行有效的控制，已成為目前地下污水處理廠發展急需解決的問題。
本研究首先以污水廠實地測量數據為基礎進行模型構建，并對該模型進行CFD數值仿真和驗證。然后再設置不同送、排風形式，以NH3濃度變化來研究不同氣流組織下脫水機房的除臭效果。在研究過程中提出一種新型送風形式——立體送風，并探究該種氣流組織對除臭效率及惡臭濃度的影響。
1 模型的建立與驗證
1.1 模型建立
1.1.1 幾何結構
圖1(a)為廣州某地下污水處理廠脫水機房改造前示意圖，長×寬×高為19.5 m×20.5 m×4.8 m。機房側墻設有排風口3個，長×寬為0.5 m×0.4 m，距地面高度2.3 m，位于墻面的中部，改造前脫水機房只設有排風，無送風系統。門的高×寬為2.5 m×2.15 m�？拷棚L口處有3個料斗倉，是機房的主要惡臭源。為了承載脫水機，料斗倉與脫水機房中間有一夾層，使料斗倉與脫水機隔離，如圖1(b)所示。
圖1 廣州某地下污水廠脫水機房改造前示意圖
1.1.2 計算模型
1.1.2
模型計算域比較簡單，采用計算精度較高的六面體網格。將網格劃分為82×104、162×104、270×104、500×104、1 140×104和1 943×104個，脫水機房門處的風速和溫度如圖2所示。結果可以看出，當網格數量達到500×104個時計算結果基本趨于穩定，故模型網格數量采用500×104個。Fluent中RNG模型在室內氣流的模擬中能夠取得較好的結果。脫水機房內氣體流動屬于室內流動，本研究采用RNG模型預測氣流組織。同時涉及到惡臭氣體的擴散，采用Species Transport模型。
圖2 不同網格數量下門處風速和排風口溫度
1.2 邊界條件
1.2
根據現場實測的數據和機房運行特點，設置邊界條件如下：1) 排風口定風量排風，根據風量和排風口面積可得風速，設置為速度出;2) 門口常開，自動補風，設置為壓力進;3) 料斗口是惡臭和熱量的主要來源，設置為源相，根據實測數據得熱源源強2 871 W，NH3源強為1.28 mg·s-1;4) 忽略壁面的熱量傳遞，設置壁面為絕熱壁面。
1.3 模型驗證
1.3
實測排風量為10 808 m3·h-1，室外溫度32 ℃條件下脫水機房內NH3濃度。脫水機房內惡臭濃度采樣點水平方向的布置如圖3所示。采樣點高度(Z)分別為0.6、1.5、2.3和3.9 m，每層高度設置5個點，惡臭氣體測量點共20個。惡臭氣體NH3的測量采用泵吸式NH3氣體檢測儀。
圖3 脫水機房測點水平方向上的分布
為了驗證數值模擬的準確性，將實測NH3濃度與模擬數據作對比，如圖4所示。從圖4看出，料斗口附近測點1、2的實測值比模擬值偏高，門口處測點4、5實測值比模擬值偏低，這主要與數值模擬時幾何模型的簡化有關。總體來看，實測與CFD仿真結果接近，平均相對誤差為19.1%。測量儀器及模型簡化帶來誤差無法避免，對比結果表明，用RNGκ-ε模型和Species Transport模型能夠合理預測脫水機房內流動和惡臭污染的分布。
圖4 實測值與模擬結果對比
2 數值仿真
2.1 氣流組織工況設置
為了進一步降低惡臭濃度，改善脫水機房工作環境，探究不同氣流組織下脫水機房除臭效果，對原有脫水機房通風形式進行改造。排風有3種形式：側上排、側中排(原排風位置)和側下排，送風形式也設置成2種：側送和立體送風。其中側送風分為側上送風和側下送風，如圖5(a)所示。立體送風形式是研究過程中提出一種新型的送風形式，如圖5(b)所示。
圖5 脫水機房改造后送排風形式
2.2 評價指標
近年來，國內外研究采用排污效率對氣流組織進行評價，本研究采用排污效率ε ε 作為評價氣流組織的指標。
式中：φ R φR 為排風口惡臭的體積分數，10-7;φ P φP 為機房內惡臭平均體積分數，10-7;φ S φS 為進風口惡臭體積分數，10-7。由于機房門口滲透氣流惡臭體積分數非常小，可以忽略，即φ S φS =0。
合適的氣流組織能降低脫水機房內惡臭氣體濃度，為工作人員提供一個良好的工作環境。 本研究分別用機房惡臭平均體積分數φ P φP 和機房2 m下工作區域惡臭平均體積分數φ P−2 φP-2 作為氣流組織評價指標。
3 仿真結果分析
3.1 氣流組織對排污效率的影響
3.1.1 排風形式
表1中組別2的排風量均為10 808 m3·h-1，送風風量均為5 180 m3·h-1。7種不同氣流組織下的排污效率如表2所示。由表2可知，工況2、3、4和5是側面送風，其中側上送風側中排風時排污效率最大，為4.12。工況6、7和8是豎管立體送風，側中排風時排污效率最大，為5.09。在所有的排風形式中，中部排風效果最好，上部排風效果最差。在源相一致的穩態問題中，不同氣流組織下排風口處NH3濃度是相同的，中部排風能夠將料斗口逸散出來的惡臭最短距離的排出，使得平均體積分數φ P φP 較低，而上部排風路徑最長，增大了惡臭在機房逸散的時間，平均體積分數φ P φP 較高，造成排污效率低于中部排風排污效率，這一結果與其他研究[7]結論一致。具體聯系污水寶或參見http://www.xhxdt.com更多相關技術文檔。
表1 各個工況邊界參數
表2 不同氣流組織下排污效率仿真結果
3.1.2 送風形式
7種工況下送風口截面上氣流狀體如圖6所示�？梢钥闯�，相同送風量條件下，側送風(工況2~5)風口風速最大2.6 m·s-1，5 m距離后速度迅速衰減到0.2 m·s-1。從氣流流線看出，測送風新風進入機房內直接有排風口排出，這樣造成大部分氣流短路，不利于惡臭排除，造成排污效率下降。相反，工況6、7立體送風風口分布在立體管，氣流擾動較大，室內平均風速在0.4 m·s-1，新風進入機房后較少部分短路，使得機房內平均惡臭濃度較低，有效地提高了排污效率。雖然工況8采用立體送風形式，但排風口位置位于上部，料斗口逸散的惡臭排出路徑長，再加之擾動的氣流更不利于其排出，故造成該工況上排污效率較差。
圖6 工況2~8送風口截面上風速和流線圖
3.2 氣流組織對惡臭濃度的影響
圖7是7種工況惡臭濃度模擬結果。圖7 (a)是呼吸高度(Z=1.5 m)NH3體積分數分布云圖，從圖7 (a)中可以看出，在工況6條件下，NH3平均體積分數最低，為1.16×10-7，與工況1實測數據相比降低了43.7%。立體送風將新鮮空氣直接送到機房內，對周圍環境進行稀釋，因此，立體送風工況機房NH3平均體積分數要低于側送風，更有利于改善機房內空氣品質。
圖7 各氣流組織下機房內惡臭濃度模擬結果
工作區域的惡臭濃度對工作人員的安全更為重要，圖7 (b)是7種氣流組織對機房2 m下工作區域惡臭濃度的影響�？梢钥闯�，工況2側下送風側上排風時工作區域NH3平均體積分數最大，為3.2×10-7。工況6立體送風中排條件下工作區域NH3平均體積分數為5.6×10-8，與實測數據1.51×10-7相比下降62.9%。
圖8是脫水機房在不同氣流組織下Z=1.5 m高度各測點的NH3體積分數。側下中排組合下料斗倉區域(測點1、2)惡臭濃度最低。立體送風中排形式下，機房工作人員呼吸高度(測點3、4、5)惡臭濃度都低于其他氣流組織。
圖8 不同氣流組織下Z=1.5 m高度各測點NH3濃度
結果表明，從工作人員的健康考慮采用立體送風中部排風，機房呼吸高度的平均惡臭濃度最低，工作區域惡臭濃度最低，排污效率最高，能夠提供更好工作環境。
3.3 送排風量對排污效率和惡臭濃度的影響
表1中組3和組4是在工況6的基礎上分別降低和增大送、排風量，研究送、排風量與排污效率及機房內惡臭濃度的關系。表3是工況6、9~12條件下的排污效率。工況6、9、10對比，送風量由5 180 m3·h-1降低到3 888 m3·h-1，排污效率下降了0.09，送風量增大到6 480 m3·h-1，排污效率升高了0.11。工況6、11、12對比，排風量降低到8 106 m3·h-1，排污效率降低了1.33，排風量增大到13 510 m3·h-1，排污效率升高了變化了0.45。結果表明，豎管立體送風側中排風氣流組織下，送風量的改變對脫水機房排污效率影響不明顯，排風量的改變對排污效率影響比較大。
表3 工況6、9～12下排污效率模擬結果
改變送、排風量后脫水機房NH3濃度如圖9所示。圖9 (a)中工況6、9、10對比說明了送風量對惡臭濃度影響不大，對于排風量來說，對惡臭濃度影響明顯。圖9 (b)是不同送排風量下呼吸高度各測點NH3體積分數的變化。送風量增大，料斗口附近和工作區域惡臭濃度有所降低，排風量增大，惡臭濃度降低明顯。
圖9 工況6、9~12下脫水機房內惡臭濃度
上述結果表明，送、排風對機房惡臭濃度的控制效果不同，排風量對降低機房惡臭濃度效果明顯。因此，可以適當降低送風量，小幅度地提高排風量，機房惡臭仍能得到改善，同時可以降低通風能耗。
4 結論
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1) 7種氣流組織方式中，立體送風側中排風方式排污效率最高。該方式與實測數據相比，機房NH3平均體積分數和工作區域NH3體積分數降低了43.7%、62.9%。因此，立體送風側中排風氣流為最佳的氣流組織。
2) 立體送風形式下，排風量對排污效率、惡臭濃度的影響較大，在惡臭濃度的控制上效果明顯�？梢酝ㄟ^適當調整送、排風量，在改善惡臭環境的同時達到節能的目的。
3) 送風的均勻性也會對NH3濃度分布和排污效率有影響，本研究未對這方面做深入探究。后期研究中將會對立體送風管上送風孔的大小和送風孔間距對通風除臭效果做進一步的探索。(來源：環境工程學報 作者：楊鵬)
