不同气流下恶臭污染物的迁移仿真模拟探究

王团安

(陕西省环境保护公司，西安 710077)

前 言

在我国城市建设的过程中，恶臭污染和噪声污染是环境污染投诉的主要原因。因此严格控制恶臭污染物的浓度，对于提高城市整体的环境质量具有重要作用[1]。恶臭污染物不仅会让人产生不适感，而且大多数恶臭污染物都会对人体产生危害[2]。在地面污水处理系统中，虽然对污水处理构筑物进行了加盖处理，但恶臭污染物的逸散挥发仍旧无法得到有效控制[3]。因此有学者提出了地埋式污水处理系统，这种系统将地面的污水处理过程转移到地下，从而避免了恶臭污染物直接挥发到地面空间中[4]。除此之外，这种方式将生化池、曝气池等产生的恶臭污染物统一密封收集，并设计了相应的除臭系统进行处理[5]。虽然地埋式污水处理系统的占地面积和环保性优势突出，但是它在实际应用中仍然反映出一些问题[6]。例如，在污水的初级处理过程中，无法对恶臭进行密封处理；在地下工作环境中，除臭系统的泄露问题严重影响厂区的空气质量，损害工作人员的身体健康[7]。通风系统通过调节环境的温度、湿度和空气流速，可以有效改善地下工作环境的空气质量[8]。这里将对地埋式污水处理厂的通风系统展开研究，通过对恶臭污染物的迁移进行仿真模拟，对除臭系统的排污效率和浓度控制方式进行优化。

1 基于CFD技术的脱水机房恶臭污染物迁移仿真分析

城市污水分为生活污水、工业污水、径流污水，它的成分十分复杂，其中不仅包含无机物和有机物，还有各种微生物。经过一系列的物理、化学和微生物分解处理，城市污水会产生大量的恶臭气体污染物。根据组分的化学组成，可以将恶臭污染物大致分为五类，分别是含硫化合物、含氮化合物、含氧有机物、烃类和卤素化合物。化学活性高、臭阈值低、组分复杂、防治难度大是恶臭污染物的典型特征。表1为污水处理厂恶臭气体的臭阈和臭味。有研究表明，在城市污水处理中，氨气和硫化氢是主要的恶臭污染来源[9]。氨气的臭阈值为46.8×10-6，它的臭味有刺激、辛辣的特点；硫化氢的臭阈值为0.47×10-9，具有臭鸡蛋气味，且对人体有明显毒性。有学者对城市污水处理厂的恶臭来源进行研究，结果发现曝气处理环节和污泥脱水处理环节所产生的恶臭污染物最多[10]。因此在这次的研究中，以污泥脱水机房的通风系统作为研究对象，对除臭系统进行研究。研究将NH3作为恶臭代表气体，污染物浓度单位为体积浓度，对其在不同气流组织形式下的迁移情况进行仿真模拟，以探究最佳气流组织形式。

表1 污水处理厂恶臭气体的臭阈和臭味Tab.1 Odor threshold and odor of odor gas in sewage treatment plant

将脱水机房看作一个系统，若不存在边界出口，则恶臭污染物流动遵守三大守恒方程，即质量守恒、能量守恒、动量守恒。若流体密度为ρ，u、v、w表示x、y、z三个方向上的速度矢量分量，则流体的质量守恒方程如式(1)所示。

(1)

流体的能量守恒方程如式(2)所示。其中，E表示流体总能量，h为焓值，j表示流体组分，keff为有效热传导系数，J为扩散通量，Sh为体积热源项。

(2)

对于以给定流体微元体，其受外界作用力之和等于其动量对时间的变化率。在此基础上，三个方向的动量方程如下。

(3)

(4)

(5)

在式(3)、(4)、(5)中，p表示流体微元体上的压强，fx为x方向的单位质量力，τxy表示微元体表面粘性力的分量。同时，在这封闭系统中，其满足组分质量守恒方程，如式(6)所示。其中，对于系统组分s，其质量浓度为ρcs，其体积浓度为cs，其扩散系数为Ds，Ss表示系统在单位时间单位体积下由化学反应得到的组分质量。

(6)

参照实际脱水机房的空间尺寸参数，得到图1所示的机房简化模型。脱水机房的空间尺寸为22.05m×19.5m×6.3m。脱水机房与外界环境相通的部位有东侧大门(2.0m×2.5m)、北侧距地面1.8m高的三个正方形排风口(0.28m×0.28m)，风口间距为3.15m。脱水机房环境污染源有两处，即尺寸为1.5m×1.5m的料斗口处。脱水机房中水泵、加药箱、水箱、控制柜等设备对流体迁移影响较小，因而进行简化处理。人员工作范围在控制柜启停按钮周围，距地面2m以内的高度范围。

图1 机房简化模型Fig.1 Simplified model of computer room

从机房简化模型来看，三个排风口可以对恶臭气体进行收集处理，常开门处外界气体会渗入，并稀释室内的污染环境。研究采用CFD技术进行气体的迁移仿真模拟，脱水机房的控制方程如下所示。

(7)

在式(7)中，φ表示通用变量，Γφ为广义扩散系数。与此同时，这次研究考虑到恶臭污染气体有质传递，因而将组分守恒定律纳入，用Γl表示单位容积下组分l的产生率，则有下述关系式。

(8)

根据Fluent提供的湍流模型特点，此次研究选择k-ε双方程湍流模型，并作一定的简化假设。一是机房的边界参数为定常数，边界条件均匀；二是室内密封良好，空气为不可压缩理想气体；三是室内壁面为无滑移绝热壁面。机房边界有门、料斗口、进风口、排风口，根气流逸散特点和脱水机房边界类型确定边界条件。设模拟过程中门处于开启状态，由图1可知，门距离排风口和料斗口较远，且门的尺寸较脱水机房偏小，因而门处采用压力进边界，参考压力0 Pa；料斗口采用质量流进边界；排风口处负压值经压力表测得，并采用速度进边界。需要注意的是，Fluent只能识别质量分数，因此在实际模拟操作中需要将体积分数转换为质量分数。研究选择六面体网络作为模型计算域，根据模拟发现，当网格数量达到500万时，计算结果趋于稳定，机房门处的风速和温度趋于稳定，由此可以确定，网络划分数量为500万。

2 基于不同气流组织的迁移仿真模拟设计

2.1 通风系统的气流组织形式

在污水处理厂的除臭系统中，恶臭气体的处理分为三个环节，分别是臭源密闭收集、恶臭污染输送集中、恶臭末端治理。目前的恶臭末端治理方法主要是生化处理法，这种方法也是大部分污水处理厂所采用的除臭系统核心技术[11]。污泥脱水机房不仅是恶臭污染物的源头，同时也是室内空间。因此在针对脱水机房进行恶臭污染治理时，不仅可以从除臭系统方面入手，而且可以对室内的送风系统进行优化。室内恶臭污染浓度的影响因素十分复杂，有研究表明，通风系统的湿度、温度、排风量对室内恶臭污染浓度均有影响，且温度和排风量的交叉因素对恶臭污染浓度的影响最为显著[12]。除此之外，在不同的气流组织形式下，通风系统的恶臭气体处理效率不同。

室内空间的通风系统由两个部分组成，分别是送风口和排风口。在实际工程中，常规的气流组织形式可以分为三大类型，分别是上送上回、上送下回、下送上回。图2为上送上回的气流组织形式，它的气流流动方式是由上向下、再向上。根据送风和排风的位置差异，这种气流组织形式又可以分为异侧上送上回、侧送顶回、同侧上送上回。虽然这种形式的工程投资少、施工简单，但是在这种形式下，污染物无法有效排到室外。因此这次研究不采用上送上回的气流组织形式。

图2 上送上回的气流组织形式Fig.2 Air distribution form of up feed and upper return

图3为上送下回的气流组织形式，这种方法常见于空调送风系统中。根据送风位置和方式的不同，可以分为侧送侧回、上送侧回、孔板送侧回。在这种方式下，送入的新鲜气流由上向下进行运动，对室内空气进行充分混合，从而实现室内污染空气的有效稀释。这种气流组织形式不仅可以避免局部污染过重，而且能有效排出污染气体，改善室内空气质量。

图3 上送下回的气流组织形式Fig.3 Air distribution form of up feed and down return

图4为下送上回的气流组织形式，这种送风形式又可以细分为异侧置换送风、地板送风、同侧置换送风。地板送风是指将地面架空，在地板下部布置送风管或送风静压箱，从而将空气通过若干个地板送风口送入室内。当送风口布置均匀，且风速小于2m/s时，就会形成置换通风模式。而置换送风则是将空气由侧方送入室内，并利用送入空气和室内空气之间的温度差，将室内空气由下向上推到室外。下送上回的方式，会使送入空气和室内空气之间形成的分界面。在分界面以上的空气中，污染物浓度高；在分界面以下的空气中，污染物浓度低。因此这种方式有利于改善室内工作区环境。采用这种形式时需要注意，当送风速度过大或气流分布不匀时，都有可能破坏上、下热力分层，使得上部污染空气卷吸到下部环境中，影响置换通风的效果。

图4 下送上回的气流组织形式Fig.4 Air distribution form of downward feeding and upper return

除了上述常规的三种送风形式，还有中部送风、立体送风等非常规送风形式。中部送风主要应用于机场、车站等空间中，中部立体孔板送风的形式在污水厂的离子除臭中也有相关的应用[13]。除此之外，混合通风也是送风形式的一个研究方向。

2.2 恶臭污染物的迁移仿真模拟设计及评价

通风系统的性能决定了室内空气的质量。通风不当一般是由两方面的原因所造成，一是送风量不足，二是送风方式不合理。送风量与通风系统的运行效益直接相关，在保证通风系统经济效益的前提下，可以通过优化送风方式来改善通风效果。接下来将在图5所示的脱水机房模型基础上，根据不同的气流组织形式，设计送风口和排风口的位置，以此进行迁移仿真模拟。研究设计了三种排风形式和三种送风形式，分别如图5(a)、(b)所示。

图5 脱水机房的送、排风口位置设计Fig.5 Design of air supply and exhaust outlets and measuring points of dewatering machine room

排风形式包括侧上排、侧中排(原位置)、侧下排，送风形式包括侧上送、侧下送、竖管立体送。考虑到新风送风量过大，容易造成室内气流扰动过大，研究将送风量设置为排风量的0.5倍，即排风量为10 808m3/h、送风量为5 180m3/h，共得到8种工况，如表2所示。其中工况1为原始工况，作为空白对照组。

表2 各个工况下的边界参数Tab.2 Boundary parameters under various working conditions (m3/h)

通风系统评价指标主要有通风效率、换气效率、温度效率、排污效率等，这些指标是从整体上对房间的污染物去除效果及热负荷进行评价。这次研究从气流组织形式的角度，对送风方式进行优化，因此选择排污效率和局部污染物浓度作为通风效果的评价指标。排污效率εe与送风口污染物浓度φS、排风口污染物浓度φR、室内环境污染物平均浓度有关φe。通风系统的排污效率越大，说明通风系统的除臭效果越好。通过式(9)可以得到通风系统的排污效率。

(9)

在这次迁移仿真模拟中，设置送风系统为全新风运行，即送风口污染物浓度为0。因此可以作式(10)所示的简化。

(10)

尽管在气流组织作用下，料斗口处污泥散发的恶臭物质会加速逸散，且吸风量越大、距排风口越近，其散发量越大。但考虑到这次研究的料斗口尺寸较小，故将料斗口处恶臭污染物视为均匀逸散。以局部污染物浓度进行评价的主要目的是保证工作区域的空气环境，因此在距地面1.5m处进行测点布置，如图6所示。

图6 局部污染物浓度测点布置Fig.6 Layout of local pollutant concentration measuring points

3 不同气流组织下恶臭污染物的迁移仿真结果分析

3.1 不同气流组织形式对排污效率的影响分析

在确定送排风量的条件下，工况2～8反映了排风形式和送风形式对通风除臭效果的影响。表3为不同气流组织形式下的排污效率模拟统计结果。观察统计结果可以发现，在侧面送风的条件下(工况2～5)，侧中排风的排污效果明显优于侧上排风或侧下排风；在立体送风的条件下(工况6～8)，排污效率由大到小分别是侧中排风>侧下排风>侧上排风。具体而言，立体送风、侧中排风的排污效率最高，达到5.09；侧下送风、侧上排风的排污效率最低，仅有1.34。

表3 不同气流组织形式下的排污效率模拟统计结果Tab.3 Statistical results of sewage discharge efficiency under different air distribution forms

图7为工况2～8的送风口截面上风速及流线图。从工况2到工况5可以看出，当送风量相同时，送风口的最大风速达到2.7m/s，在5m后风速降低至0.2m/s；从流线情况来看，新风进入室内空间后，直接自排风口排风，从而造成气流短路的情况，并遏制了恶臭污染气体的排放。从工况6和工况7来看，室内平均风速为0.4m/s，立体送风的形式带来了较大的气流扰动，同时侧中排风或侧下排风更靠近料斗口，即室内恶臭源，这两种气流形式下的排污效率更好。与之相对，工况8尽管采用立体送风，但其排风口距离料斗口较远，扰动气流进一步降低了排放效率。

图7 工况2～8的送风口截面上风速及流线图Fig.7 Wind speed and streamline of air supply outlet section under working conditions 2～8

3.2 不同气流组织稀释局部恶臭浓度的结果分析

图8为1.5m呼吸高度下机房室内的NH3体积分数分布情况。从图中可以看出，工况6的恶臭浓度最低，NH3平均体积分数为1.16×10-7；在7种工况中，工况3和工况8的局部恶臭浓度明显更好。这一结果与3.1相吻合。

图8 不同气流组织下室内恶臭浓度迁移仿真结果(Z=1.5m)Fig.8 Simulation results of indoor odor concentration migration under different air distribution (z = 1.5m)

研究将1.5m水平区域视为呼吸高度，将2m以下视为工作区域，图9为不同气流组织在呼吸高度下和工作区域内的局部污染物平均浓度。测点分布如图6所示。图9(a)为Z=1.5m时各工况在不同测点的恶臭浓度，可以看出工况6和工况7在各测点的恶臭浓度水平较低；测点1、2的NH3体积分数相对较高，测点3、4、5的NH3体积分数相对较低。图9(b)为Z=2m时各工况在不同测点的恶臭浓度，这一结果与(a)一致，工况6的排污效率最高，NH3平均体积分数为0.56×10-7；工况3的排污效率最低，NH3平均体积分数为3.20×10-7。根据结果分析，测点1、2位于料斗口附近，因此这两处的局部污染物浓度偏高；测点4、5位于门口，因此这两处的局部污染物浓度偏低；整体来看，立体送侧中排的气流组织形式具有更好的排污效果。

图9 不同气流组织对局部污染物浓度的处理效果Fig.9 Treatment effect of different air distribution on local pollutant concentration

综上所述，在进行室内送排风设计时，不仅需要考虑到排风口与室内污染源的距离，还需要考虑到室内气流扰动等。因此在立体送风、侧中排风的情况下，室内恶臭污染物的排出效率最高。

4 结 论

恶臭污染的泄露和逸散对城市污水处理厂造成了极大的工作负担，因此解决恶臭污染问题迫在眉睫。在这里以污泥脱水机房为例，提出以不同的气流组织形式，改善脱水机房通风系统的排污效果。通过对恶臭污染物在室内空气中迁移过程的仿真模拟，对不同气流组织形式下的通风效果进行评价。研究结果表明，立体送侧中排的排污效率达到5.09，排污效果最好；侧下送侧上排的排污效率仅有1.34，排污效果最差。在立体送侧中排的气流组织形式下，1.5m环境下的局部污染物浓度为1.16×10-7，在2m工作区域内的局部污染物浓度为0.56×10-7，其排污效果最好。这次研究定量地分析了气流组织形式对恶臭污染环境迁移的影响，为改善地埋式污水厂的通风系统提供了新思路。但此次研究仍旧存在不足之处，此后研究还将在风量与排污效率的影响上进一步深入。