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参考文献 1
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参考文献 10
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参考文献 13
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参考文献 14
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参考文献 15
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参考文献 16
王华平,范存养. 室内换气排污效果的评价指标[J]. 暖通空调, 2005, 27(1): 29-34.
目录 contents

    摘要

    为研究立体送风气流组织在地下污水厂除臭效果,以NH3为示踪气体,采用数值仿真的方法,对比分析了立体送风及常规气流组织在脱水机房中的除臭效果,并研究了不同送、排风形式对脱水机房的排污效率和恶臭浓度的影响规律。结果表明,竖管立体送风在地下污水厂脱水机房环境的改善效果上存在优势,与原通风形式相比排污效率提高了40%,机房恶臭浓度和工作区恶臭浓度分别降低了43.7%、62.9%。立体送风气流组织下送风量对脱水机房除臭效率影响不明显;而增大排风量,排污效率明显提高。立体送风气流组织可以有效提高地下污水厂的除臭效果,合理地增大排风量、降低送风量可以提高除臭效果,同时实现降低通风能耗。

    Abstract

    In order to study the deodorizing effect of three-dimensional air supply in the underground sewage plant, NH3 was taken as a tracer gas, and the numerical simulation method was used to compare the deodorizing effects between the three-dimensional air supply and the conventional airflow organization in the dewatering machine room. The influences of different air supply and exhaust forms on sewage discharge efficiency and odor concentration in the dewatering machine room were also studied. The results show that three-dimensional air supply with vertical pipes has an advantage in environmental quality improvement for the dewatering machine room of an underground sewage plant, and its deodorization efficiency increased by 40% than that of the original ventilation form. The average odor concentrations in the dewatering machine room and work area decreased by 43.7% and 62.9%, respectively. In addition, the three-dimensional air supply volume has slight effect on the deodorization efficiency in the dewatering machine room, but the deodorization efficiency significantly increased with the increase of the exhaust air flow. The three-dimensional air supply structure could effectively improve the deodorization effect of the underground sewage plant, and a reasonable increase in the exhaust air flow and reduction in air supply flow could also improve the deodorization effect and reduce the ventilation energy consumption.

    杨鹏, 刘雪峰, 陈思维, 等. 立体送风气流组织对地下污水厂除臭效果的影响 [J]. 环境工程学报, 2019, 13(1): 154-161.

    地下式污水处理厂具有节省土地资源、噪音污染小等优势,在我国得到了迅速的发展。但也存在运行维护困难、安全隐患大等问[1,2]。地下全密封设计,环境相对封闭,污水处理过程容易造成恶臭气体聚集且无法排除的状况。脱水机房是地下污水厂恶臭气体逸散源头,恶臭污染非常严[3,4]。恶臭气体主要成分为H2S、NH3,臭阈值低、毒性大,若不妥善治理,将会严重影响工作人员的身体健[5]

    气流组织在改善地下空间环境空气品质方面非常重要,设置合适的气流组织是排污除臭的重要手[6,7,8]。对有污染源且空间相对封闭环境中气流组织的研究,国内外已有很多成果。齐欣[9]在对地铁内气流组织研究中确定了污染物浓度与气流走向的关系;邓元媛[10]研究了晶硅生产还原厂房内气流组织对污染控制作用,指出置换通风的效果最优;LI[11]研究了置换通风与混合通风对房间表面污染的影响,结果表明2种气流组织效果相同;CHEONG[12]通过实验和数值仿真的方法研究了3种气流组织的污染排除能力,结果表明顶送侧回气流组织排污效率最高。近几年,我国对地下污水厂环境治理较为重视,对控制恶臭污染的研究力度不断加强。刘洪波[13]运用CFD软件首次对污泥脱水机房恶臭污染进行仿真分析,指出气流组织对H2S分布影响很大,为污泥脱水机房气流组织的研究提供了基础。气流组织的选择因需求和环境的差异有所不同,针对地下污水厂恶臭污染控制的气流组织研究较少。因此,如何科学地设置地下污水厂的气流组织,对逸散恶臭进行有效的控制,已成为目前地下污水处理厂发展急需解决的问题。

    本研究首先以污水厂实地测量数据为基础进行模型构建,并对该模型进行CFD数值仿真和验证。然后再设置不同送、排风形式,以NH3浓度变化来研究不同气流组织下脱水机房的除臭效果。在研究过程中提出一种新型送风形式——立体送风,并探究该种气流组织对除臭效率及恶臭浓度的影响。

  • 1 模型的建立与验证

    1
  • 1.1 模型建立

    1.1
  • 1.1.1 几何结构

    1.1.1

    1(a)为广州某地下污水处理厂脱水机房改造前示意图,长×宽×高为19.5 m×20.5 m×4.8 m。机房侧墙设有排风口3个,长×宽为0.5 m×0.4 m,距地面高度2.3 m,位于墙面的中部,改造前脱水机房只设有排风,无送风系统。门的高×宽为2.5 m×2.15 m。靠近排风口处有3个料斗仓,是机房的主要恶臭源。为了承载脱水机,料斗仓与脱水机房中间有一夹层,使料斗仓与脱水机隔离,如图1(b)所示。

    图1
                            广州某地下污水厂脱水机房改造前示意图

    图1 广州某地下污水厂脱水机房改造前示意图

    Fig.1 Model of an underground sewage plant in Guangzhou

  • 1.1.2 计算模型

    1.1.2

    模型计算域比较简单,采用计算精度较高的六面体网格。将网格划分为82×104、162×104、270×104、500×104、1 140×104和1 943×104个,脱水机房门处的风速和温度如图2所示。结果可以看出,当网格数量达到500×104个时计算结果基本趋于稳定,故模型网格数量采用500×104个。Fluent中RNG模型在室内气流的模拟中能够取得较好的结[14]。脱水机房内气体流动属于室内流动,本研究采用RNG模型预测气流组织。同时涉及到恶臭气体的扩散,采用Species Transport模型。

    图2
                            不同网格数量下门处风速和排风口温度

    图2 不同网格数量下门处风速和排风口温度

    Fig.2 Wind speed at door and temperature at exhaust

    NOTE: under different number of grids

  • 1.2 边界条件

    1.2

    根据现场实测的数据和机房运行特点,设置边界条件如下:1) 排风口定风量排风,根据风量和排风口面积可得风速,设置为速度出;2) 门口常开,自动补风,设置为压力进;3) 料斗口是恶臭和热量的主要来源,设置为源相,根据实测数据得热源源强 2 871 W,NH3源强为1.28 mg·s-1;4) 忽略壁面的热量传递,设置壁面为绝热壁面。

  • 1.3 模型验证

    1.3
    图3
                            脱水机房测点水平方向上的分布

    图3 脱水机房测点水平方向上的分布

    Fig.3 Horizontal distribution of measuring points inside dewatering room

    实测排风量为10 808 m3·h-1,室外温度32 ℃条件下脱水机房内NH3浓度。脱水机房内恶臭浓度采样点水平方向的布置如图3所示。采样点高度(Z)分别为0.6、1.5、2.3和3.9 m,每层高度设置5个点,恶臭气体测量点共20个。恶臭气体NH3的测量采用泵吸式NH3气体检测仪。

    为了验证数值模拟的准确性,将实测NH3浓度与模拟数据作对比,如图4所示。从图4看出,料斗口附近测点1、2的实测值比模拟值偏高,门口处测点4、5实测值比模拟值偏低,这主要与数值模拟时几何模型的简化有关。总体来看,实测与CFD仿真结果接近,平均相对误差为19.1%。测量仪器及模型简化带来误差无法避免,对比结果表明,用RNGκ-ε模型和Species Transport模型能够合理预测脱水机房内流动和恶臭污染的分布。

    图4
                            实测值与模拟结果对比

    图4 实测值与模拟结果对比

    Fig.4 Comparison between actual and simulated values

  • 2 数值仿真

    2
  • 2.1 气流组织工况设置

    2.1

    为了进一步降低恶臭浓度,改善脱水机房工作环境,探究不同气流组织下脱水机房除臭效果,对原有脱水机房通风形式进行改造。排风有3种形式:侧上排、侧中排(原排风位置)和侧下排,送风形式也设置成2种:侧送和立体送风。其中侧送风分为侧上送风和侧下送风,如图5(a)所示。立体送风形式是研究过程中提出一种新型的送风形式,如图5(b)所示。

    图5
                            脱水机房改造后送排风形式

    图5 脱水机房改造后送排风形式

    Fig.5 Air supply and exhaust models in sludge dewatering room

  • 2.2 评价指标

    2.2

    近年来,国内外研究采用排污效率对气流组织进行评[15,16],本研究采用排污效率 ε 作为评价气流组织的指标。

    ε = φ R - φ S φ P - φ S
    (1)

    式中: φ R 为排风口恶臭的体积分数,10-7 φ P 为机房内恶臭平均体积分数,10-7 φ S 为进风口恶臭体积分数,10-7。由于机房门口渗透气流恶臭体积分数非常小,可以忽略,即 φ S =0。

    合适的气流组织能降低脱水机房内恶臭气体浓度,为工作人员提供一个良好的工作环境。 本研究分别用机房恶臭平均体积分数 φ P 和机房2 m下工作区域恶臭平均体积分数 φ P - 2 作为气流组织评价指标。

  • 3 仿真结果分析

    3
  • 3.1 气流组织对排污效率的影响

    3.1
  • 3.1.1 排风形式

    3.1.1

    1中组别2的排风量均为10 808 m3·h-1,送风风量均为5 180 m3·h-1。7种不同气流组织下的排污效率如表2所示。由表2可知,工况2、3、4和5是侧面送风,其中侧上送风侧中排风时排污效率最大,为4.12。工况6、7和8是竖管立体送风,侧中排风时排污效率最大,为5.09。在所有的排风形式中,中部排风效果最好,上部排风效果最差。在源相一致的稳态问题中,不同气流组织下排风口处NH3浓度是相同的,中部排风能够将料斗口逸散出来的恶臭最短距离的排出,使得平均体积分数 φ P 较低,而上部排风路径最长,增大了恶臭在机房逸散的时间,平均体积分数 φ P 较高,造成排污效率低于中部排风排污效率,这一结果与其他研[7]结论一致。

    表1 各个工况边界参数

    Table 1 Boundary parameters of the conditions

    组别工况送风口排风口送风量/(m3 · h-1)

    排风量/

    (m3 · h-1)

    11侧中010 808
    22侧上侧下5 18010 808
    3侧下侧上5 18010 808
    4侧上侧中5 18010 808
    5侧下侧中5 18010 808
    6立体送侧中5 18010 808
    7立体送侧下5 18010 808
    8立体送侧上5 18010 808
    39立体送侧中3 88810 808
    10立体送侧中6 48010 808
    411立体送侧中5 1808 106
    12立体送侧中5 18013 510
  • 3.1.2 送风形式

    3.1.2

    表2 不同气流组织下排污效率仿真结果(efficiency under different airflow structures)

    Table 2 Simulation results of contaminant removal(efficiency under different airflow structures)

    工况气流组织φP/10-7ε
    2侧上送/侧下排2.702.18
    3侧下送/侧上排4.411.33
    4侧上送/侧中排1.454.12
    5侧下送/侧中排1.434.07
    6立体送/侧中排1.165.09
    7立体送/侧下排1.284.60
    8立体送/侧上排3.261.81

    7种工况下送风口截面上气流状体如图6所示。可以看出,相同送风量条件下,侧送风(工况2~5)风口风速最大2.6 m·s-1,5 m距离后速度迅速衰减到0.2 m·s-1。从气流流线看出,测送风新风进入机房内直接有排风口排出,这样造成大部分气流短路,不利于恶臭排除,造成排污效率下降。相反,工况6、7立体送风风口分布在立体管,气流扰动较大,室内平均风速在0.4 m·s-1,新风进入机房后较少部分短路,使得机房内平均恶臭浓度较低,有效地提高了排污效率。虽然工况8采用立体送风形式,但排风口位置位于上部,料斗口逸散的恶臭排出路径长,再加之扰动的气流更不利于其排出,故造成该工况上排污效率较差。

  • 3.2 气流组织对恶臭浓度的影响

    3.2

    7是7种工况恶臭浓度模拟结果。图7 (a)是呼吸高度(Z=1.5 m)NH3体积分数分布云图,从图7 (a)中可以看出,在工况6条件下,NH3平均体积分数最低,为1.16×10-7,与工况1实测数据相比降低了43.7%。立体送风将新鲜空气直接送到机房内,对周围环境进行稀释,因此,立体送风工况机房NH3平均体积分数要低于侧送风,更有利于改善机房内空气品质。

    工作区域的恶臭浓度对工作人员的安全更为重要,图7 (b)是7种气流组织对机房2 m下工作区域恶臭浓度的影响。可以看出,工况2侧下送风侧上排风时工作区域NH3平均体积分数最大,为3.2×10-7。工况6立体送风中排条件下工作区域NH3平均体积分数为5.6×10-8,与实测数据1.51×10-7相比下降62.9%。

    图6
                            工况2~8送风口截面上风速和流线图

    图6 工况2~8送风口截面上风速和流线图

    Fig.6 Air velocity and streamline in the exhaust under condition 2 ~ 8

    图7
                            各气流组织下机房内恶臭浓度模拟结果

    图7 各气流组织下机房内恶臭浓度模拟结果

    Fig.7 Simulation results of odor concentration in engine room under different air distributions

    图8
                            不同气流组织下Z=1.5 m高度各测点NH3浓度

    图8 不同气流组织下Z=1.5 m高度各测点NH3浓度

    Fig.8 NH3 concentration of each measurement point at Z= 1.5 m

    8是脱水机房在不同气流组织下Z=1.5 m高度各测点的NH3体积分数。侧下中排组合下料斗仓区域(测点1、2)恶臭浓度最低。立体送风中排形式下,机房工作人员呼吸高度(测点3、4、5)恶臭浓度都低于其他气流组织。

    结果表明,从工作人员的健康考虑采用立体送风中部排风,机房呼吸高度的平均恶臭浓度最低,工作区域恶臭浓度最低,排污效率最高,能够提供更好工作环境。

  • 3.3 送排风量对排污效率和恶臭浓度的影响

    3.3

    1中组3和组4是在工况6的基础上分别降低和增大送、排风量,研究送、排风量与排污效率及机房内恶臭浓度的关系。表3是工况6、9~12条件下的排污效率。工况6、9、10对比,送风量由5 180 m3·h-1降低到3 888 m3·h-1,排污效率下降了0.09,送风量增大到6 480 m3·h-1,排污效率升高了0.11。工况6、11、12对比,排风量降低到8 106 m3·h-1,排污效率降低了1.33,排风量增大到13 510 m3·h-1,排污效率升高了变化了0.45。结果表明,竖管立体送风侧中排风气流组织下,送风量的改变对脱水机房排污效率影响不明显,排风量的改变对排污效率影响比较大。

    表3 工况6、9~12下排污效率模拟结果

    Table 3 Simulation results of contaminant removal efficiency under condition 6, 9~ 12

    工况序号气流组织

    送风量/

    (m3· h-1)

    排风量/

    (m3· h-1)

    φ P /10-7 ε
    6立体送/侧中排5 18010 8081.165.09
    9立体送/侧中排3 88810 8081.185.00
    10立体送/侧中排6 48010 8081.135.20
    11立体送/侧中排5 1808 1061.973.76
    12立体送/侧中排5 18013 5100.785.54

    改变送、排风量后脱水机房NH3浓度如图9所示。图9 (a)中工况6、9、10对比说明了送风量对恶臭浓度影响不大,对于排风量来说,对恶臭浓度影响明显。图9 (b)是不同送排风量下呼吸高度各测点NH3体积分数的变化。送风量增大,料斗口附近和工作区域恶臭浓度有所降低,排风量增大,恶臭浓度降低明显。

    上述结果表明,送、排风对机房恶臭浓度的控制效果不同,排风量对降低机房恶臭浓度效果明显。因此,可以适当降低送风量,小幅度地提高排风量,机房恶臭仍能得到改善,同时可以降低通风能耗。

    图9
                            工况6、9~12下脱水机房内恶臭浓度

    图9 工况6、9~12下脱水机房内恶臭浓度

    Fig.9 Odor concentration in sludge dewatering room under condition 6, 9~ 12

  • 4 结论

    4

    1) 7种气流组织方式中,立体送风侧中排风方式排污效率最高。该方式与实测数据相比,机房NH3平均体积分数和工作区域NH3体积分数降低了43.7%、62.9%。因此,立体送风侧中排风气流为最佳的气流组织。

    2) 立体送风形式下,排风量对排污效率、恶臭浓度的影响较大,在恶臭浓度的控制上效果明显。可以通过适当调整送、排风量,在改善恶臭环境的同时达到节能的目的。

    3) 送风的均匀性也会对NH3浓度分布和排污效率有影响,本研究未对这方面做深入探究。后期研究中将会对立体送风管上送风孔的大小和送风孔间距对通风除臭效果做进一步的探索。

  • 参 考 文 献

    • 1

      孙世昌, 汪翠萍, 王凯军. 地下式污水处理厂的研究现状及关键问题探讨[J]. 给水排水, 2016, 42(6): 37-41.

    • 2

      林冰洁. 污水处理厂的土地利用现状及节地措施[J]. 建设科技,2015, 14(13): 35-37.

    • 3

      LEWKOWSKA P, CIESLIK B, DYMERSKI T, et al. Characteristics of odors emitted from municipal wastewater treatment plant and methods for their identification and deodorization techniques [J]. Environmental Research, 2016, 151(50): 573-586.

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    • 14

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    • 16

      王华平,范存养. 室内换气排污效果的评价指标[J]. 暖通空调, 2005, 27(1): 29-34.

杨鹏

机 构:华南理工大学电力学院,广州 510641

Affiliation:School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China

角 色:第一作者

Role:First author

邮 箱:yangpeng_hn@live.com

第一作者简介:杨鹏(1990— ),男,硕士研究生。研究方向:建筑环境控制等。E-mail:yangpeng_hn@live.com

刘雪峰

机 构:华南理工大学电力学院,广州 510641

Affiliation:School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China

角 色:通讯作者

Role:Corresponding author

邮 箱:lyxfliu@scut.edu.cnlyxfliu@scut.edu.cn

作者简介:刘雪峰(1976— ),男,博士,副教授。研究方向:制冷空调空气品质与环境控制等。E-mail:lyxfliu@scut.edu.cn

陈思维

机 构:华南理工大学电力学院,广州 510641

Affiliation:School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China

黎庶

机 构:华南理工大学电力学院,广州 510641

Affiliation:School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China

王家绪

机 构:华南理工大学电力学院,广州 510641

Affiliation:School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China

金曙光,郑晓梅,张利田

角 色:中文编辑

Role:Editor

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组别工况送风口排风口送风量/(m3 · h-1)

排风量/

(m3 · h-1)

11侧中010 808
22侧上侧下5 18010 808
3侧下侧上5 18010 808
4侧上侧中5 18010 808
5侧下侧中5 18010 808
6立体送侧中5 18010 808
7立体送侧下5 18010 808
8立体送侧上5 18010 808
39立体送侧中3 88810 808
10立体送侧中6 48010 808
411立体送侧中5 1808 106
12立体送侧中5 18013 510
工况气流组织φP/10-7ε
2侧上送/侧下排2.702.18
3侧下送/侧上排4.411.33
4侧上送/侧中排1.454.12
5侧下送/侧中排1.434.07
6立体送/侧中排1.165.09
7立体送/侧下排1.284.60
8立体送/侧上排3.261.81
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工况序号气流组织

送风量/

(m3· h-1)

排风量/

(m3· h-1)

φ P /10-7 ε
6立体送/侧中排5 18010 8081.165.09
9立体送/侧中排3 88810 8081.185.00
10立体送/侧中排6 48010 8081.135.20
11立体送/侧中排5 1808 1061.973.76
12立体送/侧中排5 18013 5100.785.54
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图1 广州某地下污水厂脱水机房改造前示意图

Fig.1 Model of an underground sewage plant in Guangzhou

图2 不同网格数量下门处风速和排风口温度

Fig.2 Wind speed at door and temperature at exhaust

图3 脱水机房测点水平方向上的分布

Fig.3 Horizontal distribution of measuring points inside dewatering room

图4 实测值与模拟结果对比

Fig.4 Comparison between actual and simulated values

图5 脱水机房改造后送排风形式

Fig.5 Air supply and exhaust models in sludge dewatering room

表1 各个工况边界参数

Table 1 Boundary parameters of the conditions

表2 不同气流组织下排污效率仿真结果(efficiency under different airflow structures)

Table 2 Simulation results of contaminant removal(efficiency under different airflow structures)

图6 工况2~8送风口截面上风速和流线图

Fig.6 Air velocity and streamline in the exhaust under condition 2 ~ 8

图7 各气流组织下机房内恶臭浓度模拟结果

Fig.7 Simulation results of odor concentration in engine room under different air distributions

图8 不同气流组织下Z=1.5 m高度各测点NH3浓度

Fig.8 NH3 concentration of each measurement point at Z= 1.5 m

表3 工况6、9~12下排污效率模拟结果

Table 3 Simulation results of contaminant removal efficiency under condition 6, 9~ 12

图9 工况6、9~12下脱水机房内恶臭浓度

Fig.9 Odor concentration in sludge dewatering room under condition 6, 9~ 12

image /

无注解

under different number of grids

无注解

无注解

无注解

无注解

无注解

无注解

无注解

无注解

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无注解

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