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、安全隐患大等问题。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，恶臭污染非常严重。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康。
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段。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。齐欣等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;邓元媛等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等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等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。刘洪波等运用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 模型建立
1.1.1 几何结构
图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
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果。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
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
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。
图3 脱水机房测点水平方向上的分布
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
2 数值仿真
2.1 气流组织工况设置
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
2.2 评价指标
近年来，国内外研究采用排污效率对气流组织进行评价，本研究采用排污效率ε ε 作为评价气流组织的指标。
式中：φ R φR 为排风口恶臭的体积分数，10-7;φ P φP 为机房内恶臭平均体积分数，10-7;φ S φS 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 φS =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 φP 和机房2 m下工作区域恶臭平均体积分数φ P−2 φP-2 作为气流组织评价指标。
3 仿真结果分析
3.1 气流组织对排污效率的影响
3.1.1 排风形式
表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 φP 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 φP 较高，造成排污效率低于中部排风排污效率，这一结果与其他研究[7]结论一致。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
表1 各个工况边界参数
表2 不同气流组织下排污效率仿真结果
3.1.2 送风形式
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。
图6 工况2~8送风口截面上风速和流线图
3.2 气流组织对恶臭浓度的影响
图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。
图7 各气流组织下机房内恶臭浓度模拟结果
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。
图8 不同气流组织下Z=1.5 m高度各测点NH3浓度
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
表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
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。
图9 工况6、9~12下脱水机房内恶臭浓度
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。
4 结论
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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。(来源：环境工程学报 作者：杨鹏)
