基于臭气空间分布特性的城市污水除臭仿真

于 艳,于晓丹

(1. 吉林建筑科技学院市政与环境工程学院,吉林 长春 130114;2. 吉林建筑大学市政与环境工程学院,吉林 长春 130118)

1 引言

随着现代化工艺进程的日益加快,大量的工程和企业开始逐渐向居民中心靠拢,引发了一系列的恶臭污染投诉事件,同时有关恶臭污染的相关问题也得到政府部门的高度关注[1,2]。城市污水中产生的恶臭不仅会对人体的神经系统以及呼吸系统产生产生严重的损害,同时还会引发一系列精神问题。因此,国家相关部门以及有关部门制定了一系列污水排放标准以及工作环境标准等,主要用来控制城市污水中的恶臭水体对城市环境以及人体健康产生的负面影响。

如何有效对城市污水进行除臭处理成为现阶段研究的热点话题,国内相关专家给出了一些较好的研究成果,例如刘建伟等人[3]主要通过组合式生物工艺处理技术对污水处理厂排放出的恶臭气体进行处理。肖作义等人[4]主要通过生物滤池法去除城市污水的恶臭物质。

在上述两种方法的基础上,提出一种基于臭气空间分布特性的城市污水除臭方法。经实验测试证明,所提方法可以有效去除城市污水中的恶臭物质。

2 臭气空间分布特性研究

城市污水的组成结构是十分复杂的,不同恶臭源点分别是由不同的恶臭物质组成。导致水体内产生恶臭物质的因素有很多种,例如季节动态变化特征以及恶臭物质的转化过程等等。另外,恶臭物质的产量会随着季节和时间的变化而变化。

城市污水除臭方式有很多种,例如催化剂氧化以及异味氧化法等。现阶段,二氧化氮氧化除臭技术在国外已经得到十分广泛地应用。随着科学技术的不断进步和发展,通过CFD技术可以准确描述臭气的空间分布特征[5,6],通常包含以下几个环节:

1)组建数学物理模型;

2)数值算法求解;

3)结果可视化。

构建数学模型的主要目的是针对研究区域的所有流动问题进行详细的数学描述,以此为依据建立微分方程,同时各个方程之间存在耦合关系,非线性特征比较强,需要借助数值方法进行求解。

当对模型进行求解后,求解结果即为分布在网格节点上的不同数值,但是由于描述形式并不是十分直观,而且现场工作人员很难进行理解,所以需要借助计算机进行详细描述,将求解结果采用可视化技术进行描述[7,8],方便工作人员理解和掌握。

微分形成的流体动力学基本方程主要包含以下几种形式,分别为

1)连续性方程可以表示为式(1)的形式

(1)

式中,ρ代表流体的密度;t代表时间;u、v和w分别代表在x、y、z不同方向上的位置矢量。

2)动量方程表示为式(2)的形式

(2)

式中,Su、Sv和Sw代表方程的广义源项;div(μgradu)、div(μgradv)和div(μgradv)分别代表不同坐标方向下的动能。

3)利用式(3)给出能量守恒方程的具体表达形式:

(3)

式中,k代表气体的表面传热系数;ST代表气体的粘度系数。

臭气强度主要是指清洁空气稀释恶臭样品直至样品无味时所需要的稀释倍数。

从大的角度而言,恶臭物质主要有两个比较大的发生源[9,10],分别为:

1)自然发生源

当动植物内部包含的蛋白质成分被稀释之后,形成的气体具有一定的臭味;当火山喷发时,也会形成气味比较浓烈的硫酸味;河水或者湖水长时间停留,由于雨水以及各种污染物的大量置入,也会形成比较难闻的臭味。

2)人工发生源

有生产污染源和生活污染源,一般生产污染源主要来自人类自身生产的过程,日化工程以及石油精炼厂等。

污水中的恶臭物质不仅会对人类的身体健康产生影响,同时还会破坏城市居民的生活环境,对社会和经济的整体发展产生一定的负面影响。

根据北京环境监测中心制定的恶臭强度分析方法,具体的分级情况如表1所示。

表1 北京市定制的恶臭强度分类方法

3 污水除臭仿真设计

3.1 方法

实验主要划分为两个部分进行,其中一部分是针对J城市污水处理厂进行监测;另外对污泥脱水机房的污水水平进行监测[11,12],两地均采用现场监测,详细的监测步骤如下所示:

1)对J城市污水处理厂的污染物浓度水平进行监测,主要包含的恶臭污染物质为硫化氢以及甲硫醇等,同时还需要记录不同恶臭物质的变化规律。

2)对污泥脱水机房的污染浓度水平进行监测,主要监测的污染物为硫化氢以及甲硫醇等,将各个恶臭物质的变化情况进行详细记录。

3)通过以上两个区域的连续监测,能够获取分别获取各个区域的污水污染物浓度变化情况以及变化规律。

4)根据污水中恶臭物体近六个月的变化规律,考虑有可能的影响因素,对恶臭物体的污染强度进行估算[13,14]。

5)每次监测需要记录当时的温度以及气候变换等相关参数,同时在监测前期还需要详细说明污水处理厂的使用情况。

①监测时间

监测时间为每天的早上8:00～9:30。

②监测地点

城市污水处理厂需要根据水量进行调节[15,16],在满负荷状态下,污水处理厂内的全部污泥浓缩机同时进行工作;在非满负荷条件下,需要根据水量的不同对污泥浓缩机的数量进行调整。

③监测频率

在2020年的2月、4月、6月以及8月进行连续监测,即每隔一天测量一次。

④监测仪器

利用表2给出监测仪器的型号以及相量程、精度的相关信息:

表2 实验监测仪器

3.2 实验结果

通过以上实验方法,分别对污水处理厂中的主要污染物进行为期四个月的检测,具体的实验结果如下所示:

1)利用表3～表5给出硫化氢、氨以及甲硫醇随着温度的变化曲线．

表3 硫化氢浓度和温度之间的关系

表4 氨浓度和温度之间的关系

表5 甲硫醇和温度之间的关系

分析表3～表5中的实验数据可知,在污水中的硫化氢浓度最高。另外,随着温度的不断增加,各种污染物质也有直线上升的趋势。当达到一定温度时,污染物的生成趋势会逐渐变缓慢。

2)通过上述实验方法,分别对污泥脱水机房的主要污染物进行测试,测试结果如图6～图8所示．

分析表6～8中的实验数据可知,硫化氢的浓度最高。而且随着温度的不断上升,各种污染物的浓度也会随之上升。尤其是在夏季稳定比较明显时,污染物的上升趋势更加明显。

表6 硫化氢浓度和温度之间的关系

表7 氨浓度和温度之间的关系

表8 甲硫醇和温度之间的关系

在J城市的污水处理厂以及污泥脱水机房中,各种污染物的浓度会随着温度的增加而增加,当达到一定温度时,硫化氢的上升趋势也开始变得缓慢,而氨和甲硫醇的浓度依旧呈直线上升趋势。

在温度比较低的环境下,污泥脱水机房的污染物浓度明显高于J城市的污水处理厂,主要是因为污泥脱水机房的封闭效果更加好,而且室内配有暖气,使污染物的浓度维持在较高的状态。

通过上述实验测试结果经过定性分析可知,污染物的浓度会随着温度的增加而上升,但是仅仅从气体温度的变化规律很难通过定量分析得到污水中污染物的源强,其中影响源强的因素有很多种,具体如下所示:

①J城市为北方内陆城市,冬季降水以及居民用水都得到明显降低,同时导致污水处理厂的水量下降,进而活性污泥处理量也会随之减少。

②污泥脱水机房内主要形成污泥厌氧发酵反应,其中污泥厌氧发酵进程会十分容易受到水温的影响。

全面考虑上述影响因素,对污泥脱水机房中气温和水温进行监测,具体实验结果如图1所示。

图1 污泥脱水机房中水温和温度之间的关系分析

通过计算,可以获取不同区域的污泥对于不同污染物的单位负荷和水温之间的关系曲线,进而得到污染物浓度的估算方式。

3)污泥脱水机房

利用图2给出污泥脱水机房中不同污染物浓度回归曲线。

图2 污泥脱水机房水温和单位污染物的负荷变化情况

在图3的基础上,可以获取不同污染物的负荷估算结果,具体如表9所示:

表9 不同污染物负荷估算结果

在确定城市污水的浓度变化情况后,需要对完整的生物滤池系统进行进一步完善,有效达到城市污水去除的目的。其中,污水恶臭物质的去除率是一项十分重要的指标。以下给出详细的操作过程:

1)滤料:

池内的滤料主要选取矿石作为基础的无机滤料,将滤料的尺寸设定在5到12mm之间。将天然矿石作为原料,由于矿石具有多孔结构,同时添加了一些无机盐作为微生物活动所需要的养分。

2)菌种:

实验使用的菌种主要来源于污水处理厂的二沉池活性污泥,通过微生物驯化方法可以筛选出用于生物滤波进行臭气处理的菌种。进行驯化的主要目的是促使目标菌群在滤料上快速生长,有效排除其它不利因素。其中,驯化的主要操作步骤如下所示:

①在前72小时内分别向活性污泥中添加一定剂量的Na2S溶液,同时将配好的溶液均匀喷淋在滤料的表面,引入臭气进行驯化处理。

②在后96小时内使用市政供水喷淋在滤料的表面,确保滤料的湿度,同时引入臭气进行驯化处理。

3)监测方法:

根据改变滤池的温度,监测三种不同污染物在不同污染物下的去除效率,同时获取不同污染物的去除率变化情况。

在2020年内对J城市污水处理厂进行连续监测,当工程运行之后,需要对滤床的温度进行设定,后续连续测量一周并记录。实验过程中,还需要考虑不同干扰因素,其中相关影响参数的监测范围如表10所示。

表10 相关参数监测范围

在上述基础上,分析温度对滤池去除污水中污染物效果的影响,具体实验结果如表11～表13所示。

表11 硫化氢去除率和温度之间的关系分析

表12 氨去除率和温度之间的关系分析

表13 甲硫醇去除率和温度之间的关系分析

分析表11～13中的实验数据可知,当滤除温度持续增加,各种污染物的去除率也呈直线上升趋势。其中,硫化氢和氨的去除率都在90%以上,但是甲硫醇的去除率相对更低一些。由此可见,采用所提方法可以有效去除污水中的污染物,获取更加理想的污水除臭效果。

4 结束语

针对传统方法存在的一系列问题,设计并提出一种基于臭气空间分布特性的城市污水除臭方法。经实验测试证明,所提方法可以获取理想的城市污水除臭结果,为后续关于污水除臭方面的研究提供一定的理论研究。