數(shù)值模擬技術(shù)在二沉池設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李劍波

(上海建瓴工程咨詢(xún)有限公司,上海 200032)

常規(guī)污水處理中,沉淀池是利用固液兩相之間的密度差,通過(guò)重力沉淀作用,使密度大于液相的固相下沉,實(shí)現(xiàn)固液分離,從而達(dá)到去除水中懸浮物目的的水處理構(gòu)筑物。根據(jù)沉淀池在處理流程中的位置可分為初次沉淀池和二次沉淀池。初次沉淀池位于生物處理構(gòu)筑物之前,主要作用為減少進(jìn)水中大顆粒懸浮物的含量。二次沉淀池作為生物處理工藝的一部分,通常設(shè)在生物處理構(gòu)筑物之后。二次沉淀池在生物處理工藝中的作用主要是沉淀和濃縮污泥。通過(guò)沉淀作用實(shí)現(xiàn)泥水分離,保證出水中的懸浮物濃度達(dá)到排放要求;同時(shí)通過(guò)污泥濃縮保證回流污泥的濃度,維持生物處理構(gòu)筑物中活性污泥的濃度,保證生物處理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。并且由于水量和水質(zhì)的變化,還要暫時(shí)貯存污泥[1]。二沉池的運(yùn)行狀況對(duì)整個(gè)污水處理系統(tǒng)的處理效果有重要影響。沉淀池中的水流特性對(duì)泥水分離的效果有很大影響。

1 二沉池水流特性

沉淀池內(nèi)的水流特性對(duì)活性污泥顆粒的絮凝和沉淀過(guò)程都有影響[2]。因此,在沉淀池實(shí)際工作的過(guò)程中,池內(nèi)流體的流態(tài)以及流體結(jié)構(gòu)對(duì)沉淀池中的泥水分離和濃縮效果有著很直接的影響[3]。沉淀池實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中短流、異重流和死水區(qū)等水力現(xiàn)象的出現(xiàn)不利于沉淀池功能的有效發(fā)揮。

進(jìn)入沉淀池的水流,在池中停留的時(shí)間不同,一部分水的停留時(shí)間小于理論停留時(shí)間,而另一部分水的停留時(shí)間大于設(shè)計(jì)停留時(shí)間,這種停留時(shí)間不同的現(xiàn)象稱(chēng)為短流。由于短流的存在,一部分進(jìn)水的停留時(shí)間縮短,不能在沉淀池內(nèi)有效沉淀,降低了沉淀池內(nèi)懸浮物去除效率;另一部分的停留時(shí)間可能過(guò)長(zhǎng),減少了沉淀池的有效容積。高流速進(jìn)水的慣性作用、出水堰口負(fù)荷過(guò)大導(dǎo)致的水流抽吸作用、沉淀池表面大風(fēng)影響,以及沉淀池內(nèi)存在的柱子、導(dǎo)流壁和刮泥設(shè)備等都可能引起沉淀池內(nèi)的短流。

由于進(jìn)水密度與沉淀池內(nèi)流體密度的差異導(dǎo)致的異重流是使沉淀池實(shí)際流態(tài)偏離理想流態(tài)的又一個(gè)重要因素[4]。由于二次沉淀池進(jìn)水含有大量的活性污泥,其密度高于沉淀池內(nèi)的流體的密度,進(jìn)水在重力的作用下高速流向沉淀池底部,在沉淀池表面形成了逆流。由于濃度異重流出現(xiàn)在池底污泥成層附近,因此當(dāng)進(jìn)水流量增大時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致污泥層中顆粒的二次懸浮,使得沉淀池出水懸浮物濃度增加。進(jìn)水溫度與沉淀池內(nèi)流體的溫度差異也會(huì)導(dǎo)致異重流的產(chǎn)生[5]。當(dāng)進(jìn)水溫度與沉淀池內(nèi)流體的溫度存在差異時(shí),會(huì)影響沉淀池內(nèi)的混合特性,導(dǎo)致由密度差引起的分層作用和混合不佳。Wells和 LaLiberte發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)水溫度與沉淀池內(nèi)主體溫度相差 1℃時(shí)就會(huì)引起異重流的產(chǎn)生。Zhou和Mchmood等[6]對(duì)沉淀池內(nèi)的密度流進(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn) 0.2℃的溫度差也可以導(dǎo)致異重流。Wells和 LaLiberte[7]研究發(fā)現(xiàn)若沉淀池內(nèi)懸浮物濃度高時(shí),較高溫度的進(jìn)水不能改變異重流的方向,在進(jìn)水區(qū)懸浮顆粒將溫度較高的進(jìn)水保持在池底。當(dāng)?shù)琢鞯竭_(dá)池壁附近時(shí),大部分的懸浮顆粒已經(jīng)通過(guò)沉淀去除,并且由于底流的水溫較高,加速了沿池壁附近的浮力流,增加了被浮力流夾帶的懸浮顆粒的量,惡化了出水水質(zhì)。

2 二沉池?cái)?shù)值模擬

傳統(tǒng)的沉淀池設(shè)計(jì)對(duì)沉淀池內(nèi)的水力特性考慮不多,主要是基于理想沉淀池的假設(shè) (水流在池內(nèi)沿水平方向作等速運(yùn)動(dòng);顆粒處于自由沉淀狀態(tài),顆粒的水平分速度等于水平流速;顆粒沉到池底即被認(rèn)為去除)[8],通過(guò)靜置沉淀實(shí)驗(yàn)得到顆粒沉速與懸浮物去除率的關(guān)系曲線(xiàn)和固體通量曲線(xiàn),根據(jù)排水水質(zhì)要求確定最經(jīng)濟(jì)的沉淀池表面負(fù)荷。在實(shí)際工程中,仍多采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和公式[9]。設(shè)計(jì)參數(shù)范圍較寬,參數(shù)選擇經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng),沒(méi)有精確計(jì)算,不能保證沉淀池內(nèi)的水力混合狀態(tài),無(wú)法對(duì)其運(yùn)行效果進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè),一旦參數(shù)略有差異,可能對(duì)沉淀池的水力混合過(guò)程和處理效果造成較大的影響[10]。并且由于沉淀池的設(shè)計(jì)以理想沉淀池為前提,而實(shí)際運(yùn)行的沉淀池內(nèi)的異重流、短流、漩渦以及一些死水區(qū)會(huì)導(dǎo)致池內(nèi)流態(tài)與理想流態(tài)的偏離[11,12];進(jìn)水口和沉淀池內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同也會(huì)極大影響到沉淀池內(nèi)的流態(tài),形成短流和死水區(qū)等會(huì)降低沉淀池內(nèi)有效容積的流態(tài),導(dǎo)致沉淀池的實(shí)際運(yùn)行狀況與理想沉淀池偏差較多,并且會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行效率的降低。

計(jì)算流體力學(xué)模型作為一種較為成熟的數(shù)值模擬技術(shù),已廣泛應(yīng)用于處理構(gòu)筑物在設(shè)計(jì)條件下的流動(dòng)特性和行為的研究。計(jì)算流體力學(xué)以基本流體力學(xué)原理為基礎(chǔ),沉淀池幾何體被分成許多小單元(網(wǎng)格),以網(wǎng)格形式描述問(wèn)題,并建立每個(gè)網(wǎng)格單元質(zhì)量、動(dòng)量、能量和固體濃度方程。通過(guò)這種數(shù)值模擬,可以得到極其復(fù)雜問(wèn)題的流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量 (如速度、壓力、溫度、物質(zhì)濃度等)的分布,以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況[13]。這使研究沉淀池流體在設(shè)計(jì)條件下的流動(dòng)特性和行為成為可能,為預(yù)測(cè)沉淀池的運(yùn)行效果和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供了一種有效手段。國(guó)外對(duì)二沉池的流場(chǎng)和懸浮物的濃度場(chǎng)的研究始于 20世紀(jì) 80年代[14]。根據(jù)沉淀池所模擬的空間特征,沉淀池的模擬可分為：一維、二維和三維模擬。

2.1 一維通量模型

二沉池一維模型(一維通量模型),以 Kynch提出的固體通量理論為基礎(chǔ)的[15,16],該模型假定沉淀池內(nèi)同一水平斷面處懸浮顆粒濃度相同。固體通量假設(shè)污泥重力沉降速率由污泥濃度決定,因而固體重力沉降通量取決于污泥濃度和污泥重力沉降速率。Bryan[17]基于連續(xù)方程最早提出了一維通量模型,Stenstrom[18]將它用于污泥的濃縮過(guò)程,Vitaso-vic將其擴(kuò)展到整個(gè)二沉池。一維通量模型的一般形式如下：

式中：F(X,z,t)為固體通量;s(z,t)為源項(xiàng) (單位時(shí)間、單位距離進(jìn)入沉淀池的污泥質(zhì)量);δ為控制函數(shù),數(shù)值取 1或 0。

Dick[16]提出了利用固體通量分析法確定二沉池面積的方法。從 20世紀(jì) 90年代開(kāi)始,一維通量模型的研究取得了一些具有代表性的成果,在模型的研究過(guò)程中考慮了不同沉淀形式[19～24]、沉淀池內(nèi)異重流和短流對(duì)模型的影響[19]。盡管已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量的一維通量模型提出來(lái),但至今仍沒(méi)有一個(gè)模型可以有效且準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)二沉池出水中懸浮固體濃度、污泥層高度以及污泥總質(zhì)量的預(yù)測(cè)模擬[25]。并且由于一維通量模型忽略了水平流速和懸浮顆粒的濃度梯度,只模擬了豎直方向的沉淀過(guò)程,因此需要更能反映沉淀池實(shí)際情況的模型[26]。

2.2 二維和三維模型

二維和三維模型可以模擬沉淀池內(nèi)部流態(tài)及物質(zhì)的輸移過(guò)程?？捎糜诜治鲈u(píng)價(jià)沉淀池內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造對(duì)沉淀池內(nèi)流場(chǎng)和沉淀過(guò)程的影響。由于沉淀池的二維和三維模型的模擬過(guò)程符合基本的守恒定律(質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒)。由于懸浮固體在二次沉淀池中的遷移運(yùn)動(dòng)受湍流影響較大,二維和三維模型還需要滿(mǎn)足湍流動(dòng)能守恒方程和湍流動(dòng)能耗散速率方程。沉淀池的二維和三維模型可顯示二次沉淀池內(nèi)的流場(chǎng),可用于模擬不可校驗(yàn)流態(tài)。但是由于沉淀池二維和三維模擬所需要的計(jì)算量很大,不能應(yīng)用在控制系統(tǒng)中。沉淀池二維和三維模擬按照模擬流體的對(duì)象大致可分為三種模型：模擬二沉池液相或懸浮物流動(dòng)的模型 (簡(jiǎn)稱(chēng)單相流模型)、模擬固液兩相混合物流動(dòng)的模型(簡(jiǎn)稱(chēng)混合模型)和分別模擬固液兩相流動(dòng)的雙流體模型 (簡(jiǎn)稱(chēng)兩相流模型)[14]。

2.2.1 擬單相流模型

擬單相流模型把固液兩相作為單相處理,懸浮顆粒作為流體中的組分隨流體運(yùn)動(dòng),其擴(kuò)散與流體組分的擴(kuò)散相同,不考慮流體與懸浮顆粒之間的滑移。擬單相流模擬僅適用于顆粒粒徑足夠小,濃度足夠大或者固液兩相密度接近的。擬單相流模型可分為水流模型和懸浮物模型。水流模型的的控制方程如下：

式中:R為雷諾數(shù);ω和Ψ分別為渦量和流函數(shù)。

懸浮物模型的濃度擴(kuò)散方程如下:

式中：C為懸浮物濃度;Vs為顆粒的沉降速度; Sh為斯密特?cái)?shù)。

鄭迪采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中的三角形網(wǎng)格對(duì)平流式二沉池進(jìn)行了劃分,假定沉淀池內(nèi)流體為單相的不可壓流體,采用計(jì)算精度比較高的標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型,使用二維定常離散求解器和隱式離散方程對(duì)不同進(jìn)水口形式及整流形式的平流式二沉池進(jìn)行了模擬。對(duì)于有擋板的形式,由于進(jìn)水擋板的阻擋作用,防止了沉淀池內(nèi)斷流的發(fā)生,降低了沉淀池?cái)嗝婵倓?dòng)能和湍流強(qiáng)度,但在擋板后形成了一個(gè)以上的大漩渦,對(duì)沉淀極為不利。

張明星[27]采用基于 k-ε湍流模型的三維非穩(wěn)態(tài)擬單相流模型,充分考慮了固液兩相間的相互作用(相間曳力、橫向升力、虛擬質(zhì)量力、分散相體積分?jǐn)?shù)以及兩相間密度差)的影響,對(duì)平流式二沉池進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明,二沉池內(nèi)速度分布是不均勻的。在沉淀池進(jìn)水區(qū),由于高密度懸浮固體的引入產(chǎn)生了異重流,流體水平進(jìn)入二沉池后在擋板的作用下改變方向,下沉到沉淀池底部,形成底流。在進(jìn)水口下方和污泥斗上方分別形成了兩個(gè)回流區(qū)。平流式二沉池沿寬度方向的速度分布是不均勻的,水面附近的流體是由中心分別向兩邊壁流動(dòng)的。對(duì)輻流式二沉池的模擬結(jié)果表明,池內(nèi)切向速度分布是不均勻的,切向速度在進(jìn)口高度上較其他高度處變化明顯,并且形成了明顯的成層流。通過(guò)對(duì)不同進(jìn)口擋板長(zhǎng)度二沉池的模擬,得到了懸浮物去除率與進(jìn)口擋板長(zhǎng)度之間的函數(shù)關(guān)系。

2.2.2 混合模型

混合模型[3,28,29]是一種簡(jiǎn)化的多相流模型,用于模擬各相有不同速度的多相流,但是假定了在短空間尺度上局部的平衡,來(lái)求解混合相的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程,第二相的體積分率以及滑移速度和漂移速度。當(dāng)存在大范圍的顆粒相分布或者界面規(guī)律未知或其可靠性有疑問(wèn)時(shí),混合模型是多相流模型的很好替代,其典型應(yīng)用包括沉降和旋風(fēng)分離器?；旌夏Ｐ椭型ǔＰ枰氖腔旌衔锏男再|(zhì),在混合模型中密度和速度的計(jì)算公式如下：

屈強(qiáng)等[30]采用改進(jìn)的RNG(重整化群)k-ε兩方程紊流模型和混合模型,對(duì)輻流式二沉池內(nèi)的流場(chǎng)和污泥濃度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明沉淀池表面和底部存在兩個(gè)回流區(qū),池內(nèi)存在明顯的泥水界面和壓縮界面,污泥層中大部分是等質(zhì)量濃度的成層沉淀區(qū),沉淀池最底部是質(zhì)量濃度較高的壓縮層。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合較好。

2.2.3 兩相流模型

兩相流模型,即分別模擬固液兩相流動(dòng)的雙流體模型。兩相流模型中每一相均被看做是充滿(mǎn)整個(gè)流場(chǎng)的相互貫穿的介質(zhì),顆粒相是與流體相相互滲透的擬流體,對(duì)每一相建立質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程,并對(duì)每相之間建立紊流傳遞方程。兩相流模型適用于氣泡柱、上浮、顆粒懸浮和流化床的模擬。

郭生昌[31]等利用 Fluent6.0中專(zhuān)門(mén)的 “多相歐拉模型”,考慮了固體間的剪切應(yīng)力,對(duì)不同擋板長(zhǎng)度、不同擋板位置、不同顆粒尺寸、不同顆粒密度、不同流量下沉淀池內(nèi)的流場(chǎng)和濃度場(chǎng)進(jìn)行了模擬、計(jì)算和分析。發(fā)現(xiàn)在紊流條件下,如果擋板設(shè)置的位置和淹沒(méi)的深度不合適,會(huì)增加沉淀池內(nèi)部的回流區(qū)域,減少沉淀池的有效停留時(shí)間,從而降低固體的沉降效果,并且不設(shè)擋板的流場(chǎng)比帶擋板的流場(chǎng)存在更大的回流區(qū)域;在固體顆粒尺寸很小的情況下,增加顆粒密度對(duì)沉淀效果無(wú)明顯影響;在固體顆粒一定的情況下,固體顆粒越大,其受沉淀池流場(chǎng)紊動(dòng)的影響越小;可以通過(guò)適當(dāng)減少進(jìn)口流量,來(lái)提高固體顆粒的沉降效果。不同模型適用性及優(yōu)缺點(diǎn)的比較見(jiàn)下表。

表 不同模型適用性及優(yōu)缺點(diǎn)的比較Tab. Comparison of differentmodels

3 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的污水處理工藝流程二沉池的運(yùn)行狀況對(duì)整個(gè)處理系統(tǒng)的處理效果有重要影響。沉淀池內(nèi)的水流特性會(huì)影響活性污泥顆粒的絮凝和沉淀過(guò)程,一定程度上決定了沉淀池的泥水分離和濃縮效果。沉淀池運(yùn)行中存在的短流會(huì)減少活性污泥顆粒的沉淀時(shí)間和沉淀池的有效容積,降低沉淀池懸浮物去除效率;由于密度差導(dǎo)致的異重流會(huì)沖擊污泥層,加速池壁附近的浮力流,導(dǎo)致已沉污泥的二次懸浮。

傳統(tǒng)的沉淀池設(shè)計(jì)基于理想沉淀池假設(shè)和靜置沉淀實(shí)驗(yàn),對(duì)池內(nèi)的水力特性考慮不多,設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇范圍寬,選擇經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng),不能確保沉淀池內(nèi)的水力混合狀態(tài)。沉淀池進(jìn)、出水口和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)沉淀池內(nèi)流態(tài)有極大的影響,導(dǎo)致池內(nèi)流態(tài)與理想沉淀池偏差較多。計(jì)算流體力學(xué)作為一種較為成熟的數(shù)值模擬技術(shù),已廣泛應(yīng)用于水處理構(gòu)筑物在設(shè)計(jì)條件下流動(dòng)特性和行為的研究,為預(yù)測(cè)沉淀池的運(yùn)行效果和結(jié)構(gòu)改進(jìn)的效果提供了一種有效手段。但是目前對(duì)二沉池的計(jì)算流體力學(xué)模擬沒(méi)有考慮污泥絮凝、污泥壓縮沉淀對(duì)污泥顆粒性質(zhì)的改變;并且主要是針對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后的沉淀池的流態(tài)模擬,沒(méi)有考慮刮泥機(jī)對(duì)沉淀池流態(tài)的影響。因此,如何在二沉池的計(jì)算流體力學(xué)模擬過(guò)程中增加污泥顆粒間的絮凝和壓縮作用模擬,考慮刮泥機(jī)對(duì)沉淀池流態(tài)的影響將會(huì)成為二沉池?cái)?shù)值模擬的發(fā)展方向。

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