新型導(dǎo)流板旋流沉砂池?cái)?shù)值模擬及水處理效能研究

王旭博，王延濤

（1.太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030600；2.山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山西太原030001）

沉砂池是整個(gè)污水處理過程中必要的構(gòu)筑物之一，而旋流沉砂池因具有占地面積小、能耗低、土建費(fèi)用低、管理方便等優(yōu)點(diǎn)，在污水預(yù)處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用〔1〕。旋流沉砂池具有良好的沉砂性能，以往的研究多以攪拌槳葉片優(yōu)化、攪拌槳轉(zhuǎn)速優(yōu)化以及攪拌槳距離池底的距離為目標(biāo)〔2〕，或進(jìn)行池體結(jié)構(gòu)優(yōu)化〔3〕，或研究對不同粒徑的去除效能〔4〕，或進(jìn)行數(shù)值模擬分析〔5〕，或考察各影響因素〔6〕以及改造系統(tǒng)性能〔7〕等，忽略了旋流沉砂池內(nèi)部流態(tài)調(diào)控對于水處理效能的影響。本研究構(gòu)建了新型旋流沉砂池，其特點(diǎn)在于該池進(jìn)水處設(shè)置了導(dǎo)流板，可有效地控制砂礫軌跡，提高無機(jī)砂礫的去除率以及與有機(jī)物的分離效率。同時(shí)基于物理模型法，研究了不同進(jìn)水流速下旋流沉砂池的水處理效能并運(yùn)用數(shù)值模擬解釋不同因素影響下結(jié)果的差異性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 旋流沉砂池的構(gòu)建

本研究所構(gòu)建旋流沉砂池池體直徑為2.0 m，有效深度為1.3 m，采用360°進(jìn)出水方式構(gòu)建，圓形進(jìn)水口直徑為0.2 m，方形出水口尺寸為0.4 m×0.3 m，沉砂斗直徑為0.45 m，該旋流沉砂池設(shè)置進(jìn)水導(dǎo)流板，導(dǎo)流板呈0.2 m寬的90°弧形設(shè)置，進(jìn)水口在弧形導(dǎo)流板中部，起到導(dǎo)流與穩(wěn)流的作用。旋流沉砂池結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 旋流沉砂池結(jié)構(gòu)

本研究依據(jù)水力學(xué)相似的原理建立縮小的旋流沉砂池模型（實(shí)際∶模型=10∶1），以旋流沉砂池為研究對象，主要考察其在不同進(jìn)水邊界條件下的水處理效能。本研究中采用的縮小模型基于相似原理〔1〕需滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似以及邊界條件相似等原則〔8〕。 其中，幾何相似的長度比尺（λ1）依據(jù)式（1）計(jì)算；運(yùn)動(dòng)相似的速度比尺（λu）依據(jù)式（2）計(jì)算；考慮為非壓力流，故該速度可利用式（3）的佛汝德準(zhǔn)則計(jì)算；本研究中認(rèn)為縮小模型與旋流沉砂池的動(dòng)力相似、邊界與初始條件一致。

式中：l代表幾何長度（m）；θ代表角度（°）；u 和v代表流速（m/s）；下標(biāo)p代表該參數(shù)為實(shí)際參數(shù)；下標(biāo)m代表該參數(shù)為模型參數(shù)；Fr為佛汝德數(shù)。

本研究中，旋流沉砂池與實(shí)際模型的長度比尺λl為 10。 當(dāng)實(shí)際進(jìn)水流速分別為 0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 m/s時(shí)，相應(yīng)地縮小模型的進(jìn)水流速分別為0.19、0.25、0.32、0.38、0.44 m/s。 在實(shí)驗(yàn)中利用 BT100-1L型蠕動(dòng)泵（保定蘭格）控制進(jìn)水流速，采用機(jī)械攪拌確保進(jìn)水中無機(jī)砂礫混合均勻。

1.2 數(shù)值模擬

本研究主要討論該新型旋流沉砂池在不同進(jìn)水邊界條件下的流態(tài)分布以及水處理效能。流態(tài)分布主要考察其速度場的分布以及壁應(yīng)力狀態(tài)?；贑OMSOL Multiphysics數(shù)值模擬平臺(tái)的CFD計(jì)算模塊，構(gòu)建了旋流沉砂池3D模型并形成聯(lián)合體計(jì)算域，基于結(jié)構(gòu)性自由三角形網(wǎng)格共劃分有效單元625 464個(gè)。該模型基于RANS下的k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算，主要考察不同進(jìn)水邊界條件下旋流沉砂池的速度場分布狀況，進(jìn)一步解釋旋流沉砂池的水處理過程。該模擬過程滿足質(zhì)量方程、能量方程與動(dòng)量方程。

1.3 測試與計(jì)算方法

測試內(nèi)容包括不同邊界條件下該處理構(gòu)筑物的沉砂效果，并且進(jìn)一步明確其對COD、SS的去除性能。沉砂的樣品采集于山西省某污水處理廠進(jìn)水井，每60 L生活污水作為一個(gè)樣品（取3組作為平行組），相關(guān)處理過程詳見文獻(xiàn)〔9〕。COD的測定采用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行〔10〕， SS 的測定依據(jù)國標(biāo)（GB 11901—89）規(guī)定的重量法進(jìn)行。同時(shí)進(jìn)一步考察進(jìn)出該旋流沉砂池的污水中揮發(fā)性有機(jī)酸（VFAs）的濃度變化狀況，討論該池污染物去除與VFAs的關(guān)系，VFAs的測定采用氣相色譜儀（美國安捷倫）進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 無導(dǎo)流板旋流沉砂池的水處理效能

利用蠕動(dòng)泵控制縮小模型的進(jìn)水流速分別為0.19、0.25、0.32、0.38、0.44 m/s，測定進(jìn)水與沉砂斗中的沉砂量，計(jì)算相應(yīng)的去除率。將旋流沉砂池的進(jìn)水和不同邊界條件下沉砂斗收集的砂渣樣品灼燒至僅剩無機(jī)顆粒，分別對各自3個(gè)測定結(jié)果取平均值，得到砂渣中無機(jī)顆粒在不同篩孔條件下的篩余量與篩落率，結(jié)果見表1。

由表1可知，進(jìn)水砂渣中無機(jī)砂礫中在0.45～1 mm區(qū)間內(nèi)的樣品質(zhì)量最大，其次是0.3～0.45 mm，直徑≥0.2 mm的砂礫約占總質(zhì)量的94.2%，一般認(rèn)為粒徑大于0.21 mm的無機(jī)砂礫是造成后續(xù)處理問題的主要原因，傳統(tǒng)上的沉砂池設(shè)計(jì)也是基于去除污水中粒徑大于 0.21 mm 的無機(jī)砂礫設(shè)計(jì)〔9，11〕；各進(jìn)水邊界條件下，篩孔直徑為0.45 mm的尼龍篩網(wǎng)篩余量都是最大的，說明該旋流沉砂池對粒徑≥0.45 mm的砂礫去除率最高，對于≥0.20 mm的砂礫去除率分別為 54.85%、41.33%、58.70%、50.85%、38.66%；各邊界條件下總沉砂率分別為55.39%、42.37%、63.17%、54.14%、39.59%。沉砂測試結(jié)果表明，實(shí)際進(jìn)水流速＜0.6 m/s時(shí)，以重力沉降為主，隨著篩孔直徑變小，篩余量逐漸變小。

表1 無導(dǎo)流板旋流沉砂池沉砂性能測定結(jié)果

旋流沉砂池?cái)?shù)值模擬中，進(jìn)水口位于池體底部并與池體相切。在CFD數(shù)值模擬模型（數(shù)值模擬中按照原型尺寸構(gòu)建，進(jìn)水流速按照原型尺寸設(shè)置）中首先設(shè)置邊界進(jìn)水流速分別為 0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 m/s，考察不同進(jìn)水流速下旋流沉砂池內(nèi)部流場的分布狀態(tài)，結(jié)果見圖2。

圖2 不同進(jìn)水流速下旋流沉砂池速度場流線模型

由圖2可知，旋流沉砂池內(nèi)部速度場具有明顯的分層現(xiàn)象，近壁面層線速度大，池中心軸向線速度極低且呈現(xiàn)渦旋狀態(tài)。可以得知的是無機(jī)砂礫在進(jìn)入池內(nèi)后由于切向速度而獲得離心力進(jìn)而在與重力的協(xié)同作用下貼壁沉降，這樣的流場狀態(tài)決定了旋流沉砂池具有較好的沉砂能力。在旋流沉砂池的螺旋速度場中，螺旋運(yùn)動(dòng)延長了其沉降時(shí)間，無機(jī)砂礫所受離心力與速度有關(guān)，離心力的大小將決定砂渣貼壁程度，進(jìn)而在一定程度上決定了沉砂效率。

進(jìn)一步解析不同進(jìn)水流速對旋流沉砂池內(nèi)部速度場的影響，近壁面可以看到明顯的切向速度差異。當(dāng)進(jìn)水流速為0.6 m/s時(shí)，僅進(jìn)水口處具有較高的切向速度，同時(shí)可以明顯觀察到z軸軸向環(huán)流的切向速度較低，這樣可能由于離心力較低而導(dǎo)致固體顆粒去除率降低，并且犧牲了對應(yīng)的時(shí)間成本（HRT）。

隨著進(jìn)水流速增加至1.0 m/s，z軸外側(cè)軸向環(huán)流線速度增加，實(shí)際流場中可能導(dǎo)致固體顆粒所受離心力增大進(jìn)而導(dǎo)致其貼壁沉降的可能性增大，使污水中固體顆粒去除效率更高，但線速度過高可能會(huì)使流場整體趨于失穩(wěn)，體系HRT降低，又將不利于固體顆粒沉降。當(dāng)進(jìn)水流速為1.4 m/s時(shí)，流體線速度明顯增加系統(tǒng)失穩(wěn)故沉砂率降低。無機(jī)砂礫在進(jìn)入旋流沉砂池后，砂礫與附著有機(jī)物的分離以及分離后重力與離心力的共同作用決定了砂礫的沉降效率。

2.2 導(dǎo)流板旋流沉砂池的水處理效能

上述研究明確了無導(dǎo)流板的旋流沉砂池的沉砂效果，物理模型結(jié)果表明當(dāng)模擬進(jìn)水流速為0.32 m/s時(shí)，該旋流沉砂池沉砂效果最好。依據(jù)圖1（b）構(gòu)建導(dǎo)流板旋流沉砂池，并討論其水處理效果，并采用數(shù)值模擬的方法探究其內(nèi)部流場狀態(tài)與無導(dǎo)流板沉砂池的差異，解釋其水處理性能差異的內(nèi)在原因。導(dǎo)流板旋流沉砂池沉砂性能測定結(jié)果見表2。

表2 導(dǎo)流板旋流沉砂池沉砂性能測定結(jié)果

由表2可知，與無導(dǎo)流板旋流沉砂池相比，各進(jìn)水邊界條件下，篩孔直徑為0.45 mm的尼龍篩網(wǎng)篩余量都是最大的，說明該旋流沉砂池對粒徑≥0.45 mm的砂礫去除率最高；對于≥0.20 mm的砂礫平均去除率分別為 59.74%、56.10%、67.30%、59.50%、43.37%，說明導(dǎo)流板的存在確實(shí)對于沉砂性能的提高具有積極的作用；不同進(jìn)水流速時(shí)，模擬進(jìn)水流速為0.32 m/s時(shí)平均沉砂率最高，為71.1%，與上述結(jié)果對比可知，進(jìn)水方向上有導(dǎo)流板的情況下砂礫去除效率大于無導(dǎo)流板的狀態(tài)；各邊界條件下總沉砂率分別為60.73%、57.60%、71.10%、62.30%、44.56%，且隨著篩孔直徑變小，篩余量逐漸變小，有導(dǎo)流板的進(jìn)水條件下去除率總是大于無導(dǎo)流板進(jìn)水方式，各流速下總的平均沉砂率分別提高 5.3%、15.3%、7.9%、8.2%、5.0%，這個(gè)結(jié)果說明導(dǎo)流板的存在對于各進(jìn)水流速下的控制率提升均有一定作用。導(dǎo)流板的存在一方面可能限制沉砂池內(nèi)的流體流動(dòng)狀態(tài)，在底部約束砂礫的運(yùn)動(dòng)使之更容易沉降；另一方面則可能由于流場的約束加速了底部斜面砂礫的滑動(dòng)，進(jìn)一步增加了其去除效率。

進(jìn)一步在原有模型中加入導(dǎo)流板，設(shè)定各進(jìn)水速度邊界條件進(jìn)行流場分布的數(shù)值模擬，考察不同的進(jìn)水狀態(tài)下對旋流沉砂池壁面應(yīng)力分布的狀態(tài)，結(jié)果見圖3。

圖3 有無導(dǎo)流板時(shí)旋流沉砂池的壁面應(yīng)力分布模擬結(jié)果

對比圖 3（a）、圖 3（b）可知，在增設(shè)了導(dǎo)流板后，旋流沉砂池內(nèi)壁應(yīng)力在進(jìn)水沿程可見明顯的差異，由于導(dǎo)流板的存在，壁面壓力在導(dǎo)流板出口處較大，證明其貼壁性更好；同時(shí)壓力降的變化更趨向于中心，這在一定程度上可能有利于沖刷底部砂礫進(jìn)入沉砂斗，這可能是導(dǎo)流板的存在對于旋流沉砂池水處理效能提高的有效因素之一。同時(shí)，導(dǎo)流板的存在僅在底部45°的范圍內(nèi)縱向約束了粒軌跡，流場的狀態(tài)未發(fā)生明顯的變化，未及時(shí)沉降的粒子依舊沿近壁面貼壁后沉降，粒子獲得了更長的近底流動(dòng)，也有助于沉降性能提高。

考察導(dǎo)流板旋流沉砂池在不同進(jìn)水流速下的流場分布，結(jié)果見圖4。

圖4 導(dǎo)流板旋流沉砂池不同流速下的流場分布模擬結(jié)果

由圖4可知，導(dǎo)流板旋流沉砂池在各流速下具有較為明顯的沉砂去除率差異，當(dāng)進(jìn)水流速為1.0 m/s獲得最高的總?cè)コ蕿?1.1%。當(dāng)進(jìn)水流速為1.2～1.4 m/s時(shí)，貼壁進(jìn)入的水流在經(jīng)過導(dǎo)流板后流速激增，這樣可能導(dǎo)致沉砂的二次返渾，降低去除效果。同時(shí)，當(dāng)進(jìn)水流速為0.6 m/s時(shí)，沿程速度差異變化不大，接近單純重力沉降狀態(tài)，顆?？赡軣o法進(jìn)行有效地貼壁碰撞與相互作用，從而導(dǎo)致砂礫與附著有機(jī)物分離效果較差，導(dǎo)致整體除砂效果較差。當(dāng)進(jìn)水流速為1.0 m/s時(shí)，導(dǎo)流板具有較好地約束流態(tài)作用，水流經(jīng)過導(dǎo)流板后速度場分布適中，同時(shí)有助于形成中間的軸向渦流，有助于砂礫進(jìn)入砂斗中去除。因此，導(dǎo)流板的設(shè)置可有助于提高旋流沉砂池的除砂效能，導(dǎo)流板的設(shè)置形態(tài)需要進(jìn)行優(yōu)化，導(dǎo)流板存在的意義在于均一化池壁面以及底部壓力，引導(dǎo)砂礫軌跡運(yùn)動(dòng)以及約束沉降顆粒返混，進(jìn)而提高沉砂性能。

對比有無導(dǎo)流板條件下旋流沉砂池沉砂率并結(jié)合流場的數(shù)值模擬結(jié)果可得出以下結(jié)論。

（1）導(dǎo)流板的存在有助于提高旋流沉砂池的沉砂性能。對比圖2與圖4中3種不同流速下旋流沉砂池速度場分布可知，隨著進(jìn)水邊界流速的增加，旋流沉砂池內(nèi)部逐漸形成邊界清楚的近壁面環(huán)流與軸心渦流，且近壁面軸向環(huán)流切向速度逐漸增加。物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在進(jìn)水流速相同條件下，有導(dǎo)流板時(shí)各進(jìn)水流速下沉砂率優(yōu)于無導(dǎo)流板狀態(tài)，且進(jìn)水流速為0.32 m/s（實(shí)際進(jìn)水流速為1 m/s）時(shí)的沉砂率最大，這說明導(dǎo)流板起到了約束粒子軌跡的作用，進(jìn)一步地證明并非進(jìn)水線速度越大，使離心力越大越有利于砂礫的去除，沉砂貼壁后的沉降亦需要適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，實(shí)際應(yīng)用中需要平衡這兩者的關(guān)系。

（2）導(dǎo)流板系統(tǒng)對于低進(jìn)水流速的沉砂提升效果優(yōu)于較高進(jìn)水流速。在導(dǎo)流板存在的條件下，較低的進(jìn)水流速可獲得更大的去除效率。與傳統(tǒng)的低流速狀態(tài)下砂礫間相互作用較弱的特點(diǎn)相比，導(dǎo)流板系統(tǒng)的優(yōu)勢在于約束粒子軌跡，各流速下沉砂率分別為60.73%、57.60%、71.10%、62.30%、44.56%，相比于無導(dǎo)流板系統(tǒng)，各流速下總的平均沉砂率分別提高了5.3%、15.3%、7.9%、8.2%、5.0%，對于低速系統(tǒng)的約束效果更加明顯。如當(dāng)模擬進(jìn)水流速為0.32 m/s時(shí)，與無導(dǎo)流板系統(tǒng)相比，導(dǎo)流板的存在下壓了近底面流體的軌跡，即延長了近底面流體流動(dòng)的路徑，砂渣顆粒裹挾其中，獲得了向下的分速度而利于沉降，這也是實(shí)驗(yàn)中后者的沉砂效率高于前者的主要原因之一。

2.3 旋流沉砂池對其他水指標(biāo)的處理效能

旋流沉砂池在去除無機(jī)顆粒的同時(shí)具有一定的有機(jī)污染物去除能力，本研究中同時(shí)測定了不同進(jìn)水流速下旋流沉砂池對于COD以及SS的去除效果，結(jié)果見表3。

表3 旋流沉砂池水處理效能測定結(jié)果

由表3可知，COD測定結(jié)果表明在測定的流速范圍內(nèi)，沉砂池內(nèi)砂粒與有機(jī)物均產(chǎn)生了較好的分離效果，COD有一定的去除；同時(shí)導(dǎo)流板引起的流場變化對于有機(jī)物分離效果的影響并不顯著，主要體現(xiàn)在沉砂效率的變化上，對污水的后續(xù)生化處理無影響；SS的測定結(jié)果表明，進(jìn)水流速為0.19 m/s時(shí)，SS的去除率較高，說明低速系統(tǒng)下，重力主導(dǎo)的系統(tǒng)有利于SS的去除。

同時(shí)監(jiān)測旋流沉砂池進(jìn)出水中VFAs的濃度，測定結(jié)果見表4。

由表4可知，這表明導(dǎo)流板的有無對于旋流沉砂池VFAs濃度變化無影響，旋流沉砂池對于揮發(fā)酸完全無去除作用，污水經(jīng)沉砂池預(yù)處理后，不會(huì)影響后續(xù)生化處理的厭氧釋磷和缺氧反硝化效果〔12〕。

表4 旋流沉砂池進(jìn)出水中VFAs濃度測定結(jié)果mg/L

3 結(jié)論

（1）導(dǎo)流板的存在有助于在一定程度上提高旋流沉砂池水處理效能，模擬進(jìn)水流速為0.32 m/s（實(shí)際進(jìn)水流速為1 m/s）時(shí)得到最大的砂礫去除率。

（2）旋流沉砂池內(nèi)部的數(shù)值模擬結(jié)果表明，該池內(nèi)可形成近壁面軸向環(huán)流與軸心渦流，且兩者具有較為明顯的邊界層，導(dǎo)流板存在條件下形成的速度場分布差異是造成沉砂池效能差異的主要原因。

（3）旋流沉砂池兼具一定的SS去除效能和有機(jī)物分離效能。導(dǎo)流板的存在對于旋流沉砂池中有機(jī)物分離效率的影響主要體現(xiàn)在沉砂效率的變化上，不影響污水后續(xù)的生化處理。低速系統(tǒng)下，導(dǎo)流板的存在有利于SS的去除。旋流沉砂池對于VFAs完全無去除作用，不影響后續(xù)生化處理的厭氧釋磷和缺氧反硝化效果。