数值模拟技术在二沉池设计中的应用

李剑波

(上海建瓴工程咨询有限公司,上海 200032)

常规污水处理中,沉淀池是利用固液两相之间的密度差,通过重力沉淀作用,使密度大于液相的固相下沉,实现固液分离,从而达到去除水中悬浮物目的的水处理构筑物。根据沉淀池在处理流程中的位置可分为初次沉淀池和二次沉淀池。初次沉淀池位于生物处理构筑物之前,主要作用为减少进水中大颗粒悬浮物的含量。二次沉淀池作为生物处理工艺的一部分,通常设在生物处理构筑物之后。二次沉淀池在生物处理工艺中的作用主要是沉淀和浓缩污泥。通过沉淀作用实现泥水分离,保证出水中的悬浮物浓度达到排放要求;同时通过污泥浓缩保证回流污泥的浓度,维持生物处理构筑物中活性污泥的浓度,保证生物处理系统稳定运行。并且由于水量和水质的变化,还要暂时贮存污泥[1]。二沉池的运行状况对整个污水处理系统的处理效果有重要影响。沉淀池中的水流特性对泥水分离的效果有很大影响。

1 二沉池水流特性

沉淀池内的水流特性对活性污泥颗粒的絮凝和沉淀过程都有影响[2]。因此,在沉淀池实际工作的过程中,池内流体的流态以及流体结构对沉淀池中的泥水分离和浓缩效果有着很直接的影响[3]。沉淀池实际运行过程中短流、异重流和死水区等水力现象的出现不利于沉淀池功能的有效发挥。

进入沉淀池的水流,在池中停留的时间不同,一部分水的停留时间小于理论停留时间,而另一部分水的停留时间大于设计停留时间,这种停留时间不同的现象称为短流。由于短流的存在,一部分进水的停留时间缩短,不能在沉淀池内有效沉淀,降低了沉淀池内悬浮物去除效率;另一部分的停留时间可能过长,减少了沉淀池的有效容积。高流速进水的惯性作用、出水堰口负荷过大导致的水流抽吸作用、沉淀池表面大风影响,以及沉淀池内存在的柱子、导流壁和刮泥设备等都可能引起沉淀池内的短流。

由于进水密度与沉淀池内流体密度的差异导致的异重流是使沉淀池实际流态偏离理想流态的又一个重要因素[4]。由于二次沉淀池进水含有大量的活性污泥,其密度高于沉淀池内的流体的密度,进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。由于浓度异重流出现在池底污泥成层附近,因此当进水流量增大时,可能会导致污泥层中颗粒的二次悬浮,使得沉淀池出水悬浮物浓度增加。进水温度与沉淀池内流体的温度差异也会导致异重流的产生[5]。当进水温度与沉淀池内流体的温度存在差异时,会影响沉淀池内的混合特性,导致由密度差引起的分层作用和混合不佳。Wells和 LaLiberte发现当进水温度与沉淀池内主体温度相差 1℃时就会引起异重流的产生。Zhou和Mchmood等[6]对沉淀池内的密度流进行了数值模拟,发现 0.2℃的温度差也可以导致异重流。Wells和 LaLiberte[7]研究发现若沉淀池内悬浮物浓度高时,较高温度的进水不能改变异重流的方向,在进水区悬浮颗粒将温度较高的进水保持在池底。当底流到达池壁附近时,大部分的悬浮颗粒已经通过沉淀去除,并且由于底流的水温较高,加速了沿池壁附近的浮力流,增加了被浮力流夹带的悬浮颗粒的量,恶化了出水水质。

2 二沉池数值模拟

传统的沉淀池设计对沉淀池内的水力特性考虑不多,主要是基于理想沉淀池的假设 (水流在池内沿水平方向作等速运动;颗粒处于自由沉淀状态,颗粒的水平分速度等于水平流速;颗粒沉到池底即被认为去除)[8],通过静置沉淀实验得到颗粒沉速与悬浮物去除率的关系曲线和固体通量曲线,根据排水水质要求确定最经济的沉淀池表面负荷。在实际工程中,仍多采用经验数据和公式[9]。设计参数范围较宽,参数选择经验性较强,没有精确计算,不能保证沉淀池内的水力混合状态,无法对其运行效果进行准确预测,一旦参数略有差异,可能对沉淀池的水力混合过程和处理效果造成较大的影响[10]。并且由于沉淀池的设计以理想沉淀池为前提,而实际运行的沉淀池内的异重流、短流、漩涡以及一些死水区会导致池内流态与理想流态的偏离[11,12];进水口和沉淀池内结构设计的不同也会极大影响到沉淀池内的流态,形成短流和死水区等会降低沉淀池内有效容积的流态,导致沉淀池的实际运行状况与理想沉淀池偏差较多,并且会导致运行效率的降低。

计算流体力学模型作为一种较为成熟的数值模拟技术,已广泛应用于处理构筑物在设计条件下的流动特性和行为的研究。计算流体力学以基本流体力学原理为基础,沉淀池几何体被分成许多小单元(网格),以网格形式描述问题,并建立每个网格单元质量、动量、能量和固体浓度方程。通过这种数值模拟,可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量 (如速度、压力、温度、物质浓度等)的分布,以及这些物理量随时间的变化情况[13]。这使研究沉淀池流体在设计条件下的流动特性和行为成为可能,为预测沉淀池的运行效果和结构的改进提供了一种有效手段。国外对二沉池的流场和悬浮物的浓度场的研究始于 20世纪 80年代[14]。根据沉淀池所模拟的空间特征,沉淀池的模拟可分为：一维、二维和三维模拟。

2.1 一维通量模型

二沉池一维模型(一维通量模型),以 Kynch提出的固体通量理论为基础的[15,16],该模型假定沉淀池内同一水平断面处悬浮颗粒浓度相同。固体通量假设污泥重力沉降速率由污泥浓度决定,因而固体重力沉降通量取决于污泥浓度和污泥重力沉降速率。Bryan[17]基于连续方程最早提出了一维通量模型,Stenstrom[18]将它用于污泥的浓缩过程,Vitaso-vic将其扩展到整个二沉池。一维通量模型的一般形式如下：

式中：F(X,z,t)为固体通量;s(z,t)为源项 (单位时间、单位距离进入沉淀池的污泥质量);δ为控制函数,数值取 1或 0。

Dick[16]提出了利用固体通量分析法确定二沉池面积的方法。从 20世纪 90年代开始,一维通量模型的研究取得了一些具有代表性的成果,在模型的研究过程中考虑了不同沉淀形式[19～24]、沉淀池内异重流和短流对模型的影响[19]。尽管已经有相当数量的一维通量模型提出来,但至今仍没有一个模型可以有效且准确的实现对二沉池出水中悬浮固体浓度、污泥层高度以及污泥总质量的预测模拟[25]。并且由于一维通量模型忽略了水平流速和悬浮颗粒的浓度梯度,只模拟了竖直方向的沉淀过程,因此需要更能反映沉淀池实际情况的模型[26]。

2.2 二维和三维模型

二维和三维模型可以模拟沉淀池内部流态及物质的输移过程。可用于分析评价沉淀池内部结构改造对沉淀池内流场和沉淀过程的影响。由于沉淀池的二维和三维模型的模拟过程符合基本的守恒定律(质量守恒、动量守恒和能量守恒)。由于悬浮固体在二次沉淀池中的迁移运动受湍流影响较大,二维和三维模型还需要满足湍流动能守恒方程和湍流动能耗散速率方程。沉淀池的二维和三维模型可显示二次沉淀池内的流场,可用于模拟不可校验流态。但是由于沉淀池二维和三维模拟所需要的计算量很大,不能应用在控制系统中。沉淀池二维和三维模拟按照模拟流体的对象大致可分为三种模型：模拟二沉池液相或悬浮物流动的模型 (简称单相流模型)、模拟固液两相混合物流动的模型(简称混合模型)和分别模拟固液两相流动的双流体模型 (简称两相流模型)[14]。

2.2.1 拟单相流模型

拟单相流模型把固液两相作为单相处理,悬浮颗粒作为流体中的组分随流体运动,其扩散与流体组分的扩散相同,不考虑流体与悬浮颗粒之间的滑移。拟单相流模拟仅适用于颗粒粒径足够小,浓度足够大或者固液两相密度接近的。拟单相流模型可分为水流模型和悬浮物模型。水流模型的的控制方程如下：

式中:R为雷诺数;ω和Ψ分别为渦量和流函数。

悬浮物模型的浓度扩散方程如下:

式中：C为悬浮物浓度;Vs为颗粒的沉降速度; Sh为斯密特数。

郑迪采用非结构网格中的三角形网格对平流式二沉池进行了划分,假定沉淀池内流体为单相的不可压流体,采用计算精度比较高的标准 k-ε湍流模型,使用二维定常离散求解器和隐式离散方程对不同进水口形式及整流形式的平流式二沉池进行了模拟。对于有挡板的形式,由于进水挡板的阻挡作用,防止了沉淀池内断流的发生,降低了沉淀池断面总动能和湍流强度,但在挡板后形成了一个以上的大漩涡,对沉淀极为不利。

张明星[27]采用基于 k-ε湍流模型的三维非稳态拟单相流模型,充分考虑了固液两相间的相互作用(相间曳力、横向升力、虚拟质量力、分散相体积分数以及两相间密度差)的影响,对平流式二沉池进行了模拟。结果表明,二沉池内速度分布是不均匀的。在沉淀池进水区,由于高密度悬浮固体的引入产生了异重流,流体水平进入二沉池后在挡板的作用下改变方向,下沉到沉淀池底部,形成底流。在进水口下方和污泥斗上方分别形成了两个回流区。平流式二沉池沿宽度方向的速度分布是不均匀的,水面附近的流体是由中心分别向两边壁流动的。对辐流式二沉池的模拟结果表明,池内切向速度分布是不均匀的,切向速度在进口高度上较其他高度处变化明显,并且形成了明显的成层流。通过对不同进口挡板长度二沉池的模拟,得到了悬浮物去除率与进口挡板长度之间的函数关系。

2.2.2 混合模型

混合模型[3,28,29]是一种简化的多相流模型,用于模拟各相有不同速度的多相流,但是假定了在短空间尺度上局部的平衡,来求解混合相的连续性方程、动量方程和能量方程,第二相的体积分率以及滑移速度和漂移速度。当存在大范围的颗粒相分布或者界面规律未知或其可靠性有疑问时,混合模型是多相流模型的很好替代,其典型应用包括沉降和旋风分离器。混合模型中通常需要的是混合物的性质,在混合模型中密度和速度的计算公式如下：

屈强等[30]采用改进的RNG(重整化群)k-ε两方程紊流模型和混合模型,对辐流式二沉池内的流场和污泥浓度分布进行了数值模拟。研究结果表明沉淀池表面和底部存在两个回流区,池内存在明显的泥水界面和压缩界面,污泥层中大部分是等质量浓度的成层沉淀区,沉淀池最底部是质量浓度较高的压缩层。模拟结果与实验结果拟合较好。

2.2.3 两相流模型

两相流模型,即分别模拟固液两相流动的双流体模型。两相流模型中每一相均被看做是充满整个流场的相互贯穿的介质,颗粒相是与流体相相互渗透的拟流体,对每一相建立质量、动量和能量守恒方程,并对每相之间建立紊流传递方程。两相流模型适用于气泡柱、上浮、颗粒悬浮和流化床的模拟。

郭生昌[31]等利用 Fluent6.0中专门的 “多相欧拉模型”,考虑了固体间的剪切应力,对不同挡板长度、不同挡板位置、不同颗粒尺寸、不同颗粒密度、不同流量下沉淀池内的流场和浓度场进行了模拟、计算和分析。发现在紊流条件下,如果挡板设置的位置和淹没的深度不合适,会增加沉淀池内部的回流区域,减少沉淀池的有效停留时间,从而降低固体的沉降效果,并且不设挡板的流场比带挡板的流场存在更大的回流区域;在固体颗粒尺寸很小的情况下,增加颗粒密度对沉淀效果无明显影响;在固体颗粒一定的情况下,固体颗粒越大,其受沉淀池流场紊动的影响越小;可以通过适当减少进口流量,来提高固体颗粒的沉降效果。不同模型适用性及优缺点的比较见下表。

表 不同模型适用性及优缺点的比较Tab. Comparison of differentmodels

3 结 语

传统的污水处理工艺流程二沉池的运行状况对整个处理系统的处理效果有重要影响。沉淀池内的水流特性会影响活性污泥颗粒的絮凝和沉淀过程,一定程度上决定了沉淀池的泥水分离和浓缩效果。沉淀池运行中存在的短流会减少活性污泥颗粒的沉淀时间和沉淀池的有效容积,降低沉淀池悬浮物去除效率;由于密度差导致的异重流会冲击污泥层,加速池壁附近的浮力流,导致已沉污泥的二次悬浮。

传统的沉淀池设计基于理想沉淀池假设和静置沉淀实验,对池内的水力特性考虑不多,设计参数的选择范围宽,选择经验性强,不能确保沉淀池内的水力混合状态。沉淀池进、出水口和其内部结构的设计对沉淀池内流态有极大的影响,导致池内流态与理想沉淀池偏差较多。计算流体力学作为一种较为成熟的数值模拟技术,已广泛应用于水处理构筑物在设计条件下流动特性和行为的研究,为预测沉淀池的运行效果和结构改进的效果提供了一种有效手段。但是目前对二沉池的计算流体力学模拟没有考虑污泥絮凝、污泥压缩沉淀对污泥颗粒性质的改变;并且主要是针对结构简化后的沉淀池的流态模拟,没有考虑刮泥机对沉淀池流态的影响。因此,如何在二沉池的计算流体力学模拟过程中增加污泥颗粒间的絮凝和压缩作用模拟,考虑刮泥机对沉淀池流态的影响将会成为二沉池数值模拟的发展方向。

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