李劍波

(上海建瓴工程咨詢有限公司,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)的水流特性對活性污泥顆粒的絮凝和沉淀過程都有影響[2]。因此,在沉淀池實(shí)際工作的過程中,池內(nèi)流體的流態(tài)以及流體結(jié)構(gòu)對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)間可能過長,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)就會引起異重流的產(chǎn)生。Zhou和Mchmood等[6]對沉淀池內(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;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)系曲線和固體通量曲線,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),沒有精確計(jì)算,不能保證沉淀池內(nèi)的水力混合狀態(tài),無法對其運(yùn)行效果進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測,一旦參數(shù)略有差異,可能對沉淀池的水力混合過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)格形式描述問題,并建立每個(gè)網(wǎng)格單元質(zhì)量、動量、能量和固體濃度方程。通過這種數(shù)值模擬,可以得到極其復(fù)雜問題的流場內(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)條件下的流動特性和行為成為可能,為預(yù)測沉淀池的運(yùn)行效果和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供了一種有效手段。國外對二沉池的流場和懸浮物的濃度場的研究始于 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,但至今仍沒有一個(gè)模型可以有效且準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對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)的輸移過程?？捎糜诜治鲈u價(jià)沉淀池內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造對沉淀池內(nèi)流場和沉淀過程的影響。由于沉淀池的二維和三維模型的模擬過程符合基本的守恒定律(質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒)。由于懸浮固體在二次沉淀池中的遷移運(yùn)動受湍流影響較大,二維和三維模型還需要滿足湍流動能守恒方程和湍流動能耗散速率方程。沉淀池的二維和三維模型可顯示二次沉淀池內(nèi)的流場,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象大致可分為三種模型：模擬二沉池液相或懸浮物流動的模型 (簡稱單相流模型)、模擬固液兩相混合物流動的模型(簡稱混合模型)和分別模擬固液兩相流動的雙流體模型 (簡稱兩相流模型)[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,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)嗝婵倓幽芎屯牧鲝?qiáng)度,但在擋板后形成了一個(gè)以上的大漩渦,對沉淀極為不利。

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的。對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。通過對不同進(jìn)口擋板長度二沉池的模擬,得到了懸浮物去除率與進(jìn)口擋板長度之間的函數(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,來求解混合相的連續(xù)性方程、動量方程和能量方程,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,對輻流式二沉池內(nèi)的流場和污泥濃度分布進(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的雙流體模型。兩相流模型中每一相均被看做是充滿整個(gè)流場的相互貫穿的介質(zhì),顆粒相是與流體相相互滲透的擬流體,對每一相建立質(zhì)量、動量和能量守恒方程,并對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中專門的 “多相歐拉模型”,考慮了固體間的剪切應(yīng)力,對不同擋板長度、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)的流場和濃度場進(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)置的位置和淹沒的深度不合適,會增加沉淀池內(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)擋板的流場比帶擋板的流場存在更大的回流區(qū)域;在固體顆粒尺寸很小的情況下,增加顆粒密度對沉淀效果無明顯影響;在固體顆粒一定的情況下,固體顆粒越大,其受沉淀池流場紊動的影響越小;可以通過適當(dāng)減少進(jìn)口流量,來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

傳統(tǒng)的污水處理工藝流程二沉池的運(yùn)行狀況對整個(gè)處理系統(tǒng)的處理效果有重要影響。沉淀池內(nèi)的水流特性會影響活性污泥顆粒的絮凝和沉淀過程,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)條件下流動特性和行為的研究,為預(yù)測沉淀池的運(yùn)行效果和結(jié)構(gòu)改進(jìn)的效果提供了一種有效手段。但是目前對二沉池的計(jì)算流體力學(xué)模擬沒有考慮污泥絮凝、污泥壓縮沉淀對污泥顆粒性質(zhì)的改變;并且主要是針對結(jié)構(gòu)簡化后的沉淀池的流態(tài)模擬,沒有考慮刮泥機(jī)對沉淀池流態(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)對沉淀池流態(tài)的影響將會成為二沉池?cái)?shù)值模擬的發(fā)展方向。

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