張志政， 鄢俊波， 雷 蓓， 田 歡

(西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

1 研究背景

氧化溝是活性污泥法的一種變形，自從1954年在荷蘭投入使用以來，它因為具有構(gòu)造簡單、運行穩(wěn)定、管理方便等技術(shù)優(yōu)點，在城市污水處理系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用[1]。然而，近些年來，隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，用地緊張、能源浪費等問題越來越嚴重，傳統(tǒng)氧化溝占地面積大、能耗高、不經(jīng)濟等缺點成為制約其進一步發(fā)展的關(guān)鍵問題。為了解決這一問題，國內(nèi)外學(xué)者開始研發(fā)各種新型一體化氧化溝。其中，夏世斌等[2]開發(fā)了一種立體循環(huán)一體化氧化溝(IODVC)，這種裝置由曝氣轉(zhuǎn)刷、底部推流器、上下兩層溝道及沉淀區(qū)組成。下溝道與空氣隔絕能形成厭氧區(qū)，并且可以實現(xiàn)污泥的自動回流，無需單獨建造二次沉淀池。在該裝置中，隔板將主溝分成上下兩個流道，由表面轉(zhuǎn)刷和底部推流裝置提供動力，泥水混合液在上下循環(huán)過程中完成有機物降解過程和生物脫氮除磷。

氧化溝的流場特性取決于多種因素，包括氧化溝的類型、曝氣裝置、推流器的相對位置與開啟工況、彎道導(dǎo)流墻及后置導(dǎo)流板設(shè)置方式等[3]。國內(nèi)外已有大量學(xué)者利用計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)對氧化溝流場特性這一課題進行了長期的研究工作，并取得的大量的研究成果[4]。李媛[5]利用CFD技術(shù)對圓形奧貝爾氧化溝進行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：即使氧化溝設(shè)計流速為0.3m/s，也存在污泥沉降的可能性。認為環(huán)形氧化溝內(nèi)側(cè)是污泥沉積危險區(qū)，可通過抬高池底、降低轉(zhuǎn)碟位置以及在水下安裝推動器等措施來改善。許丹宇等[6]采用CFD數(shù)值計算和體視PIV測試相結(jié)合的方法研究了卡魯塞爾氧化溝的流場特性，發(fā)現(xiàn)：縱、垂兩向的流動分布是決定溝內(nèi)水力特性的主要因素；橫、垂兩向的流動是決定污泥沉積位置的主要因素；彎道段受橫比降和橫向環(huán)流的影響，內(nèi)側(cè)容易形成低速區(qū)或停滯區(qū)而發(fā)生污泥沉積。Thakre等[7]通過改變表面曝氣機的速度、浸沒深度及葉片扭轉(zhuǎn)角度等關(guān)鍵參數(shù)，研究了不同工況下氧化溝內(nèi)的氧氣傳質(zhì)系數(shù)。陳光等[8]采用多參考系模型，對比分析了不同曝氣功率、不同曝氣機葉片形狀的曝氣機運行時氧化溝內(nèi)的流場，認為機翼型葉片對水流的混合推動力最大，效率最高。魏文禮等[9]采用VOF法捕捉自由液面，模擬分析了氧化溝流場特性，并與實測數(shù)據(jù)進行了比較，驗證了模型的準確性。劉玉玲等[10]采用氣液兩相流模型研究了水下推流轉(zhuǎn)輪半徑的大小對氧化溝內(nèi)流場的影響，研究結(jié)果表明：當(dāng)轉(zhuǎn)輪半徑與氧化溝彎道直徑的比值為0.218時，氧化溝中流速大于0.3m/s的流體區(qū)域占整個流體區(qū)域的百分比相對較大，并且此時在氧化溝直道中回流區(qū)域的長度最小。唐瑜謙等[11]建立推動器三維數(shù)學(xué)模型，結(jié)合實測數(shù)據(jù)對水下推流器作用下的氧化溝流場進行了分析，發(fā)現(xiàn)：水下推動器單獨作用下的氧化溝直道流速三維變化明顯，在距推動器較遠處，液流流速以斷面分布均勻的縱向流速為主，受環(huán)流影響逐漸減小，旋轉(zhuǎn)趨勢逐漸減弱；楊寧等[12]采用RNGk-ε兩方程模型對加裝導(dǎo)流板時IODVC溝道中的流場特性進行了模擬，發(fā)現(xiàn)雙導(dǎo)流板比單導(dǎo)流板對流場的優(yōu)化效果更好，將導(dǎo)流板末端適當(dāng)延長效果更佳，并且可以更好地改善彎道斷面和彎道出口斷面的混合液流態(tài)。

目前，有關(guān)氧化溝的數(shù)值模擬研究，大部分是以傳統(tǒng)氧化溝作為研究對象，對于各種新型的氧化溝仍停留在依靠大量的實驗之上，耗時耗力，且缺乏可靠的設(shè)計參數(shù)，而這些新型氧化溝在結(jié)構(gòu)設(shè)計上和傳統(tǒng)氧化溝具有較大的差異，使其流場特性有獨特之處，需要采用特定的結(jié)構(gòu)簡化方式進行數(shù)值模擬分析。因此，本文以上下循環(huán)流動的IODVC為研究對象，采用RNGk-ε兩方程模型，對其進行二維單相流數(shù)值模擬。重點分析IODVC中容易發(fā)生污泥淤積的區(qū)域，提出可能的改進方式；研究底部推流裝置對整個流場特性的影響，并且得出推流器的最佳安裝方式，旨在為IODVC的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和實際工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 計算域與網(wǎng)格劃分

利用FLUENT前處理軟件GAMBIT建立立體循環(huán)一體化氧化溝幾何模型。所得到的IODVC幾何模型如圖1所示，該反應(yīng)器由主溝道和右側(cè)的沉淀分離器組成。主溝長2.24m，寬0.54m，有效水深0.56m，反應(yīng)器超高0.1m，有效容積650L；隔板安裝高度0.28m，在隔板兩側(cè)有半圓形導(dǎo)流板，導(dǎo)流板半徑0.14m。沉淀分離器長0.56m，有效容器165L。在距主反應(yīng)器左側(cè)邊界0.56m處有曝氣轉(zhuǎn)刷裝置提供生化反應(yīng)所需要的溶解氧，同時起到一定的推流作用，共8枚葉片，直徑0.1m，工作轉(zhuǎn)速0.25rad/s，葉片淹沒深度0.03m。在反應(yīng)器底部彎道處有推流裝置，是混合液循環(huán)流動的重要保證，安裝高度0.025m，葉片直徑0.05m。本文將反應(yīng)器處于有效水深時，混合液所占空間作為計算域，同時轉(zhuǎn)刷裝置只取其浸沒在水中的部分。

對于網(wǎng)格劃分，由于不同的計算域上流場的復(fù)雜性有很大差異，因此采用分區(qū)劃分網(wǎng)格的方法。網(wǎng)格劃分情況：轉(zhuǎn)刷曝氣區(qū)域采用間隔尺寸為2.5mm的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格；對靜止區(qū)域分區(qū)劃分網(wǎng)格，轉(zhuǎn)刷和推流裝置附近的網(wǎng)格進行加密處理，采用間隔尺寸為5mm的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，其余靜止區(qū)域采用間隔尺寸為10mm的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格。網(wǎng)格總數(shù)為53×104個，在該設(shè)計模型尺寸上基本能滿足計算和實際要求。

圖1 IODVC幾何模型圖(單位：mm)

2.2 數(shù)學(xué)模型

RNGk-ε湍流模型是在標(biāo)準k-ε湍流模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，通過在大尺度運動和修正后的黏度項體現(xiàn)小尺度的影響，而使這些小尺度運動有系統(tǒng)地從控制方程中去除。主要參數(shù)為紊動動能k和紊動耗散率ε，它具有合理的穩(wěn)定性、高效性和計算精度，廣泛運用于工程流場模擬中。本文采用RNGk-ε湍流模型對IODVC進行數(shù)值模擬分析。

2.3 邊界條件與求解方法

郭麗莎[13]利用氣液兩相流模型及污水-污泥兩相模型對氧化溝進行模擬時發(fā)現(xiàn)，污泥相的分布對氧化溝流速特性的影響不大，所以本文將混合液作為單一的均勻流體處理，并且以水作為流體材料。利用剛蓋假設(shè)模擬自由液面，忽略水面的波動，設(shè)置為movingwall，與附近區(qū)域流體相對速度為零。將多重參考系MRF模型應(yīng)用于轉(zhuǎn)刷區(qū)域的計算，在轉(zhuǎn)刷半徑范圍內(nèi)建立獨立的旋轉(zhuǎn)參考系，定義旋轉(zhuǎn)中心和旋轉(zhuǎn)速度，并且定義葉片為movingwall，葉片與旋轉(zhuǎn)區(qū)域的相對速度為零。利用風(fēng)扇模型模擬底部推流器的作用，假設(shè)為無限薄的理想推流器，壓強通過時會有一個躍升，使混合液獲得軸向速度，壓強躍升值設(shè)定為一個固定值，與推流器功率有關(guān)[14]。入口邊界采用速度進口，假定速度、湍動能、耗散率在入口邊界上均勻分布，速度大小為0.25m/s。出口邊界條件對于氧化溝的流場結(jié)構(gòu)影響不大，設(shè)置成pressureflow。立壁和池底均設(shè)為wall，使用標(biāo)準壁面函數(shù)進行近壁區(qū)的模擬。

本文采用有限體積法對封閉方程組進行離散化處理，壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法。運行環(huán)境為標(biāo)準大氣壓，考慮流體重力的影響，重力加速度為9.81m/s2。

3 結(jié)果分析與優(yōu)化

3.1 模型可行性分析

楊寧等[15]采用RNGk-ε兩方程模型對IODVC流場進行了單向流模擬分析，并與實驗室1∶1實驗裝置實測數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，流速實測值與模擬值之間有較好的吻合度，相對誤差僅約9.3%，該數(shù)值模型對于IODVC流場具有較高的模擬準確性。本文IODVC幾何模型與之類似，邊界條件模擬方法相近，在實驗條件不具備的情況下采用相同的數(shù)值模型進行模擬。認為該模型亦能較為準確地反映本文中IODVC真實流場特性，為后續(xù)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析奠定基礎(chǔ)。

3.2 IODVC流場的模擬與分析

通過模擬計算，得到了如圖2所示的IODVC流場速度分布云圖。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，受表面曝氣轉(zhuǎn)刷和底部推流器的影響，混合液在主溝道外側(cè)混合推流效果良好，混合液整體流速較大，有利于生物處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。但是，溝道內(nèi)流速分層比較明顯，上溝道流速上高下底，而下溝道流速上低下高，并且在靠近中央隔板的溝道內(nèi)側(cè)大部分區(qū)域內(nèi)流速較低，特別是中央隔板下部較大區(qū)域內(nèi)，極易形成低速回流區(qū)，造成污泥淤積現(xiàn)象，影響處理效果。

一般認為，為了獲得良好的生化處理環(huán)境，氧化溝中混合液循環(huán)流動的最小速度應(yīng)控制在0.15m/s，而為了進一步防止污泥淤積，溝道內(nèi)混合液平均流速應(yīng)大于0.25m/s[16]。通過統(tǒng)計分析，溝道內(nèi)混合液流速大于0.25m/s的區(qū)域僅占總計算域的30.53%，而小于0.15m/s的區(qū)域約占40.51%，不利于生化反應(yīng)的進行。在中央隔板附近區(qū)域，特別是隔板與彎道交接處，流速低于0.1m/s，并且發(fā)生明顯的回流現(xiàn)象，回流區(qū)域較長，不利于混合液在溝道中的循環(huán)推流。另外，在表面曝氣轉(zhuǎn)刷后端靠近自由水面區(qū)域流場比較混亂，伴有漩渦產(chǎn)生，易形成流速死角。在右側(cè)彎道出口導(dǎo)流墻末端區(qū)域也形成了大范圍的流速停滯區(qū)。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于：在氧化溝工藝中，由于彎道的存在，使得水流在該處同時受重力和離心慣性力的作用，底層流速低、表層流速高的混合液由直段進入彎道后，流動方向發(fā)生急劇變化，在氧化溝彎道的橫斷面上形成環(huán)形流動，使得彎道內(nèi)外側(cè)流速分布不均，常常存在流速死角，形成一定的滯留區(qū)，不利于生物處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[3]。在本文中，污泥淤積危險區(qū)主要在溝道內(nèi)側(cè)，特別是隔板下部區(qū)域。為了研究IODVC彎道流速分布規(guī)律，分別在兩側(cè)彎道進出口以及彎道處設(shè)置了6個流速監(jiān)測斷面(如圖1所示)，重點分析彎道流速分布情況對污泥淤積的影響，模擬結(jié)果如圖3所示。

由圖3(a)、3(b)可知，受表面曝氣轉(zhuǎn)刷淹沒深度的影響，右側(cè)彎道進口(J1)流速上高下低，下部流速低于0.20m/s，下部混合液進入彎道內(nèi)側(cè)(圖1中W1位置)后，在重力和彎道離心慣性力的共同作用下，流速趨于均勻化，在0.10～0.15m/s之間，整體流速進一步降低；另外，上部高速流體進入彎道后，流速在0.30～0.35m/s之間，與內(nèi)側(cè)流速差異較大。另一方面，由圖3(d)、3(e)可知，受底部推流裝置安裝高度的影響，左側(cè)彎道進口(J2)底部流速遠大于上部流速，尤其在靠近隔板區(qū)域，流速不足0.1m/s，這樣導(dǎo)致左側(cè)彎道處(圖1中W2位置)內(nèi)側(cè)形成大范圍的低速區(qū)，流速在0.10～0.15m/s之間，極易發(fā)生污泥淤積。由圖3(c)、3(f)可知，混合液經(jīng)過彎道之后(圖1中C1、C2位置)，底部流速過低，并且斷面流速分布變化越來越大，在右側(cè)隔板下部區(qū)域和左側(cè)隔板上部區(qū)域會形成較長的低速回流區(qū)，并且右側(cè)回流區(qū)更長，約為左側(cè)的3倍，不利于混合液在反應(yīng)器里面的推流與混合，影響處理效果。本文中，轉(zhuǎn)刷曝氣裝置和底部推流器為混合液的循環(huán)上下流動提供動力來源。右側(cè)彎道流速分布受上部轉(zhuǎn)刷曝氣裝置影響較大，可以考慮在轉(zhuǎn)刷后置擋流板，均化斷面流速分布，為右側(cè)彎道提供良好的進口環(huán)境；而左側(cè)彎道流速分布與隔板底部形成的大

范圍低速回流區(qū)與底部推流器的安裝方式有關(guān)。因此本文從改善彎道流速分布狀況，縮短回流區(qū)長度和提高溝道高速流體區(qū)域所占百分比出發(fā)，研究底部推流器的最佳安裝高度和安裝位置。

圖2 流場速度分布云圖

圖3 監(jiān)測斷面流速分布

3.3 推流器安裝方式優(yōu)化

為分析推流器安裝高度對IODVC流場的影響及合理的安裝位置，本文將推流器不同軸心安裝高度、距離左側(cè)彎道距離等工況設(shè)置如表1所示。采用上述數(shù)值模擬方法，對IODVC在各種推流器安裝方式下進行數(shù)值計算。

本文將每種情況下混合液流速大于0.25m/s的區(qū)域所占百分比P作為統(tǒng)計分析的一個變量，將推流器軸心安裝高度y與下溝道水深h的比值y/h作為另一變量，并繪制其關(guān)系圖如圖4所示。定義P在最大值時對應(yīng)的y/h為最佳安裝高度比。

由圖4(a)可知，在推力器距左側(cè)彎道1.48m的情況下(B工況)，當(dāng)安裝高度比為y/h=0.18時，高速流體區(qū)域所占百分比最大，為56.63%。隨著安裝高度比的增加，P值逐漸降低，當(dāng)y/h=0.39時，混合液流速大于0.25m/s的區(qū)域僅占28.05%。

表1 推流器安裝方式組合

這主要是由于推流器安裝過高后，導(dǎo)致左側(cè)溝道底部，特別是在彎道外側(cè)區(qū)域缺乏動力來源，成為新的污泥淤積危險區(qū)，并且推流器安裝太高會增加實際施工難度，不利于運行維護。

同時，分析圖4(a)中推流器距左側(cè)彎道距離L=1.28、1.08、0.88m(C、D、E工況)條件下的P與y/h的關(guān)系圖也可以發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)安裝高度比均為0.18，但是相對應(yīng)的P值存在明顯的差異，流場特性受推力器安裝距離影響較大。如圖4(b)為在保持相同安裝高度比0.18時，高速流體所占百分比P與安裝距離L的關(guān)系。分析圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，推流器安裝在右側(cè)彎道內(nèi)時，P值最小，推流效果最差；當(dāng)推流器距左側(cè)彎道1.28m時，P達到最大值為62.53%，推流效果最佳；隨著推流器向左側(cè)彎道靠近，P值開始呈現(xiàn)下降趨勢。這主要是由于推流器靠近左側(cè)彎道后，使得底部高速混合液迅速經(jīng)外彎道流過，向上部擴散的距離縮短，進一步加劇了內(nèi)側(cè)彎道的污泥淤積。同時，推流器遠離右側(cè)彎道后，使得沉淀分離器與主反應(yīng)池交界處流速梯度減小，不利于污泥的自動回流，影響生化處理效率。

圖4 推流器安裝方式與高速流體所占百分比的關(guān)系圖

綜上所述，可以得出推流器最佳安裝高度比y/h=0.18，最佳安裝位置距左側(cè)彎道1.28m，與隔板長度之比為3∶4，即在隔板左端起3/4處。

3.4 優(yōu)化條件下IODVC流場模擬與分析

按上述最優(yōu)方式設(shè)置推流器后進行模擬計算得到流場速度分布云圖見圖5，統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，在該條件下流場中混合液速度大于0.25m/s的區(qū)域約占62.53%，流速小于0.15m/s的區(qū)域僅占16.37%。推流效果相比優(yōu)化前有了顯著的提高。

圖5 優(yōu)化后流場速度分布云圖

比較圖2與圖5可知，底部推流器安裝位置經(jīng)過優(yōu)化后，中央隔板底部低速回流區(qū)域范圍明顯減少，溝道內(nèi)側(cè)污泥淤積危險區(qū)域范圍縮??；導(dǎo)流墻末端混合液流動良好，彎道處流速分布更加均勻，并且溝道外側(cè)高速混合液的推流作用也得到了一定的增強。證實合理布置底部推流器的安裝方式能有效改善流場穩(wěn)定性，從而提高處理效率。

進一步比較優(yōu)化前后流場速度分布的變化，如圖6所示。從圖6(a～d)可以看出，經(jīng)優(yōu)化之后，右側(cè)彎道出口處上部低速流體速度有所增加，底部高速流體速度有所減小，斷面速度分布更趨均勻化，流速低于0.25m/s區(qū)域僅占1/3，有利于縮小回流區(qū)范圍。左側(cè)彎道出口流速分布變化較小，主要是由于斷面離表面轉(zhuǎn)刷較近，受其淹沒深度影響大，可以通過研究轉(zhuǎn)刷最佳淹沒深度或后置擋流板均布流速進行調(diào)整。兩端彎道內(nèi)外側(cè)流速都有所增加(圖1中W1、W2位置)，特別是右端彎道內(nèi)側(cè)流速在0.18～0.25m/s之間，增加幅度較大，可以防止污泥淤積，滿足循環(huán)流動的需要。

4 結(jié) 論

本文采用CFD技術(shù)基于FLUENT6.3.26平臺，對IODVC進行了二維單相流模擬，重點研究了底部推流器設(shè)置方式對流場特性的影響，得出：

(1)中央隔板底部及左側(cè)上部附近區(qū)域是污泥淤積危險區(qū)，極易形成流動死角，可以通過增加兩側(cè)導(dǎo)流墻偏心距縮短回流區(qū)的長度。

(2)右側(cè)彎道流速分布受表面轉(zhuǎn)刷影響較大，可以嘗試調(diào)整淹沒深度或后置擋流板均布流速進行優(yōu)化；左側(cè)彎道和中央隔板底部流速分布主要受推流器的影響，合理布置推流器安轉(zhuǎn)方式可有效改善IODVC流場特性。

圖6 優(yōu)化前后監(jiān)測斷面速度分布對比

(3)底部推流器設(shè)置在彎道處會使彎道流場更加混亂，將其安裝于直段上推流效果更加，并且可以改善彎道流速分布，有效減少污泥淤積危險區(qū)域，提高反應(yīng)器處理效率。

(4)推流器最佳安裝高度比y/h=0.18，最佳安裝位置距左側(cè)彎道1.28m，于直段約3/4處。在此條件下，反應(yīng)器循環(huán)推流效果最佳，污泥低速沉積區(qū)域范圍最小。建議實際工程應(yīng)用設(shè)計前，可以在此基礎(chǔ)上對反應(yīng)器進行數(shù)值模擬分析，以保證設(shè)計方案的合理性與高效性。

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