徐 瑩

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

氧化溝是活性污泥法的一種改良技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，依靠表面曝氣機(jī)械和水下推動裝置對混合液進(jìn)行充氧、攪拌和推流[1]，混合液在溝道中不斷循環(huán)流動的過程中完成有機(jī)物的去除和脫氮除磷，具有污染物去除率高、出水水質(zhì)好、運(yùn)行工況穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已成為國內(nèi)外城鎮(zhèn)污水處理廠的主選工藝之一[2]。

氧化溝是經(jīng)濟(jì)高效的污水生物處理技術(shù)之一，但存在占地面積大的問題，因此在用地緊張的國家和地區(qū)應(yīng)用受到限制[3]。一體化氧化溝在減少占地面積和降低運(yùn)行費(fèi)用等方面取得了一定的效果，但仍有能耗過大、污泥沉降的問題[4]。我國污水處理廠的建設(shè)重點(diǎn)已由城市轉(zhuǎn)向廣大農(nóng)村，與城市污水處理廠相比，鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠規(guī)模小、距離分散，對于鎮(zhèn)級污水處理廠建設(shè)迫切需要一些緊湊高效的小型污水處理一體化裝置。鄧榮森等[5]以成都城北污水處理廠為例，從實(shí)際工程角度對其節(jié)能特點(diǎn)作了分析，因其巨大的節(jié)能優(yōu)勢及技術(shù)特點(diǎn)，在中小城市的污水治理中有良好的推廣及應(yīng)用前景。李偉民等[6]分別對曝氣轉(zhuǎn)盤、水下推動器單獨(dú)運(yùn)行以及聯(lián)合運(yùn)行時的一體化氧化溝主溝流速進(jìn)行了測試分析，指出水下推動器可以對低速區(qū)的混合液循環(huán)流動起到積極推動作用，同時可為增加溝深所引起的氧化溝溝底混合推動不足提供較好的解決方法。趙星明等[7]在一體化氧化溝彎道處設(shè)置一道導(dǎo)流墻，能夠使氧化溝的寬度變窄，從而使水流的紊流狀態(tài)加劇，削弱了橫向環(huán)流的作用，也就減輕了污泥沉積。夏世斌等[8]開發(fā)的IODVC上層為好氧區(qū)，下層為厭氧區(qū)，混合液在上下循環(huán)過程中完成有機(jī)物降解和生物脫氮，與現(xiàn)有氧化溝相比，占地面積可減少50%，具有結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造簡潔的優(yōu)點(diǎn)，但通過推流器和曝氣轉(zhuǎn)盤進(jìn)行水力循環(huán)能耗大、運(yùn)行成本高，因此結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化尤為重要。本文利用CFD理論與技術(shù)，對IODVC進(jìn)行三維流場模擬，在轉(zhuǎn)盤下游添加導(dǎo)流板，旨在改善反應(yīng)區(qū)流速分布不均問題，同時對推流器和導(dǎo)流板位置進(jìn)行優(yōu)化改良。

1 模型的建立

1.1 幾何模型

模型采用楊寧實(shí)驗(yàn)參數(shù)建立1∶1數(shù)學(xué)模型[9]。實(shí)驗(yàn)裝置溝長7 m，溝深1.5 m，有效水深1.4 m；隔板安裝高度0.7 m。曝氣轉(zhuǎn)刷1個，共12枚葉片，每片直徑0.4 m，葉片浸沒深度0.12 m，工作轉(zhuǎn)速30 r/min。底部推流器2個，葉片直徑0.2 m，安裝高度0.1 m，曝氣轉(zhuǎn)盤及底部推流器電機(jī)功率均為0.75 kW。半圓形導(dǎo)流板半徑0.34 m。IODVC模型如圖1所示(由于兩側(cè)沉淀分離器作用相同且不屬于水力反應(yīng)區(qū)，故模型中只計(jì)入一側(cè)),其中導(dǎo)流板是本研究模擬添加部分。

圖1 IODVC模型

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

基本控制方程由標(biāo)準(zhǔn)k-湍流模型、連續(xù)方程和動量守恒方程組成。

2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

曝氣轉(zhuǎn)盤的定義是模擬中的關(guān)鍵，將轉(zhuǎn)盤簡化為無厚度的圓盤，只將轉(zhuǎn)盤沒入水下的部分納入計(jì)算域。模擬過程中，定義Zone type(fan)、壓強(qiáng)躍升值和方向，將推流器簡化成一個無厚度的圓盤面，通過圓盤面后壓強(qiáng)會出現(xiàn)一個躍升。進(jìn)口條件為速度進(jìn)口(velocity inlet)，入口流速為0.1 m/s，出口邊界條件為自由出口(outflow)。為了簡化計(jì)算，對水面進(jìn)行剛蓋假定，其速度、湍流彌散通量、湍流動能通量均為常數(shù)，即假設(shè)反應(yīng)時水面為水平面，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力值。近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，曝氣轉(zhuǎn)盤附近采用MRF法，轉(zhuǎn)盤作用區(qū)域內(nèi)與主溝區(qū)域重合邊界設(shè)置為interface，其他壁面采用固定壁面條件。采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于曝氣轉(zhuǎn)盤和推流器附近流場較復(fù)雜，這些區(qū)域網(wǎng)格通過建立增長函數(shù)進(jìn)行體網(wǎng)格劃分來加密，最大尺寸(internal size)為5 mm，其他區(qū)域采用最大尺寸為10 mm的四面體網(wǎng)格。

3 模型的驗(yàn)證

IODVC流速驗(yàn)證斷面及測點(diǎn)分布如圖2所示。上溝道布設(shè)3個監(jiān)測斷面(S1、S2和S3)，每個斷面上選取4個監(jiān)測點(diǎn)；下溝道布設(shè)2個監(jiān)測斷面(S5、S6)，每個斷面上等距選取3個監(jiān)測點(diǎn)；在左右兩側(cè)彎道各分布1個監(jiān)測斷面(S4、S7)，每個斷面上等距選取4個監(jiān)測點(diǎn)。

圖2 流速驗(yàn)證斷面及測點(diǎn)分布(單位：mm)

不同斷面監(jiān)測點(diǎn)流速實(shí)測值與模擬值的對比如圖3所示。模擬值與實(shí)測值相對誤差在±10%以內(nèi)，認(rèn)為該CFD模型具有較高的模擬準(zhǔn)確性。由此可見，模型是可行的。

圖3 不同斷面監(jiān)測點(diǎn)流速實(shí)測值與模擬值

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 推流器不同水平位置流速分布情況

取推流器距左壁面水平距離1 m、1.9 m、2.8 m、3.7 m、4.6 m、5.5 m六個位置，測其溝內(nèi)平均流速變化，如圖4所示，各監(jiān)測斷面的流速分布情況如圖5所示。

圖4 推流器不同位置斷面平均流速

圖5 推流器不同位置各斷面流速分布

由圖4、圖5可以看出，IODVC下層厭氧區(qū)推流器位置影響溝體平均流速。推流器水平距離在4.6 m處時，斷面平均流速最大為0.216 m/s，接近懸浮要求的0.25 m/s[10]。對不同斷面，除1.0 m、5.5 m時各斷面平均流速略低于沉降要求的0.15 m/s[11]外，平均流速都在沉降要求之上，都不滿足懸浮要求。

4.2 增設(shè)導(dǎo)流板

關(guān)閉推流器，根據(jù)規(guī)范設(shè)置下游導(dǎo)流板[12]。設(shè)置在曝氣轉(zhuǎn)盤下游2.0～3.0 m處，與水平成60°角傾斜放置，頂部在水面下150 mm。導(dǎo)流板在下游不同位置處流速分布如圖6所示，各監(jiān)測斷面流速分布情況如圖7所示。

圖6 導(dǎo)流板不同位置斷面平均流速

圖7 導(dǎo)流板不同位置各斷面流速分布

由圖6、圖7可以看出，增設(shè)導(dǎo)流板可以加大溝體平均流速，改善溝底平均流速過低的問題。導(dǎo)流板不同位置下各斷面平均流速變化曲線接近平行，其中1號斷面平均流速最大，2號斷面平均流速最小，說明導(dǎo)流板在曝氣轉(zhuǎn)盤下不同位置對上下游彎道導(dǎo)流墻入口處、出口處、好氧反應(yīng)直段、厭氧反應(yīng)直段、彎道處流速分布影響不大。各斷面平均流速均大于沉積流速0.15 m/s。導(dǎo)流板在曝氣轉(zhuǎn)盤下游2.8 m處時，平均流速最大為0.18 m/s，小于懸浮要求0.25 m/s。

4.3 增設(shè)導(dǎo)流板，開啟推流器

曝氣轉(zhuǎn)盤下游2.8 m處，與水平成60°角傾斜放置，頂部在水面下150 mm設(shè)置導(dǎo)流板，同時開啟4.6 m處推流器。各監(jiān)測斷面流速分布如圖8所示。

圖8 同時開啟時各斷面流速分布

由圖8可以看出，同時增設(shè)導(dǎo)流板、開啟推流器時，與僅增設(shè)導(dǎo)流板相比，厭氧區(qū)、導(dǎo)流墻彎道反應(yīng)處平均流速變化較大，說明增設(shè)推流器主要對厭氧區(qū)產(chǎn)生推動力。與僅開啟推流器相比，好氧區(qū)、厭氧區(qū)平均流速都增大，其中好氧區(qū)流速顯著增加，說明增設(shè)導(dǎo)流板對氧化溝流速分布的改善作用在整個反應(yīng)區(qū)都有體現(xiàn)。

5 結(jié)論與分析

曝氣轉(zhuǎn)盤下游安裝導(dǎo)流板和厭氧區(qū)安裝推流器均能改善溝內(nèi)流速分布不均和污泥沉降的情況。僅安裝推流器時，各斷面流速增加，但溝內(nèi)流速略小于懸浮要求，存在污泥沉降可能，推流器在距左端壁面4.6 m時反應(yīng)效果最佳；曝氣轉(zhuǎn)盤下游安裝導(dǎo)流板，可以滿足沉降要求，此時好氧區(qū)流速大，厭氧區(qū)流速小。導(dǎo)流板在曝氣轉(zhuǎn)盤下游2.8 m，距水面0.15 m，垂直方向偏轉(zhuǎn)60°角時反應(yīng)效果最佳。

污水處理屬于能耗密集型行業(yè)，其能耗主要在推流器和曝氣轉(zhuǎn)盤的能量消耗，能耗費(fèi)用占到運(yùn)行費(fèi)用的30%～60%[13]。

在出水水質(zhì)滿足排放要求的前提下,“投資省、能耗和運(yùn)行成本低、占地少”是衡量處理工藝經(jīng)濟(jì)與否的基本要求[14]。由于推流器的能量消耗在污水處理能耗中所占的比例較大[15]。安裝導(dǎo)流板同時開啟推流器，能極大地改善氧化溝液流分布情況。因此，污水處理氧化溝中在IODVC中添加導(dǎo)流板，在水處理效果顯著提升的同時，可減少能耗的損失。