張新喜，王 凱，鐘梅英，馮承民，胡小兵，邱 高，李嘉偉，王 晨，秦 晴

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002；2.南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇 南京 211200)

1 研究背景

水質(zhì)波動是污水處理廠難以穩(wěn)定運行的重要影響因素之一[1]。受人類活動和氣候變化等因素的影響，進(jìn)入污水處理系統(tǒng)的污水水質(zhì)幾乎每時每刻都在發(fā)生變化且有時變化巨大[2-3]。一方面，進(jìn)水水質(zhì)的變化在很大程度上影響著污水廠的設(shè)計及處理技術(shù)的選擇[4]、導(dǎo)致對運行條件敏感的高速反硝化工藝性能惡化甚至崩潰[5]、在不同程度上限制了載體厭氧折流板反應(yīng)器的設(shè)計和廢水回收工藝的選擇[6]；另一方面，進(jìn)水水質(zhì)波動會降低污水處理工藝的運行效率。Sharma等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在混合地下水流人工濕地系統(tǒng)中，較高的進(jìn)水負(fù)荷會通過降低硝化作用進(jìn)而影響系統(tǒng)的TN和NH4—N的去除；Choi等[8]在使用熱水解-厭氧共消化裝置處理高濃度有機(jī)廢物時發(fā)現(xiàn)，厭氧消化裝置中微生物的活動會因水質(zhì)波動而受限，導(dǎo)致消化器性能減弱；進(jìn)水水質(zhì)嚴(yán)重超過進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)時會造成生化處理裝置運行失常[9]，導(dǎo)致污水處理效果大為降低。

水質(zhì)調(diào)節(jié)池(簡稱“調(diào)質(zhì)池”)用于減弱和控制污水進(jìn)水水質(zhì)波動，進(jìn)水經(jīng)調(diào)質(zhì)池混合、均質(zhì)化后穩(wěn)定進(jìn)入后期處理工藝單元，可避免因水質(zhì)波動帶來的污水處理廠出水不達(dá)標(biāo)或者生物處理系統(tǒng)崩潰等問題[4]。根據(jù)水質(zhì)調(diào)節(jié)的方式，調(diào)質(zhì)池可分為差程式與外加動力式兩大類[10]。一般的差程式調(diào)質(zhì)池(如對角線式調(diào)質(zhì)池、往復(fù)折流式調(diào)質(zhì)池[11]等)主要依靠復(fù)雜的池型結(jié)構(gòu)來增加水力混合效果，但復(fù)雜的池型結(jié)構(gòu)無法根據(jù)進(jìn)水參數(shù)調(diào)整運行參數(shù)，難以根據(jù)用戶要求實現(xiàn)實時的水質(zhì)調(diào)節(jié)，因而其可調(diào)性差。水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池是外加動力式調(diào)質(zhì)池的一種，其利用水泵將調(diào)質(zhì)池底部的廢水抽回到池中，再由配水管均勻分配，從而達(dá)到調(diào)質(zhì)效果[12]。目前國內(nèi)外關(guān)于該調(diào)質(zhì)池池型的研究較少，其調(diào)質(zhì)性能及效果并不明確，值得進(jìn)一步研究。

ANSYS Fluent軟件因其具有功能多、界面友好以及數(shù)值算法準(zhǔn)確、豐富等優(yōu)點[13-14]，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于污水處理過程模擬和新設(shè)備及構(gòu)筑物的設(shè)計、改進(jìn)等方面[15-19]。Neto等[20]利用該軟件研究了一種新型管狀陶瓷膜組件的油水混合物分離過程，表明該系統(tǒng)有利于清水的輸送和油的滯留；Ding等[13]使用Fluent軟件，通過模擬氨氮濃度和流場分布，預(yù)測和評價了氨的電氧化過程，得出氨氮去除模型的理論值與實驗值誤差小于4%。該軟件也被應(yīng)用于模擬觀察初沉池的流動和懸浮固體的傳輸過程，對初沉池的水動力驅(qū)動設(shè)計和升級提供了依據(jù)[21]。此外，有學(xué)者也將Fluent用于對曝氣池[22]、旋流混合反應(yīng)器[23]、明渠紫外線廢水消毒反應(yīng)器[24]和好氧顆粒污泥[25]等方面的研究，應(yīng)用效果良好。水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池池內(nèi)水流為非定常流，調(diào)質(zhì)效果難以觀察，因此可以合理利用Fluent的數(shù)值模擬功能對其進(jìn)行調(diào)質(zhì)研究。

本研究通過Gambit對調(diào)質(zhì)池進(jìn)行三維建模，使用Fluent中的混合模型對污水、示蹤劑兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬，然后利用各相的體積分?jǐn)?shù)、流速分布以及示蹤劑進(jìn)出濃度等參數(shù)，比較不同回流比、回流配水管高度下的調(diào)質(zhì)效果，闡明各調(diào)質(zhì)效果下的調(diào)質(zhì)機(jī)理，驗證調(diào)質(zhì)功能系數(shù)運用的可行性，為水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池的工程應(yīng)用與改進(jìn)提供依據(jù)。

2 模型建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

在計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)中，多相流動不只限于氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三相，在多相流動中，所謂的“相”可以定義為具有相同類別的物質(zhì)[26]。為了更方便地評估水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池的調(diào)質(zhì)效果，在入口處除污水流入之外，增加小流量的液體示蹤劑作為第二相，構(gòu)成污水-示蹤劑雙相流。

選用Fluent提供的Mixture模型[27]及標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[28]進(jìn)行模擬，假設(shè)條件如下：邊界參數(shù)均勻且為定常數(shù)；池壁面為無滑移絕熱壁面；池內(nèi)兩相之間為互相貫通的連續(xù)體；兩相流體為穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體。其中Mixture模型基于混合相的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程以及第二相的體積分?jǐn)?shù)方程對調(diào)質(zhì)池進(jìn)行數(shù)值模擬[20,27-29]，該模型允許相間有穿插，兩相間無相對速度和漂移速度，適合污水-示蹤劑雙相流的模擬。標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型中的k為湍動能、ε為耗散率，采用系統(tǒng)默認(rèn)的設(shè)置值[20]。

2.2 采用Gambit 建立模型

水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池的三維實體模型采用Gambit建立。池主體長度為1 250 mm，寬度為600 mm，有效水深為400 mm；進(jìn)、出水管直徑均為25 mm，回流管直徑為30 mm，回流配水管的配水孔(8個)直徑為16 mm。污水進(jìn)入調(diào)質(zhì)池后，一部分經(jīng)出口流出，另一部分經(jīng)回流管分配再次進(jìn)入調(diào)質(zhì)池。為了實現(xiàn)污水回流功能，在回流管一處添加“旋轉(zhuǎn)槳葉區(qū)”，模擬運行時槳葉的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力，使回流管內(nèi)水流向上運動進(jìn)而達(dá)到回流的目的，同時根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同實現(xiàn)不同的回流流量。網(wǎng)格劃分過程中，池主體與回流管大部(除槳葉旋轉(zhuǎn)區(qū))采用Hex /Wedge 單元，并采用Cooper方案；槳葉旋轉(zhuǎn)區(qū)采用Tet /Hybrid單元，TGrid方案，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池數(shù)值模型三維網(wǎng)格劃分(單位：mm)

2.3 Fluent求解設(shè)定

本文數(shù)值模擬求解器采用Fluent 19.0，網(wǎng)格文件導(dǎo)入到求解器時，相關(guān)設(shè)置如下：采用三維雙精度求解器(3ddp),對于不可壓縮流體選用非耦合求解器，求解器屬性為壓力基、絕對速度和非定常流。設(shè)置邊界條件時，入口類型為質(zhì)量流量入口(mass-flow inlet)，出口為自由出流(outflow)，槳葉旋轉(zhuǎn)區(qū)Z方向的上下邊界為內(nèi)部邊界(interior)，回流配水管出水孔接觸面為interface邊界。

矩形波函數(shù)是常見的描述水質(zhì)水量波動的數(shù)學(xué)函數(shù)之一[30]，本文調(diào)質(zhì)池的進(jìn)水濃度波動函數(shù)為周期120 min的矩形波函數(shù)，質(zhì)量流量為0.12 kg/s，示蹤劑的最大濃度為25.77 g/L，最小濃度為15.16 g/L，計算得到示蹤劑最大質(zhì)量濃度為0.003 18 kg/s，最小質(zhì)量流量為0.001 85 kg/s。由于Fluent軟件沒有周期變化的進(jìn)水函數(shù)，本文將清水作為恒定流進(jìn)水，示蹤劑的進(jìn)水流量利用UDF即用戶自定義函數(shù)自行編譯，作為進(jìn)水參數(shù)。

2.4 調(diào)質(zhì)效果評價指標(biāo)

目前，對于各類調(diào)質(zhì)池的調(diào)質(zhì)效果研究評價多使用定性評價，難以準(zhǔn)確表達(dá)調(diào)質(zhì)池的調(diào)質(zhì)效果。為了對本研究中的調(diào)質(zhì)池的調(diào)質(zhì)效果進(jìn)行定量評價，引入調(diào)質(zhì)池調(diào)質(zhì)功能系數(shù)y作為量化評價指標(biāo)[31]，所得調(diào)質(zhì)池調(diào)質(zhì)功能系數(shù)y越接近1，則調(diào)質(zhì)效果越好。首先每隔一段時間記錄調(diào)質(zhì)池進(jìn)、出水的濃度參數(shù)，然后根據(jù)記錄的進(jìn)、出水濃度參數(shù)計算進(jìn)、出水時水質(zhì)評價指標(biāo)的濃度標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)而計算y，具體計算公式如下：

(1)

3 模型驗證

驗證試驗的水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池池體主要尺寸與采用Gambit建立的數(shù)值模型尺寸一致。水質(zhì)波動發(fā)生裝置采用雙閥雙盤可調(diào)水質(zhì)波動發(fā)生器[32]，該裝置可以產(chǎn)生試驗所需的水質(zhì)變化為矩形波變化的進(jìn)水；驗證試驗設(shè)定水質(zhì)波動周期為120 min，進(jìn)口流量、示蹤劑濃度也與數(shù)值模型一致，回流流量與進(jìn)口流量相同，回流配水管高度為200 mm；采用示蹤劑(紅墨水，上海英雄(集團(tuán))有限公司)濃度作為進(jìn)出水水質(zhì)檢測指標(biāo)，使用紫外線分光光度計(722s，上海精密科學(xué)儀器有限公司)通過檢測示蹤劑吸光度，分析示蹤劑濃度，模擬與試驗過程中示蹤劑濃度曲線如圖2所示。

圖2 模擬與試驗過程示蹤劑濃度曲線

由圖2可見，試驗與Fluent模擬得出示蹤劑濃度隨時間的變化規(guī)律相似。當(dāng)t較小時，出水濃度不穩(wěn)定且較小，隨著t的增大，出水濃度趨于穩(wěn)定且在17.5～22.0 g/L內(nèi)波動。當(dāng)進(jìn)水濃度波動時，試驗與模擬濃度均會相應(yīng)地保持一定時間段的增大或減小，然后再呈減小或增大變化，這是因為示蹤劑在水中需要運動一段時間才可以到達(dá)出水口，出水口示蹤劑濃度變化后滯于進(jìn)水口濃度變化。總體而言，試驗和模擬的出水示蹤劑濃度在t達(dá)到60 min后趨于穩(wěn)定。試驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的重合度較高，由公式(1)得出模擬出水和試驗出水的調(diào)質(zhì)功能系數(shù)分別為0.82、0.78，僅相差5.1%。因此，本文所設(shè)計的Fluent模型可真實地反映水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池的進(jìn)、出水狀況與調(diào)質(zhì)效果。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 無循環(huán)設(shè)備調(diào)質(zhì)池的調(diào)質(zhì)效果

為了體現(xiàn)使用水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池的調(diào)質(zhì)效果，首先對去除水泵循環(huán)設(shè)備的調(diào)質(zhì)池進(jìn)行模擬，無循環(huán)設(shè)備調(diào)質(zhì)池出水設(shè)置為自由出流。無循環(huán)設(shè)備調(diào)質(zhì)池在進(jìn)水波動周期T為60、66、75、86、100和120 min時的調(diào)質(zhì)功能系數(shù)y如圖3所示。

圖3 無循環(huán)設(shè)備調(diào)質(zhì)池進(jìn)水波動周期T與調(diào)質(zhì)功能系數(shù)y的關(guān)系曲線

由圖3可以看出，進(jìn)水波動周期T在60 min和66 min時，由于進(jìn)水波動周期較短，且與進(jìn)水停留時長(40 min)接近，則進(jìn)水在1個周期內(nèi)及周期交替階段過程中，池內(nèi)水質(zhì)混合較為均勻，同時進(jìn)水在池內(nèi)呈紊流狀態(tài)，可促進(jìn)水質(zhì)的均勻混合，此時調(diào)質(zhì)功能系數(shù)y可達(dá)0.80，調(diào)質(zhì)性能良好，說明調(diào)質(zhì)池在無外加輔助設(shè)備的情況下本身具備一定的調(diào)質(zhì)能力；隨著進(jìn)水波動周期的增大，調(diào)質(zhì)功能系數(shù)y從0.80降至0.60，調(diào)質(zhì)效果明顯變差，這可能由于波動周期變長后，進(jìn)水在高濃度或低濃度階段時間變長，而停留時間較短，進(jìn)水無法在調(diào)質(zhì)池內(nèi)混摻均勻而流出，使得調(diào)質(zhì)池的調(diào)質(zhì)能力逐步降低。T為120 min時y達(dá)到最低值，此時無循環(huán)設(shè)備調(diào)質(zhì)池的調(diào)質(zhì)效果有較大提升空間，因此下面采用進(jìn)水水質(zhì)波動周期為120 min的矩形波進(jìn)水進(jìn)行水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池的模擬研究。

4.2 水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池內(nèi)流體的運行軌跡

為判別水流在池體內(nèi)的運動狀態(tài)，利用Fluent的UDF即用戶自定義函數(shù)功能自行編譯，在回流比為1的情況下，對池內(nèi)的水流進(jìn)行雷諾數(shù)計算，計算所得雷諾數(shù)為2 026～5 250，最小雷諾數(shù)大于矩形斷面層流流動的臨界雷諾數(shù)575，因此，設(shè)定模擬研究中水流為紊流狀態(tài)。

圖4為水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池的進(jìn)水質(zhì)點跡線圖。由圖4中可以看出，進(jìn)水在入口處流速較大，進(jìn)水自調(diào)質(zhì)池上端徑直流入，接觸池底后向圖中右側(cè)與上側(cè)移動；在池主體部分中的跡線雜亂無章，符合紊流流體質(zhì)點運動極不規(guī)則的特征，且水流在池中形成眾多小的環(huán)流區(qū)，可進(jìn)一步促進(jìn)不同水質(zhì)進(jìn)水的擴(kuò)散混摻[33]；水流到達(dá)池體右側(cè)后，一部分經(jīng)過出水口進(jìn)入后續(xù)處理設(shè)施，另一部分在底部經(jīng)回流管均勻分配到調(diào)質(zhì)池中實現(xiàn)回流，與后續(xù)的進(jìn)水進(jìn)行混合，回流流量大小可由水泵進(jìn)行控制。

圖4 水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池的進(jìn)水質(zhì)點跡線示意圖

4.3 回流比對調(diào)質(zhì)效果的影響

水泵強(qiáng)制循環(huán)式回流比s為回流口抽取流量與調(diào)質(zhì)池進(jìn)水流量的比值，是對調(diào)質(zhì)池調(diào)質(zhì)性能研究的一個量化參考指標(biāo)。因旋轉(zhuǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)速為35、80和125 rad/s時對應(yīng)的回流比s分別為0.16、0.42和0.71，所以本節(jié)中回流比s從小至大分別取0.16、0.42、0.71、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00和6.00等9個值，在調(diào)質(zhì)池出水穩(wěn)定(模擬運行6 h)時截取示蹤劑體積分?jǐn)?shù)分布效果圖，進(jìn)行分析。

為方便觀測出水口處的水質(zhì)濃度情況，在池主體截取Z=362.5 mm高度處的XOY截面(圖1出口截面)作為示蹤劑體積分?jǐn)?shù)觀測面。圖5為上述9種回流比時Z=362.5 mm處XOY截面的示蹤劑體積分?jǐn)?shù)分布。由圖5(a)可以看出，當(dāng)回流比為0.16時，圖中顏色差異較大，中間大部顏色為淺綠色，左、右兩端向青色過渡，說明此時進(jìn)口和出口截面的水質(zhì)濃度梯度大，這是因為水流在進(jìn)口向池體擴(kuò)散時，流動面突然擴(kuò)大，導(dǎo)致進(jìn)口附近流速差異較大，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)水水質(zhì)的濃度梯度較池體中部更大，同時因出口處截面突然變窄，出水流速加快，因而出水水質(zhì)濃度梯度也同樣增大。如圖5(b)、5(c)、5(d)所示，小幅度增大回流比后，圖中顏色差異變大，濃度梯度較大的現(xiàn)象依然存在，但此時截面顏色分布相互“混雜”，不單是兩側(cè)的顏色差異較大，截面中部同樣差異明顯，表明此時不同濃度的進(jìn)水開始相互接觸，進(jìn)而增加了不同濃度進(jìn)水的混合效果。隨著回流比由0.71進(jìn)一步增大至2.00，截面大部出現(xiàn)淺黃色(圖5(e)、5(f))，說明增大回流比后，池內(nèi)流速增大，截面的示蹤劑體積分?jǐn)?shù)變大[34]，但右側(cè)的顏色分布均勻，表明出水水質(zhì)穩(wěn)定。由圖5(g)、5 (h)、5 (i)可以看出，在s=4.00、5.00、6.00時，示蹤劑濃度處于高低濃度值的50%，顏色差異變小，多為綠色與青色，單色的分布區(qū)域變大，表明該截面濃度梯度變化較小，在右側(cè)出水口處的出水水質(zhì)進(jìn)一步穩(wěn)定，出水濃度波動變小，調(diào)質(zhì)效果較好。綜上所述，回流比的增大可以增強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)不同濃度間污水的混合作用，回流比越大，則水流運動的動力越大，污水均質(zhì)化效果越好。

圖5 不同回流比下Z=362.5 mm截面的示蹤劑體積分?jǐn)?shù)分布

圖6為上述9種回流比時Z=200 mm處XOY截面的混合相流速矢量圖。該截面為回流配水管各配水孔中心軸向的XOY平面，可直觀顯示回流水的運動情況。在流速矢量圖中，用箭頭的長度和顏色代表梯度[35]，當(dāng)顏色相近時，箭頭線的長短即代表流速的大小。

如圖6(a)所示，回流比為0.16時，因回流比很小，因此相比調(diào)質(zhì)池進(jìn)水流量，8個回流配水管配水孔(以下簡稱“配水孔”)的流量同樣很小，此時由于池體右側(cè)進(jìn)口流量相對較大導(dǎo)致流速較大，回流水流與進(jìn)口水流相互作用下，形成上下兩個環(huán)流區(qū)，但由于右側(cè)離進(jìn)水口較遠(yuǎn)、回流量不足等原因?qū)е滤髁魉俸臀闪鞒潭冗^小[23]，進(jìn)而易形成死水區(qū)，出水口區(qū)域調(diào)質(zhì)效果較差。由圖6(b)、6(c)、6(d)可以看出，小幅度增大回流比后，隨著回流量的增大，配水孔的出水流速變大；同時，除最右側(cè)兩個配水孔外，左側(cè)6個配水孔的出水均向左側(cè)并最終向池底部運動，究其原因，雖然回流流量略有增大，但回流污水在經(jīng)過回流管時產(chǎn)生了一定的能耗，導(dǎo)致流速減緩，同時回流水經(jīng)過8個配水孔分配后，每個配水孔的出水流量相比進(jìn)水流量偏小(不足進(jìn)水流量的1/8)，因此進(jìn)水流速遠(yuǎn)大于回流水的流速，水流流速越大，則壓強(qiáng)越小，導(dǎo)致回流水向進(jìn)水方向流動循環(huán)，大部分環(huán)流依舊在池體左側(cè)發(fā)生，而池內(nèi)右側(cè)的流速只是比回流量為0.16時有所增大，同樣易產(chǎn)生死水區(qū)。繼續(xù)增大回流比后發(fā)現(xiàn)，各配水孔出水流速明顯增大，水流在上、下兩側(cè)接觸池壁后，向左、右兩側(cè)分流(圖6(e)、6(f)、6(g))，這是因為回流比大幅度增大后，回流流量也大幅度增大，如回流比s=4時(圖6(g))，各分配管出流量理論上為進(jìn)水口流量的一半，即0.06 kg/s，從而使池內(nèi)水流的運動趨勢由回流水主導(dǎo)，進(jìn)一步增加了不同濃度污水的混勻；左側(cè)水流與池體進(jìn)水形成一定的逆流接觸，在力的相互作用下增強(qiáng)了水質(zhì)的混合[33]，右側(cè)區(qū)域同樣在回流水的作用力下形成環(huán)流區(qū)，死水區(qū)不復(fù)存在。當(dāng)s=5.00、6.00時(圖6(h)、6(i))，除了入口進(jìn)水與配水孔出水區(qū)域之外的截面大部分區(qū)域的流速矢量箭頭顏色變?yōu)樗{(lán)色，而配水孔區(qū)域的流速矢量箭頭顏色變成青色、綠色，甚至黃色和紅色，表示回流污水已經(jīng)主導(dǎo)了調(diào)質(zhì)池內(nèi)水流的環(huán)流、接觸等調(diào)質(zhì)現(xiàn)象的產(chǎn)生，整個截面區(qū)域的流速大小基本相近(配水孔出水除外)，形成了大的環(huán)流區(qū)，明顯有利于提升調(diào)質(zhì)池的調(diào)質(zhì)效果。

圖6 不同回流比下Z=200 mm截面的混合相流速矢量圖

圖7為回流比s與調(diào)質(zhì)功能系數(shù)y值的關(guān)系曲線，可以直觀顯示出水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池的調(diào)質(zhì)效果隨回流比s的變化而產(chǎn)生的差異。

圖7 回流比s與調(diào)質(zhì)功能系數(shù)y的關(guān)系曲線

由圖7可以看出，不同回流比的調(diào)質(zhì)功能系數(shù)y值在不同區(qū)間內(nèi)均不同，y值隨著回流比的增大而不斷增大。s為0.16時y值最低，為0.72，相比同水質(zhì)波動周期下無輔助設(shè)備調(diào)質(zhì)池的y值增大了20%，因為回流水流的存在可提升調(diào)質(zhì)池的調(diào)質(zhì)效果。當(dāng)s從0.16增大到1.00時，y值相應(yīng)地從0.72增大到0.82，s值增大了0.84，而y值相對增大了13.9%，增長速度較快，可稱為“快速增長區(qū)”，擬合該區(qū)s與y的一次函數(shù)關(guān)系式為y=0.1275s+0.6985(復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.990)；當(dāng)回流比從1.00增大至6.00時，y值相對增大了12.2%，但s值增大了5.00，因此稱此區(qū)域為“緩慢增長區(qū)”，此區(qū)域y值隨s值的增長幅度變緩，曲線梯度變小，回流比為6.00時，y值達(dá)到0.92，擬合該區(qū)s與y的二次函數(shù)關(guān)系式為y=-0.002547s2+0.03729s+0.7831(復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.986)。整個的曲線變化趨勢基本與體積分?jǐn)?shù)云圖以及流速矢量圖的變化趨勢和分析相一致，說明了y值作為調(diào)質(zhì)池調(diào)質(zhì)效果量化評價指標(biāo)的可行性。同時表明，回流比是影響水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池調(diào)質(zhì)功能的重要因素，當(dāng)調(diào)質(zhì)效果一般時，可提高回流比以增強(qiáng)調(diào)質(zhì)池的調(diào)質(zhì)效果，但提升回流比無疑會加大水泵的運行負(fù)擔(dān)，能源消耗也隨之增大。因此，可參考擬合的s與y的函數(shù)關(guān)系，結(jié)合工程實際與運行成本分區(qū)域分策略地提升回流比。

4.4 回流配水管高度對調(diào)質(zhì)效果的影響

根據(jù)以上分析，綜合考慮調(diào)質(zhì)池調(diào)質(zhì)效果和能源消耗等因素，設(shè)定s均為1.00，進(jìn)行回流配水管高度對調(diào)質(zhì)效果影響的模擬。回流配水管高度h為回流配水管中心的XOY面距池底的高度，分別設(shè)定為50、150、200、250和350 mm，其中h=200 mm的調(diào)質(zhì)效果圖與4.3節(jié)s=1.00的效果圖相似，因此未在下文圖9和10中表達(dá)。回流配水管高度h分別為50、150、250和350 mm時Z=362.5 mm處XOY截面(出口截面)的示蹤劑體積分?jǐn)?shù)分布如圖8所示，圖8直觀展現(xiàn)了出口截面上示蹤劑體積濃度隨h和空間的變化情況。

由圖8、圖5(d)可見，h=50、150、200、250和350 mm時，出口截面的平均體積分?jǐn)?shù)分別為0.0185、0.0189、0.0192、0.0184和0.0193，最大值與最小值僅相差4.7%，體積分?jǐn)?shù)變化很小，表明回流配水管高度的變化對示蹤劑體積分?jǐn)?shù)影響較小。圖8、圖5(d)中體積分?jǐn)?shù)變化劇烈的區(qū)域為左側(cè)，而左側(cè)靠近進(jìn)水口，此區(qū)域流速較大，使得水流充分紊動，示蹤劑接觸面積變大[24,28]，同時相對流速的增大也增強(qiáng)了水流的卷吸作用，使得體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步變化。右側(cè)區(qū)域由于遠(yuǎn)離進(jìn)水口，流速相對較低，體積分?jǐn)?shù)分布相對均勻，說明調(diào)質(zhì)效果良好。h從50 mm增大至350 mm的過程中，截面的整體體積分?jǐn)?shù)變大，這可能是因為隨著h的增大，回流配水管越來越接近出水口，增強(qiáng)了出口區(qū)域的水體混合效果和水流流速；另有研究表明，在一定范圍內(nèi)，水流流速變大時，體積濃度也會增高[34]。整體來說，不同h的出水口區(qū)域體積分?jǐn)?shù)分布都比較均勻，沒有出現(xiàn)大的波動。

圖8 不同回流配水管高度下Z=362.5 mm截面的示蹤劑體積分?jǐn)?shù)分布

回流配水管高度h分別為50、150、250和350 mm時各回流配水管中心XOY剖面的混合相流速矢量見圖9，通過此圖可以觀察到各剖面的流速矢量隨垂向高度與平面位置的變化情況。

圖9 不同回流配水管高度下各回流配水管中心XOY剖面的混合相流速矢量

由圖9、圖6(d)可以看出，截面左側(cè)水流流速大于截面右側(cè)流速，與圖8、圖5(d)的分析結(jié)果一致。如h=50 mm時(圖9(a))，左側(cè)水流的平均流速為0.025 m/s，右側(cè)水流的平均流速為0.015 m/s，因此左側(cè)流體旋流作用增強(qiáng)[20]，加速了水流的混合。8個配水孔出水的初始流速遠(yuǎn)大于池內(nèi)大部分區(qū)域的流速，使整個截面形成大的環(huán)流，有力地促進(jìn)了整個截面乃至池體內(nèi)流體的均質(zhì)化。當(dāng)h=350 mm時(圖9(d))，截面高度靠近出水口，回流水流可直接與出水面的水流進(jìn)行混勻，調(diào)質(zhì)效果最佳。

圖10為回流配水管高度h與調(diào)質(zhì)功能系數(shù)y值的關(guān)系曲線，直觀顯示了水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池的調(diào)質(zhì)效果隨回流配水管高度h變化而表現(xiàn)出的差異。

圖10 回流配水管高度h與調(diào)質(zhì)功能系數(shù)y的關(guān)系曲線

由圖10可以看出，隨著h由50 mm逐漸增加至350 mm，其調(diào)質(zhì)功能系數(shù)y在0.81～0.85之間變化，相較于無設(shè)備調(diào)質(zhì)池T=120 min下的y值(0.60)，調(diào)質(zhì)效果提升率達(dá)35%～40%，再一次說明回流設(shè)備對調(diào)質(zhì)系統(tǒng)的調(diào)質(zhì)效果有較大的提升作用。y值在h的取值范圍內(nèi)的變化幅度為3.7%，相比s取值范圍內(nèi)的變化幅度(27.8%)大幅度降低，這說明回流管配水管高度對調(diào)質(zhì)效果的影響遠(yuǎn)低于回流比對調(diào)質(zhì)效果的影響。此外，當(dāng)h=350 mm時，y值相對較大，這對應(yīng)了流速矢量圖的分析，曲線圖、體積分?jǐn)?shù)分布云圖及矢量圖的分析結(jié)果相吻合。

上述結(jié)果表明，水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池可高效地抑制水質(zhì)波動。在提升調(diào)質(zhì)池調(diào)質(zhì)效果的方法上，由于回流配水管一旦建成，則難以對其高度進(jìn)行調(diào)整，且調(diào)整回流配水管高度不易于達(dá)到提升調(diào)質(zhì)效果的目的，所以應(yīng)優(yōu)先考慮調(diào)整水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池的回流比。

5 結(jié) 論

針對污水處理過程中的進(jìn)水水質(zhì)波動問題，利用Fluent對水泵循環(huán)式調(diào)質(zhì)池內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，獲取示蹤劑體積分?jǐn)?shù)分布云圖與流速矢量圖，引入調(diào)質(zhì)功能系數(shù)對調(diào)質(zhì)效果進(jìn)行量化評價，得到結(jié)論如下：

(1)回流比是影響水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池調(diào)質(zhì)效果的主要因素。當(dāng)回流比在0～1區(qū)間時，調(diào)質(zhì)功能系數(shù)隨回流比的增大而快速增大，回流比等于1時調(diào)質(zhì)功能系數(shù)可達(dá)0.82，此區(qū)間內(nèi)增大回流比可大幅度提高調(diào)質(zhì)功能系數(shù)，即增強(qiáng)調(diào)質(zhì)池的調(diào)質(zhì)效果；當(dāng)回流比大于1時，調(diào)質(zhì)功能系數(shù)隨回流比的增長變緩；當(dāng)回流比大于4時，調(diào)質(zhì)功能系數(shù)隨回流比的增長幅度進(jìn)一步減小。調(diào)整回流比應(yīng)綜合考慮運行成本與調(diào)質(zhì)功能系數(shù)的提升幅度。

(2)回流配水管高度對調(diào)質(zhì)池的調(diào)質(zhì)效果無明顯影響。調(diào)質(zhì)功能系數(shù)在回流配水管高度為50～350 mm范圍內(nèi)的變化幅度僅為3.7%，相比回流比取值范圍內(nèi)的變化幅度(27.8%)大為減小。當(dāng)配水管高度接近出水口時，調(diào)質(zhì)功能系數(shù)有小幅增長，建議將回流配水管設(shè)置高度與出水口高度相近。需要提升調(diào)質(zhì)池的調(diào)制效果時，應(yīng)優(yōu)先考慮回流比因素。

(3)無輔助設(shè)備的調(diào)質(zhì)池本身具備一定的調(diào)質(zhì)能力，但隨著進(jìn)水質(zhì)量波動周期的增大，無輔助設(shè)備調(diào)質(zhì)池的調(diào)質(zhì)效果會逐步降低。水泵強(qiáng)制循環(huán)式調(diào)質(zhì)池可明顯增強(qiáng)調(diào)質(zhì)池的調(diào)質(zhì)效果，是一種理想、有效的抑制水質(zhì)波動的調(diào)質(zhì)系統(tǒng)。