不同流量下污水沉淀池的數(shù)值仿真

，，

(1.新疆工程學(xué)院，烏魯木齊 830000;2.內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

0 引 言

隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，使水污染狀況不斷加劇。目前解決的辦法主要是：強化水處理工藝，沉淀池是污水處理過程的一個重要工具，其內(nèi)部流動狀態(tài)的好壞將是水處理系統(tǒng)的成敗[1-2]。曾光明、秦肖生[3-4]利用渦量-流函數(shù)法對平流式沉淀池進行數(shù)值模擬，確定了擋板位置與去除率之間的關(guān)系。蔡金傍[5]通過對平流式沉淀池添加示蹤劑也得到了流速、長高比與去除率之間的關(guān)系。屈強[6]對折流式沉淀池的流場進行了模擬，并在此基礎(chǔ)上進行了初步的分析。張莊[7]提出了的沉砂池中懸浮物的數(shù)學(xué)模型并用該模型對典型的圓形沉砂池內(nèi)的流場、懸浮物濃度、分布及沉淀效率進行了模擬。由于輻流式沉淀池的機械排泥，運行較好，管理較簡單，排泥設(shè)備已經(jīng)趨于定型等諸多優(yōu)點使輻式沉淀池在沉降潔凈水技術(shù)中越來越得到了廣泛的應(yīng)用，同時由于流體力學(xué)和計算機技術(shù)的發(fā)展，對輻式沉降池的設(shè)計也得到了優(yōu)化。以往用來模擬的沉淀池的各種模型都是對要建設(shè)的沉淀池進行設(shè)計優(yōu)化及結(jié)構(gòu)改造，很少考慮當(dāng)沉淀池的池型已定時改變水流、水質(zhì)等因素時，是否會對沉淀池的沉淀效率產(chǎn)生比較大的影響。文中主要利用CFD軟件對其輻式沉淀池進行三維數(shù)值模擬，分析其在不同流量條件下固液分離效果，以期更大程度的發(fā)揮沉淀池的功能，使其經(jīng)濟低耗的運行。

1 物理模型及數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

輻流式沉淀池的進水管設(shè)在池中心，流出槽設(shè)在池子四周，常也被稱為中心進水周邊出水輻流式沉淀池。文中所要研究的對象的結(jié)構(gòu)尺寸列于表1，單位：m。

表1 結(jié)構(gòu)尺寸 m

泥斗設(shè)在池中央，池底向中心傾斜，垂直擋板，用于把來流引向池底，水平擋板，用于防止進水和污泥回流之間的短流，如圖1所示。

圖1 輻式沉淀池的三維模型圖注：1.污泥出口;2.水平擋板;3.垂直擋板 4.清潔水入口;5.處理后水出口

1.2 數(shù)學(xué)模型

中心進水周邊出水的輻式沉淀池，r方向為沉淀池半徑的方向，z方向為垂直方向。輻式沉淀池內(nèi)的水流流動為不可壓縮的二維軸對稱流動。

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

r方向

z方向

由于要對沉淀池在不同流量條件下的運行狀況的流場進行研究，沉淀池內(nèi)水流流態(tài)為湍流，建立k-ε湍流方程為：

湍動能k方程：

湍動能耗散率ε

式中，

Pr是普朗特數(shù)，Prt是湍流普朗特數(shù)均取為0.7。

Cu,Cε1,Cε2,σk,σε為模型常數(shù)它們的的值為0.09，1.41，1.92，1.0，1.3。

渦粘性系數(shù)vt

2 計算結(jié)果及分析

2.1 沉淀池的流場分析

通過對進口速度分別為0.019、0.038、0.057 m/s的三個不同流速下的速度場及污水體積分?jǐn)?shù)的計算結(jié)果如圖2至圖4所示。

圖2 在V=0.019 m/s下流場圖

圖3 在V=0.038 m/s下流場圖

圖4 在V=0.057 m/s下流場圖

仿真結(jié)果表明，在其他條件不變的情況下進口流速越小，固體的沉淀效果越好，因此，可適當(dāng)?shù)臏p小進口流量，來提沉淀池的沉降效果。同時由于回流區(qū)域的存在，導(dǎo)致實際沉淀池的水力停留時間比理想沉淀池所計算的時間少，所以沉淀池的沉淀效果達不到設(shè)計的要求，如圖5至圖7所示。

圖5 在V=0.019 m/s下的體積分?jǐn)?shù)云圖

圖6 在V=0.038 m/s下的污水體積分?jǐn)?shù)云圖

圖7 在V=0.057 m/s 下的污水體積分?jǐn)?shù)云圖

通過對污水體積率的分布圖及其云圖可以看出，水平擋板對沉淀池流場及處理效果有很重要的影響，水平擋板的位置對沉淀池的流場產(chǎn)生影響，主要體現(xiàn)在擋板位置的設(shè)置會增加沉淀池內(nèi)部的回流區(qū)域，從而減小沉淀池的有效停留時間，降低沉淀池的沉降效果。

圖8 019 m/s高度方向的污水體積分?jǐn)?shù)

圖9 V=0.038 m/s高度方向的污水體積分?jǐn)?shù)

圖10 V=0.057 m/s高度方向污水體積分?jǐn)?shù)

去除率是判斷沉淀池運行效果好壞最重要的參數(shù)，文中通過對出口懸浮物平均濃度的模擬計算，得到了沉淀池隨時間變化的去除率，如圖8至圖10所示。

式中：η為去除率，%；Cin為沉淀池進口懸浮物濃度kg/m3；Cout為沉淀池出口處濃度kg/m3。

圖11 不同流量下的去除率與時間的關(guān)系

沉淀池從出泥開始，去除率逐漸下降，且在相同時間間隔內(nèi)去除率下降的幅度越來越大。速度小的沉淀池的去除率要高于速度大的，去除率下降的原因是池底懸浮物濃度的增大，使水流在池內(nèi)的停留時間越來越短造成的，同時進口速度小的流體在池內(nèi)流動時間長，所以去除率會高于進口速度大的沉淀池，如圖11所示。

4 結(jié) 論

文中對輻式沉淀池的工況進行了數(shù)值模擬。得到了三種流量下的沉淀池的速度場，污水體積率的分布情況，通過分析其變化得到了一些結(jié)論與成果，現(xiàn)歸納如下：

(1)建立了描述沉淀池內(nèi)水流運動的三維湍流的k-ε雙層模型及計算方法。

(2)對所建立的輻式沉淀池的三維模型的流場，體積分?jǐn)?shù)，及去除率進行計算，計算結(jié)果顯示進口速度小的去除率優(yōu)于進口速度大的。

(3)水平擋板位置的設(shè)置對沉淀池的沉淀效果有較大的影響。

[1] P，Chatellier J M Cudic.A New Model for Wastewater Treatment Plant Clarifier Simulation[J]. Water Research， 2000.34(2):690-693.

[2] 范 晶，郜 瑩，肖 洋.哈爾濱市9種濕地植物在不同HRT下凈污效果研究[J].森林工程，2012，28(6)：22-24+27.

[3] 曾光明,葛衛(wèi)華,秦肖生，等.污水廠二維沉淀池水流和懸浮物運動數(shù)值模擬[J].中國環(huán)境科學(xué),2002,22(4):338-341.

[4] 曾光明,葛衛(wèi)華,秦肖生，等.數(shù)值模擬方法在二維沉淀優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J].環(huán)境工程，2002,20(2):10-12.

[5] 蔡金傍,段祥寶.沉淀池水流數(shù)值模擬[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報，2003,25(4):64-69.

[6] 屈 強,馬魯銘,王紅武，等.折流式沉淀池流態(tài)數(shù)值模擬[J].中國給水排水，2005,21(4):58-61.

[7] 張 莊.沉淀池沉淀效果的數(shù)值分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1998,38(1):96-99.