立體循環(huán)一體化氧化溝中加設(shè)導(dǎo)流板的水力優(yōu)化研究

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(dòng)裝置對(duì)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(dòng)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(duì)于鎮(zhèn)級(jí)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(duì)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(duì)曝氣轉(zhuǎn)盤、水下推動(dòng)器單獨(dú)運(yùn)行以及聯(lián)合運(yùn)行時(shí)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(dòng)器可以對(duì)低速區(qū)的混合液循環(huán)流動(dòng)起到積極推動(dòng)作用，同時(shí)可為增加溝深所引起的氧化溝溝底混合推動(dòng)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(duì)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(shí)對(duì)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(gè)，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(gè)，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(dòng)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(gè)無厚度的圓盤面，通過圓盤面后壓強(qiáng)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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(duì)水面進(jìn)行剛蓋假定，其速度、湍流彌散通量、湍流動(dòng)能通量均為常數(shù)，即假設(shè)反應(yīng)時(shí)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(gè)監(jiān)測斷面(S1、S2和S3)，每個(gè)斷面上選取4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；下溝道布設(shè)2個(gè)監(jiān)測斷面(S5、S6)，每個(gè)斷面上等距選取3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；在左右兩側(cè)彎道各分布1個(gè)監(jiān)測斷面(S4、S7)，每個(gè)斷面上等距選取4個(gè)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(duì)比如圖3所示。模擬值與實(shí)測值相對(duì)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(gè)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(shí)，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(duì)不同斷面，除1.0 m、5.5 m時(shí)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(hào)斷面平均流速最大，2號(hào)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(duì)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(shí)，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(shí)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(shí)開啟時(shí)各斷面流速分布

由圖8可以看出，同時(shí)增設(shè)導(dǎo)流板、開啟推流器時(shí)，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(duì)厭氧區(qū)產(chǎn)生推動(dòng)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(duì)氧化溝流速分布的改善作用在整個(gè)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，可減少能耗的損失。