基于柵條式微渦絮凝的隧道廢水處理技術(shù)數(shù)值模擬

張東海

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司, 陜西 西安 710043)

隨著國內(nèi)鐵路運輸?shù)母咚侔l(fā)展以及鐵路沿線環(huán)保要求的日益提高,鐵路建設(shè)施工期隧道廢水的處理問題日益凸顯.目前主要采用沉砂、混凝沉淀、水旋澄清等工藝對隧道廢水中的目標(biāo)污染物(suspended substance,SS)進行去除.去除率一般可達到60%～85%[1-4],能夠滿足現(xiàn)行《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)[5]一級標(biāo)準(zhǔn)中SS為70 mg/L的排放要求.但在一些環(huán)境敏感區(qū)域的新建鐵路已經(jīng)開始執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[6],部分地區(qū)要求SS出水小于25 mg/L.同時由于現(xiàn)場施工面積有限,缺乏專業(yè)技術(shù)人員,這對廢水處理設(shè)備的處理效率及可靠性都提出了很高的要求.因此為進一步提升水處理設(shè)備的處理效率及處理精度,很多學(xué)者開始從混凝動力學(xué)入手,試圖找到一種可以加速顆粒碰撞,提升混凝反應(yīng)的途徑.目前具有代表性的高效除濁混凝理論是1962年由Levich先生提出的微渦混凝理論[7-8].該理論指出當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)形成與顆粒尺度相近的渦旋時才能加劇顆粒之間的碰撞從而實現(xiàn)高效絮凝.王紹文[9]在傳統(tǒng)給水處理工藝基礎(chǔ)上開發(fā)了渦旋混凝低脈動沉淀凈水處理技術(shù),依靠流道上布設(shè)的多層小孔眼網(wǎng)格使水流穿越網(wǎng)格后形成微渦旋,利用微渦旋的離心慣性效應(yīng)和剪切效應(yīng)完成顆粒的高速聚集.童禎恭等[10]研發(fā)了渦流網(wǎng)格絮凝反應(yīng)器,利用網(wǎng)格狀的空心球體在流場中提供用于混凝的微渦旋,實現(xiàn)高效混凝的目的.此外在一些絮凝設(shè)備改良以及新型絮凝反應(yīng)器中均不約而同的采用了類似的原理.例如網(wǎng)格絮凝池[11]、空心渦旋絮凝球[12]、法蘭式管道絮凝器[13]等.

基于上述廢水高效除濁技術(shù),本文從微渦絮凝技術(shù)出發(fā),通過數(shù)值模擬手段對不同結(jié)構(gòu)形式的造渦柵條進行分析,并在此基礎(chǔ)上進行模擬隧道廢水處理實驗驗證,論證微渦強化絮凝技術(shù)在隧道廢水處理上的可行性.

1 有限元分析計算

1.1 計算模型建立

選用直徑為110 mm的圓柱體作為反應(yīng)器,在距離反應(yīng)器底部150 mm處設(shè)置兩根切向進水管,進水管內(nèi)徑為6 mm.在進水管上方50 mm處設(shè)置用于制造微渦旋的柵條式微渦發(fā)生器.建模后的模型如圖1a所示,柵條式微渦發(fā)生器模型如圖1b所示.

圖1 反應(yīng)器及擾流柵條模型Fig.1 Model of reactor and grids

1.2 計算參數(shù)及計算模型確定

1) 模型簡介

本文主要針對柵條式微渦發(fā)生器的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為研究變量,以邊長為5 mm的方形柵條作為基準(zhǔn)柵條(圖1b),柵條呈十字形布置,每側(cè)布置3根柵條,高度分別為200、400、600 mm,柵條兩兩之間的間距為11 mm.分別考慮柵條粗細、布置間距、長度對廢水的混凝效果.選取反應(yīng)器內(nèi)特征斷面的湍動能、湍耗散作為反應(yīng)器混凝的混凝動力學(xué)指標(biāo).根據(jù)該類指標(biāo)評選最優(yōu)形式的柵條并進行實驗驗證.

2) 網(wǎng)格劃分

實驗過程中采用Solidworks建立計算模型,采用ICEM軟件進行網(wǎng)格劃分.為了進一步提高數(shù)值模擬精度,對反應(yīng)器壁面處以及柵條表面的網(wǎng)格進行加密處理,經(jīng)過多次網(wǎng)格獨立性檢驗,最終計算網(wǎng)格數(shù)量為7 654 029,所用軟件均為試用版.

3) 邊界層條件及計算模型選擇

反應(yīng)器入口處選擇速度入口(velocity-inlet),出口選擇壓力出口(pressure-outlet),默認出口處為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓.設(shè)置進口流速為1.5 m/s,進口處湍流強度為5.13%,出口處湍流強度為6.77%.選擇Z軸方向為重力方向,設(shè)置重力加速度-9.8 m/s2.為保證模擬結(jié)果盡可能貼合旋流場特征,計算過程中選取具有旋流修正項的RNGk-ε模型.

4) 評價指標(biāo)選取

混凝動力學(xué)的流場表征參數(shù)主要有湍動能k、湍耗散ε等[14-15].其中湍動能主要通過雷諾切應(yīng)力做功為湍流提供能量,通常流體區(qū)域內(nèi)的k值越大,單位質(zhì)量流體的紊動程度越劇烈,渦旋數(shù)量及其剪切力越強,有利于形成較為致密的絮體.湍動能耗散率(簡稱湍耗散)主要指渦旋在衰減過程中的粘性耗散,是對顆粒碰撞聚集所需的有效能量的表達.

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 柵條粗細對流場混凝效率的影響

采用Tecplot軟件對反應(yīng)器不同高度特征斷面的湍動能及湍耗散分布云圖進行繪制.不同粗細柵條下的湍動能對比云圖如圖2所示.由圖2可知,流場中分別加入邊長為5 mm和10 mm的兩種柵條后,湍動能均發(fā)生明顯激增,其中沿徑向方向最外側(cè)柵條迎流面處湍動能最大,流場紊動最劇烈.同時5 mm柵條對于初始段流場的擾動作用較小,在Z=300 mm的斷面上,其中心區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)低湍動區(qū),流場的能量維持效果較好.在此基礎(chǔ)上進一步對反應(yīng)器特征斷面的湍耗散分布進行分析,湍耗散云圖分布如圖3所示.由圖3可知,兩種不同粗細的柵條其湍耗散ε的分布較為接近,均在柵條的迎流面以及反應(yīng)器邊壁處產(chǎn)生較強的湍耗散.

圖2 不同粗細柵條沿反應(yīng)器高程方向湍動能分布云圖Fig.2 Turbulent kinetic energy distribution along the reactor elevation for different thicknesses of grids

圖3 不同粗細柵條沿反應(yīng)器高程方向湍耗散分布云圖Fig.3 Cloud plot of turbulent kinetic energy dissipation rate along the reactor elevation for different thicknesses of grids

為進一步明確不同粗細的柵條對流場內(nèi)的湍動能及湍耗散的影響,在對上述云圖分析的基礎(chǔ)上進一步分析各斷面的湍動能及湍耗散均值.不同粗細柵條沿反應(yīng)器高程方向各特征斷面的平均湍動能變化情況如圖4所示,選用5 mm柵條時,200 mm處的平均湍動能可達9.43×10-4m2/s2,而直徑10 mm的柵條較之5 mm柵條的平均湍動能下降了5.12%.在250 mm斷面處,10 mm柵條較之5 mm柵條有3.42%的提升.在250 mm后,10 mm柵條在流場中的平均湍動能均低于5 mm柵條.這表明10 mm柵條的引入對絮凝流場造成極大的阻礙,致使流場紊動降低.

圖4 不同粗細柵條沿反應(yīng)器高程方向平均湍動能變化

圖5為不同粗細柵條沿反應(yīng)器高程方向各特征斷面的平均湍耗散變化情況.由圖5可知,反應(yīng)器各斷面的平均湍耗散變化規(guī)律與湍動能的變化規(guī)律一致.在200 mm斷面處,5 mm柵條的平均湍耗散較之10 mm柵條提升了29.12%,但在250 mm斷面處,5 mm柵條的平均湍耗散較之10 mm柵條減少了25%.在250 mm后,5 mm柵條引起的平均湍耗散均高于10 mm柵條.

圖5 不同粗細柵條沿高程方向平均湍耗散變化

上述數(shù)值模擬實驗結(jié)果表明,流場內(nèi)的柵條過粗會導(dǎo)致流場的紊動減弱,湍動能和湍耗散都會產(chǎn)生不同程度的下降,致使顆粒的初期碰撞和后期聚集程度都會減弱.因此在混凝過程中宜選擇邊長為5 mm的柵條.

2.2 柵條布置間距對流場混凝效率的影響

在上述模擬模型基礎(chǔ)上,控制柵條粗細為5 mm,將柵條布置間距從11 mm縮小至3 mm進行比對.圖6和圖7分別為不同粗細柵條沿反應(yīng)器高程方向的湍動能分布云圖和湍耗散分布云圖.由圖6可知,當(dāng)柵條間距減小至3 mm時,水流的旋流過程會受到很強的阻礙,從而在柵條的背流面處形成4個三角形狀的低湍動區(qū).這與采用粗柵條形成的流場是較為相似的.當(dāng)水流進一步運動至500 mm以后兩種流場的狀態(tài)基本一致,僅在柵條迎流面處有明顯的局部紊動.由圖7可知,當(dāng)柵條間距從11 mm縮減至3 mm時,在200 mm斷面處湍動能降低了19.8%,到400 mm斷面時,湍動能仍有16.5%的降幅.這表明,柵條間距縮短后,流場的湍動能值會在柵條的間隙處發(fā)生局部激增,但是流場整體的湍動能值處于下降水平,這將不利于藥劑在水中的湍流擴散以及初始顆粒的碰撞.

圖6 不同柵條布置間距下流場湍動能云圖Fig.6 Turbulent energy cloud of flow field with different grid arrangement spacing

圖7 不同柵條布置間距下流場湍耗散云圖

圖8和圖9分別為柵條間距在11 mm和3 mm時反應(yīng)器沿高程方向各斷面的湍動能和湍耗散平均值.由圖8可知,流場內(nèi)的柵條間距由11 mm降至3mm時,流場的湍耗散分布由原先的扇葉狀分布轉(zhuǎn)變?yōu)槿欠植?同時由于柵條間距的減小致使流場內(nèi)阻滯作用增加,流場內(nèi)的低湍耗散分布區(qū)明顯增加,進一步觀察500～700 mm斷面可知,柵條間距為11 mm時,雖然水流的旋流能力減弱,但是在柵條的背流面處仍存在一定程度的旋流跡象.當(dāng)柵條間距減小至3 mm后這種旋流跡象明顯減弱.由圖9進一步可知,柵條間距減小后,斷面的平均湍耗散分別出現(xiàn)不同程度的降低,降低幅度為13.3%～20.1%.

圖8 不同柵條布置間距下沿反應(yīng)器高程的湍動能分布變化Fig.8 Variation of turbulent energy distribution along the reactor elevation with different grate arrangement spacing

以上結(jié)果表明過小的柵條間距會增加旋流反應(yīng)器內(nèi)的阻滯作用,反應(yīng)器各斷面的湍動能和湍耗散都會降低,水流的紊動效果變?nèi)?致使顆粒在混凝過程中得不到足夠用于碰撞聚集的能量,從而絮凝效率降低.因此柵條間距宜選擇為11 mm.

2.3 柵條長度對渦旋流場的影響

在上述模擬模型基礎(chǔ)上,控制柵條粗細為5 mm,柵條間距為11 mm,延長原模型中柵條的長度,將200、400、600 mm的柵條高度調(diào)整為400、600、800 mm后進行對比.其中200、400、600 mm的柵條簡稱為246組合,400、600、800 mm的柵條簡稱為468組合.

圖10和圖11分別為兩種不同長度組合的湍動能及湍耗散各特征斷面的云圖分布情況.由圖10可知,兩種不同的組合形式下,各斷面的湍動能分布并未發(fā)生明顯變化.說明柵條尺寸和柵條間距一定時,柵條自身長度并不會對湍動能的水平分布產(chǎn)生顯著影響.由圖11可知流場內(nèi)的湍耗散分布與湍動能分布情況基本一致.在300～500 mm區(qū)間內(nèi),兩種長度組合的柵條湍耗散分布基本一致.但在600～700 mm區(qū)間,可以明顯看到468組合的柵條表面能產(chǎn)生更強的耗散波動.

圖11 不同柵條長度布置條件下的湍耗散云圖Fig.11 Turbulent kinetic energy dissipation rate clouds for different grid bar length arrangements

圖12和圖13分別為柵條采用246組合及468組合形式下反應(yīng)器沿高程方向各斷面的湍動能和湍耗散平均值.由圖12可知,流場內(nèi)柵條加長后,在200 mm處湍動能下降9.75%,在200～600 mm區(qū)間內(nèi),468組合的湍動能始終略低于246組合.但從600 mm以后,468組合即長柵條反應(yīng)器內(nèi)的平均湍動能開始高于246組合.由圖13可知,在200 mm處468組合柵條的平均湍耗散較之246組合降低了6.05%,但在600 mm斷面處468組合的柵條較之246組合提升了12.16%.

圖12 不同柵條組合沿反應(yīng)器高程的湍動能分布變化

圖13 不同柵條組合沿反應(yīng)器高程的湍耗散分布變化

以上結(jié)果表明,加長柵條可以起到能量重新傳導(dǎo)分配的作用.在長柵條區(qū),水流中的能量可以通過柵條傳遞至反應(yīng)器中后段,為絮凝中后期的絮體進一步提供用于聚集的能量.因此宜選用468組合的柵條作為最優(yōu)柵條長度組合.

3 實際處理效果對比驗證

3.1 實驗方法

隧道廢水中主要的目標(biāo)污染物為懸浮物SS,其質(zhì)量濃度一般為100～2 000 mg/L左右[3-4].目前對于隧道廢水的研究,由于采用重量法測試SS較為繁瑣耗時,普遍采用濁度作為廢水處理評價指標(biāo)[16].同時廢水中的SS質(zhì)量濃度與濁度本身存在線性關(guān)系,一般SS質(zhì)量濃度是濁度的1.62倍[16-17].同時由于隧道廢水本身的SS來源就是由于隧道爆破產(chǎn)生的礦物類粉塵.因此選用高嶺土作為模擬廢水的致濁物質(zhì),配置濁度為1 300～1 400 NTU(SS質(zhì)量濃度為800～850 mg/L)的模擬廢水進行實驗.根據(jù)前述數(shù)值模擬結(jié)果,選取5 mm柵條,布置間距為11 mm,采用同數(shù)值模擬一致的十字布置方法進行柵條排布.單側(cè)柵條選用400、600、800 mm組合進行水力實驗.實驗中選取聚合氯化鋁(PAC)作為混凝劑,混凝劑投加量為110 mg/L.反應(yīng)器內(nèi)停留時間為2.05 min,沿時間方向從反應(yīng)器的出口斷面處進行取樣.水樣沉淀15 min后測試上清液濁度.

為進一步保證數(shù)值模擬和水力實驗結(jié)果的一致性,選用多普測超聲測速儀對反應(yīng)器不同斷面的流速進行測試,并將實際反應(yīng)器的測速結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比.

3.2 模型速度場檢測

圖14為反應(yīng)器流速測試對比結(jié)果,由圖14可知,數(shù)值模擬特征斷面流速值與實測流速值規(guī)律一致,表明模擬流場結(jié)果可以反應(yīng)實際混凝流場的效果.但數(shù)值模擬結(jié)果略大于實測數(shù)據(jù),其原因在于數(shù)值模擬過程中未考慮懸浮顆粒在碰撞混凝中的能耗.

圖14 數(shù)值模擬速度與流場實際速度對比

3.3 模型出水效果檢測

圖15為柵條式微渦發(fā)生器不同運行時間的出水濁度及濁度去除率變化情況,由圖15可知,反應(yīng)器內(nèi)加入柵條式微渦發(fā)生器后,模擬廢水的剩余濁度在50 min內(nèi)發(fā)生銳減,其上清液濁度在反應(yīng)50 min時達到50.14 NTU,去除率穩(wěn)定達到96.14%.反應(yīng)持續(xù)6 h后,出水濁度始終穩(wěn)定在50 NTU以下,SS質(zhì)量濃度低于25 mg/L,能夠滿足相應(yīng)處理標(biāo)準(zhǔn).這表明該種微渦旋混凝工藝可以作為隧道廢水高效處理的一種處理工藝.

圖15 柵條式渦旋發(fā)生器沿時間出水效果Fig.15 Gridded micro-vortex generators along the time out of the water effect

4 結(jié)論

1) 柵條的粗細主要影響流場的初始紊動以及后續(xù)絮凝能量的衰減程度.選擇邊長為5 mm的柵條能夠為初期混凝流場提供足夠的紊動,同時為中后段絮凝反應(yīng)提供足夠的湍動能及湍耗散.

2) 過小的柵條間距會增加旋流反應(yīng)器內(nèi)的阻滯作用,致使顆粒在混凝過程中得不到足夠用于碰撞聚集的能量,從而絮凝效率降低.因此柵條布置間距宜選擇為11 mm.

3) 柵條長度主要對流場的沿程能量耗散及渦旋產(chǎn)生有影響,較長的柵條可使流場的能量耗散呈現(xiàn)延滯狀態(tài),進而在流場中后段產(chǎn)生持續(xù)性的微渦旋,促進半絮體顆粒的進一步碰撞聚集.因此宜選用長度為400、600、800 mm的柵條作為最優(yōu)柵條長度組合.

4) 用最優(yōu)組合形式的柵條對濁度為1 300 NTU模擬隧道廢水進行了水力絮凝驗證實驗,廢水最終出水濁度可穩(wěn)定在50 NTU以下.表明該種微渦旋混凝工藝可以作為隧道廢水高效處理的一種處理工藝.

致謝:本文得到中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司項目(院科**20-26)的資助,在此表示感謝.