輻流式二沉池的流場仿真及評價指標的構建

蔣竹荷,蔣劍虹*,樊 佳,陶 霞,唐清暢,姚 望

(1.中機國際工程設計研究院有限責任公司,中國 長沙 410007;2.湖南省水處理過程與裝備工程技術研究中心,中國 長沙 410007;3.長沙市水處理過程與裝備技術創新中心,中國 長沙 410007;4.湖南大學環境科學與工程學院,中國 長沙 410082)

在城鎮污水處理過程中,二沉池設置于曝氣池之后,是活性污泥法處理系統重要組成部分。其沉淀效果直接影響出水水質和回流污泥濃度。與其它形式沉淀池相比,周邊進水周邊出水輻流式二沉池具有水力負荷、固體負荷和回流污泥濃度高等優勢[1,2]。但同時,該形式的二沉池運行效果對配水及其導流裝置的水力設計敏感度極高[3,4]。若設計不當,則極易出現配水不均,后續引發短流、二次流和異重流等一系列不利的水流流型及流態,導致二沉池容積利用率低,進而引發翻泥、跑泥、出水水質和回流污泥濃度無法達到設計要求。

目前,二沉池的流場特性及其優劣程度主要依靠在投入運行的池體內進行物理實驗測量。常用的方法有流速測試法及示蹤劑法[5,6]。這些方法均耗時長,且費用昂貴。而使用CFD模型則可以在任意階段對二沉池進行模擬分析,并依據模擬結果對流場表現進行評估。王樂對二沉池固液分離及其模擬機理進行了研究,通過與實驗結果對比,闡述了不同模擬方法對流場結構模擬的影響[7]。Griborio等人利用CFD模型對擬建圓形初沉池做了潛在水力風險點的甄別,并基于此進行了設計優化,解決了配水不均勻及短流等問題[8]。Wilson等人利用經校準的不同尺度的3D-CFD模型,并結合2D-CFD模型對美國某污水處理廠內已建圓形周進周出二沉池進行了配水均勻性、絮凝潛力(G值)及出水SS的評估[9]。朱貽鳴等人則使用CFD模型比較了不同負荷、不同回流比對二沉池內部的流場變化和污泥質量濃度分布的影響,以此計算出該池最佳表面負荷[10]。

目前,針對沉淀池的CFD模擬研究集中在建模方法及理論,或針對某個特定池體的評估及優化,存在實際操作成本高和通用性不強的問題。本研究以湖南某污水廠周進周出輻流式二沉池為研究對象,分別使用VOF兩相流和單相流的3D-CFD模型評估其配水均勻性及池內水力條件,并提出一套快速、可靠的CFD模型構建方法及其評估體系,為二沉池設計及運行優化提供科學依據。

1 研究方法

1.1 CFD模型

1.1.1 控制方程 考慮到二沉池水力半徑大,且池內流體為非牛頓流體,具有流變特性,使池內流場結構湍流特征明顯。因此,選用描述湍流的雷諾斯托克斯方程(Navier-Stokes Equations,N-S方程)作為本次數學建模的控制方程。其在理想流體歐拉方程的基礎上,加入了流體粘度這一關鍵影響因素。

本研究不考慮傳熱過程,因此,略去了能量守恒方程,并選取描述不可壓縮、牛頓型流體的N-S方程來描述流體的流動。

質量守恒:

?·u=0,

(1)

動量守恒:

(2)

1.1.2 湍流模型 由于雷諾時均的N-S方程并不封閉,即方程組的未知數大于方程數,因此,需引入湍流模型(即:湍動能方程及湍流耗散率方程)來進行“湍流封閉”?？紤]到二沉池中雷諾數變化大、壁面對流體流動影響強,在眾多湍流方程中,選取能夠描述寬雷諾數范圍、同時較為準確描述近、遠離壁面的k-ωSST湍流模型[11]。

湍動能方程:

(3)

湍流耗散方程:

(4)

F1=tanh(arg1),

(5)

(6)

1.1.3 多相流模型 由于本研究目的為評估輻流式二沉池內的流體流型以及水流流速在池體內的分布,不涉及污泥沉降效果,因此無需考慮污泥這一相[7,12]。針對二沉池配水均勻性問題,由于水頭損失為影響配水均勻性的重要因素,且自由液面的位置對于明渠流動阻力影響大,因此應在建模時采用VOF模型。而對于池內流場評估,綜合考慮計算成本等因素,僅考慮水這一相。

1.1.4 模型幾何及網格劃分 以湖南省某污水處理廠周進周出輻流式二沉池為研究對象。該池直徑30 m,池深5 m,池底坡度為0.01。進水采用牛角型配水廊道,靠近進水口的廊道寬度最寬,遠離進口的廊道寬度最窄。59個配水孔均勻分布在配水廊道底部,直徑為100 mm。該池的設計規模為1.5×104(m3·d-1),污泥回流比為80 %。水力負荷為1.35 m3/(m2·h),固體負荷為152.78 kg/(m2·h)。本研究分別對現狀方案和優化方案建模,兩個CFD模型的幾何形式見圖1和圖2。

圖1 配水幾何模型: (a) 現狀方案;(b) 優化方案

圖2 流場幾何模型(a) 現狀方案;(b) 優化方案

圖3 流程池徑比示意圖

經網格無關性測試,本研究使用的CFD模型網格尺度為0.01 m～0.25 m,網格劃分為六面體中心、多面體包圍的形式。所有壁面均添加了3層壁面層。最終配水幾何模型及流場幾何模型的總網格數量分別約為200萬個和40萬個。

1.1.5 邊界條件及數值求解 本研究使用壓力基求解,選用有限體積法離散方程,SIMPLEC半隱式算法求解控制方程式。計算求解均選取二階迎風格式,兩模型邊界條件如表1所示。

表1 周進周出輻流式二沉池CFD模型模擬的邊界條件

1.2 流場評價指標

設計周進周出輻流式二沉池時,選取的水力負荷以及沉淀時間均基于一種理想的水力條件假設。這種假設認為,進水完全均勻地沿池周向池內配水;沿半徑方向水流流動性好,無流速極低的區域;且顆粒完全按設計沉淀時間發生沉淀。但在實際運行中,輻流式二沉池普遍存在配水不均、池中心存在清水區、沉淀時間偏低等情況,影響沉淀效果,導致實際運行出水與設計出水偏差較大。因此,有必要針對這3個方面提出評價指標,以科學、定量分析實際與理想水力條件的偏差大小。

1.2.1 配水均勻性 二沉池理想的進水條件為通過每一個配水孔的流量完全相等。此時,過孔流量由下式表達。

q_ideal=Q/n,

(7)

式中,q_ideal是理想配水條件下通過配水孔的流量,m3·s-1;Q是進入沉淀池配水廊道的水流流量,m3·s-1;n是配水孔的數量,個。真實情況下的配水受諸多因素的影響,通過每個孔的水流流量用qi表示。此時,引入過流偏差的概念:

Diff=(qi-q_ideal)/q_ideal×100%,

(8)

式中,Diff表示過流偏差,%。它可用來衡量每個孔真實通過的水流流量與理想流量的差距。該值不宜超出±15 %。若該值在±5 %以內,則認為配水均勻性好[4]。

1.2.2 流程池徑比 沉淀池縱斷面上理想的水流軌跡應如下圖黑色箭頭所示。

為量化沉淀池縱剖面上的流程有效長度,本研究提出流程池徑比的概念:

舊學院入口處的建筑頂部，有一個巨大的穹頂，穹頂部分是1887年修建的，與原有的院落型建筑完美地結合在一起，可謂畫龍點睛的一筆。穹頂上還有一座鍍金雕像，名為“青春”，是蘇格蘭雕塑家約翰·哈奇森的作品。

(9)

式中,F表示流程池徑比,%;L1為經配水孔進入池體的水流由池壁流至池中心方向最遠處所經過的路程長度,m;L2為水流由池中心向出水堰流去過程中所經過的路程長度,m;D為池體直徑,m。

流程池徑比可用于評估二沉池整體水力設計的合理程度。F接近100%時,表示進入二沉池的水流流束能夠在池體下半部分均勻擴散,沿徑向流至池中心,池中心無靜滯區(又稱死水區)、無短流。F越小,則入流在池內的水力表現越偏離上述情況,池體容積利用率越低。當F小于60%時,認為此時二沉池水力設計不合理,需要重新校核設計參數,如:配水廊道的寬度變化、配水孔直徑、配水導流裝置及徑深比等。

1.2.3 沉淀時間比率 為量化實際停留時間和理論沉淀時間的偏離,本研究提出沉淀時間比率(η)概念,具體為有效沉淀時間與理論沉淀時間的比值:

(10)

(11)

2 模型驗證

2.1 實驗材料與方法

通過比對模擬結果與文獻中的實驗結果,測試1.1節中的建模方法是否夠準確反映:(1)水流通過孔口引起的水頭損失;(2)正常運行的輻流式沉淀池內的流速場。選取Idelchik[13]實驗中與本研究配水孔口相同直徑孔口在不同流量下的過孔水頭損失數據,以驗證配水模型的準確性。選取Ramin[14]等在丹麥某污水廠內輻流式二沉池獲得的固定半徑上的位置、不同水深處水平流速的實驗數據,以探究以水為介質的單相流CFD模型與實際運行的二沉池內水平方向流速的差距程度。

2.2 模型驗證結果

水流通過孔口產生的水頭損失模擬結果見表2,誤差控制在10%以內,說明本研究模擬方法可以準確反映水流通過孔口的流動特征,并準確描述由其產生的水頭損失。

表2 過孔水頭損失模擬驗證結果

以距離池中心3 m處為例,該位置不同深度水流在水平方向(即模型中的X方向)速度的模擬值與實測值比對見圖4。由圖4可知,模型能夠準確地描述二沉池縱向上的流速大小及方向的變化趨勢,也能準確地描述速度的最大值,最大流速值的模擬誤差為1.5%。由圖4還可知,模型中流速發生劇烈變化的位置比真實情況偏高,這是由于水比活性污泥混合液比重更低。

圖4 Ramin二沉池半徑方向3 m處流速隨水深的變化模擬與實驗值對比

3 結果與討論

3.1 配水均勻性

為評估現狀二沉池的配水均勻性及其優化效果,使用1.2.1節的評估方法對現狀及優化后方案模擬結果進行計算整理,結果如圖5所示。圖中,橫坐標由1至59表示沿進水廊道寬度由寬至窄、均勻布置于廊道底部的配水孔口,縱坐標表示各孔口模擬得到的過流流量與理想配水條件下的過流流量的偏差百分比。其中,虛線表示現狀方案,實線表示優化方案。

圖5 模擬二沉池配水均勻性結果

圖6 配水模型的模擬結果:(a) 三維流線圖疊加自由液面速度云圖;(b) 配水廊道中間水深處速度矢量圖

為減小配水廊道寬度突然變化引起的配水均勻性波動,優化方案將廊道最寬與最窄處封堵,變為設計中經典的牛角形配水廊道。對于該種形式的配水槽,其設計理念為:(1)廊道內各點處水流流態為緩流,即各點處弗勞德數 (Fr) 小于1;(2)從進水端至配水槽末端,在底部坡度不變的條件下,每個配水孔出流量相等,因此需要廊道內各點水面高度(Hi)保持恒定,進而推得廊道寬度(Bi)需逐步減小。

優化方案的配水均勻性見圖5實線。與現狀(圖中虛線)對比,配水均勻性得到極大提升,認為該形式配水廊道達到設計目標。但值得注意的是,第一個孔口流量比理想值偏低了16.8%,這說明在進水流速較高的情況下,第一個孔口處絕大多數水流撞擊廊道壁后反彈向左右擴散。

3.2 流場特征及優化

采用1.1節中所述方法建立的CFD模型對現狀二沉池橫斷面上的流速場做可視化處理,結果如圖7 (a) 和(b)所示。由圖7 (a)可知,池內有明顯伴有旋流作用的輻流流型。結合圖7 (b)可看出,水流在池深方向的上部斜向下進入沉淀區,與配水孔正下方處的流速相比較,此處流速未發生明顯降低,導致該斜向下流束湍流作用強(不利于沉淀)、觸底流速高(極易卷起沉泥);池中心有較大范圍的靜滯區,說明此處流體難以參與到與周邊流體的傳質,不利于沉淀;該池有短流,容積利用率不高。

一般認為周進周出式二沉池的流場流態可以通過調整配水系統、池體幾何(如:半徑、池深)以及底坡等優化[1]。本優化方案主要針對配水廊道下方的配水導流裝置。由圖7 (c)和 (d)可知,通過調整導流板的形式、位置、方向及尺寸,輻流式沉淀池流場整流效果明顯。對比圖7 (a)和 (c),整流后的沉淀區流線平順、整齊,池中絕大部分的輻流流型清晰。對比圖7 (b)和(d),整流后經配水孔進入沉淀池的水流在導流板和池壁間充分擴散、消能,進入沉淀區的流速相較于配水孔處流速有明顯降低,紊流現象不明顯,形成有利于沉淀的水力條件。

3.3 流場優化效果

采用本研究提出的評估指標定量表征優化方案的改進效果,結果見表3。

由表3可以看出,現狀方案的流程池徑比及沉淀時間比率都不理想,優化配水導流裝置后流程池徑比提升了35.4%,沉淀時間比率提升了39.0%。研究結果表明,周進周出輻流式二沉池的流場表現對配水導流裝置十分敏感,可以通過優化配水,明顯提升沉淀池的處理效果。

4 結論

本研究對實際運行中的某廠二沉池進行了CFD模型的構建、驗證、模擬及分析。提出了一套適用于評估沉淀效果的水力評價指標,并對現狀及優化方案進行了流場評價。結論如下:

1)VOF模型及適應本池幾何特征的網格劃分策略可以準確模擬明渠內的自由液面位置及過孔流速,可用于評估配水均勻性。經驗證,模型的模擬誤差在10%之內。

2)以水為流體的單相流CFD模型和湍流模型可以描述二沉池內部流場流態。經驗證,模型可反映二沉池半徑不同位置處流速隨水深變化的趨勢,最大流速值的模擬誤差在5%之內。

3)研究提出流程池徑比、沉淀時間比率可以較客觀量化評價不同直徑的二沉池的沉淀水力性狀,具有較好的實際應用價值。

4) 通過優化現狀二沉池配水廊道的幾何形狀可有效提升二沉池進水的均勻性,有利于提高沉淀池的容積利用率及沉淀效率。配水均勻性可控制在±5%以內。

5) 周進周出輻流式二沉池的流場表現對配水導流裝置十分敏感,通過優化配水導流裝置可形成有利于沉淀的水力條件。本研究案例優化后二沉池的流程池徑比及沉淀時間比率可分別提升35.4%和39.0%。