基于cfd的二沉池流態(tài)及固相行為數(shù)值模擬

基于cfd的二沉池流態(tài)及固相行為數(shù)值模擬

二沉池是傳統(tǒng)污水處理廠生物處理的重要處理單元。它主要負(fù)責(zé)從水中分離淤泥，確保廢水水質(zhì)和生物處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。近年來,隨著處理負(fù)荷的不斷提高,許多現(xiàn)有二沉池及部分新建二沉池由于設(shè)計(jì)不合理或運(yùn)行中發(fā)生了污泥反硝化等問題,導(dǎo)致處理效果不理想、懸浮物濃度超標(biāo)。有研究表明,采用數(shù)值模擬的方法可準(zhǔn)確描述二沉池中的流態(tài)以及固相分布,這對(duì)保證二沉池的穩(wěn)定運(yùn)行和出水水質(zhì)起著至關(guān)重要的作用,而計(jì)算流體力學(xué)(CFD)為這一方法提供了一種新的思路。CFD以納維—斯托克斯(N-S)方程組與各種湍流模型為主體,是描述環(huán)境、化工等諸多領(lǐng)域內(nèi)流場(chǎng)、流態(tài)問題的有效工具。Flamant等相繼利用CFD對(duì)二沉池進(jìn)行了模擬研究,并將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,證明了CFD的有效性及其相對(duì)于其他常用數(shù)值方法在精度上的優(yōu)勢(shì)。但是這些研究大都側(cè)重于描述二沉池中的流場(chǎng),而對(duì)池中固相的行為和分布研究甚少。因此,筆者基于CFD對(duì)城市污水處理廠中常見的輻流式二沉池中的流態(tài),特別是其中固相的行為及分布進(jìn)行了模擬研究。1學(xué)習(xí)方法1.1沉池內(nèi)的湍流場(chǎng)流體流動(dòng)滿足質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。在CFD計(jì)算中需要求解的連續(xù)性方程和N-S方程即是描述這些定律的方程。二沉池中的流體流速較低,可被看作是不可壓縮的牛頓流。因此二沉池中流場(chǎng)的控制方程可以表示為:?ui?xi=0(1)?ui?xi=0(1)?ui?t+?uiuj?xj=?1ρ?p?xi+??xj(v?ui?xj)+gi(2)?ui?t+?uiuj?xj=-1ρ?p?xi+??xj(v?ui?xj)+gi(2)Jayanti和屈強(qiáng)等認(rèn)為,二沉池中的流動(dòng)可認(rèn)為是湍流流動(dòng)。對(duì)湍流問題的處理,目前工程上常用的是由雷諾時(shí)均方程得出的湍流模型,Karama等的研究證明,應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型與雷諾應(yīng)力模型模擬所得結(jié)果基本一致。因此,選用最常用的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型進(jìn)行研究。1.2lagrange方法的適用性通常有兩種計(jì)算方法來處理多相流,即歐拉—?dú)W拉(Euler)方法和歐拉—拉格朗日(Lagrange)方法。在Euler方法中,不同的相被處理成互相貫穿的連續(xù)介質(zhì),一種相所占體積無法被其他相占有;而在Lagrange方法中,流體相被處理為連續(xù)相,離散相則被安排在流體相計(jì)算的指定間隙中獨(dú)立完成。離散相和流體相之間可以有動(dòng)量、質(zhì)量和能量的交換。Euler方法計(jì)算耗時(shí)較短,消耗資源較少;而Lagrange方法則能實(shí)現(xiàn)對(duì)離散相顆粒的行為及特點(diǎn)的描述,但它必須忽略離散相顆粒間的影響,因此適用于離散相體積比<10%的情況。由于在Lagrange方法中各個(gè)離散相軌道的計(jì)算相互獨(dú)立,所以并不能獲得某一網(wǎng)格處的固相比率。二沉池中固相的體積比通常在1%以下,因此Lagrange方法是適用的。在研究中,可利用它來描述池中固相顆粒的行為以及水流對(duì)其的影響,同時(shí)利用Euler方法來描述池中的固相分布情況。1.3方程的求解求解CFD過程中的每一步都是標(biāo)準(zhǔn)化的,因此可利用商用CFD軟件進(jìn)行求解,采用目前應(yīng)用最為廣泛的FLUENT軟件進(jìn)行模擬研究。1.4模型驗(yàn)證對(duì)模擬結(jié)果的驗(yàn)證是非常必要的,故以實(shí)際二沉池的數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行比較,以驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性。2結(jié)果和討論2.1采用fluen軟件進(jìn)行模擬研究對(duì)象為某城市污水處理廠的輻流式二沉池,該污水廠的處理規(guī)模為8×104m3/d,設(shè)二沉池2座,直徑為50m,有效水深為4.5m,總水深為7m,單池面積為1960m2。采用中心進(jìn)水、周邊出水的方式,進(jìn)水管直徑為0.5m,雙邊三角堰出水,間歇排泥。正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)水流速為0.1m/s,按純水密度和粘度計(jì)算的雷諾數(shù)為4000。所有的計(jì)算都將應(yīng)用FLUENT軟件6.0進(jìn)行。利用FLUENT進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)是得到一個(gè)研究對(duì)象的簡(jiǎn)化算例。由于輻流式二沉池的軸對(duì)稱性,因此可以得到一個(gè)軸—徑(z-r)方向的二維算例,結(jié)果見圖1。由于排泥間歇進(jìn)行,且間隔時(shí)間足夠長(zhǎng),可以認(rèn)為排泥過程對(duì)池中流態(tài)不會(huì)產(chǎn)生較大的影響。另外考慮到為保證二沉池的軸對(duì)稱性并避免額外的計(jì)算,在模擬中略去刮泥機(jī)等機(jī)械裝置。FLUENT軟件是基于有限體積法求解的,所以需要將流域劃分為一定數(shù)量的、連續(xù)而不重疊的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。模擬的結(jié)果與網(wǎng)格的精細(xì)程度有關(guān),但當(dāng)網(wǎng)格數(shù)足夠大時(shí),模擬結(jié)果將與網(wǎng)格數(shù)無關(guān)。研究中對(duì)同一算例選擇2000、4000、6000個(gè)網(wǎng)格分別進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)>4000后就可獲得足夠精確的模擬結(jié)果。根據(jù)二沉池的實(shí)際情況,邊界條件的定義為:入流處采用速度入口,上清液出流處采用壓力出口,污泥出流處采用出流模式,各壁面及水面處均采用壁面。2.2水流場(chǎng)的特性模擬得到二沉池中水流流速矢量圖和等速線圖,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,水流進(jìn)入二沉池后,保持原有速度流動(dòng)至水面,并在其作用下形成了一個(gè)較大的漩渦。同時(shí)在整個(gè)流場(chǎng)當(dāng)中還存在著若干小的漩渦。此外,在靠近出水口區(qū)域的許多位置,水流的軸向流速>0.004m/s,這高于Matko等給出的二沉池中固相顆粒的典型沉降速度(0.003m/s)。因此,二沉池中的流場(chǎng)分布必然會(huì)對(duì)固相顆粒的沉降和泥水分離的效果產(chǎn)生影響。2.3沉池顆粒粒徑的測(cè)定在用Lagrange方法處理多相流時(shí),FLUENT提供了離散相模型來解決。研究中將顆粒視為剛性小球,其密度為1100kg/m3。在二沉池中取樣測(cè)定其中固體顆粒的粒徑分布,結(jié)果表明顆粒粒徑主要為10~250μm。以下關(guān)于離散相模型對(duì)固相顆粒行為的研究都將基于上述參數(shù)進(jìn)行。2.3.1當(dāng)固相顆粒進(jìn)入兩個(gè)沉積池時(shí)由于二沉池中的流場(chǎng)較復(fù)雜,固相顆粒的沉降軌跡并不是經(jīng)典理論預(yù)測(cè)的理想軌跡,而是呈現(xiàn)出不規(guī)則的軌跡,結(jié)果如圖3所示。2.3.2沉池周邊顆粒沉降過程選擇粒徑分別為10、50、100、150、200、250μm的顆粒(密度均為1100kg/m3),將其在進(jìn)水口中心處釋放,模擬得到其在池中的軌跡,結(jié)果見圖4。由圖4可知,粒徑為150、200、250μm的顆粒進(jìn)入二沉池后,很快在重力的作用下沉降下來,并被進(jìn)水口附近的大漩渦卷入泥斗而離開流場(chǎng)。粒徑為100μm的顆粒在沉降過程中受漩渦的影響較小,沒有被卷入泥斗,而是被池底壁面(即二沉池中的泥層)捕獲也實(shí)現(xiàn)了泥水分離。而粒徑為10、50μm的顆粒由于沉降速度較慢,并未受到進(jìn)水口附近大漩渦的影響,但在其緩慢沉降的過程中受到了池中上部漩渦的影響,而偏離了正常的沉降軌跡,從而被向出水口集中的水流帶出了流場(chǎng)。試驗(yàn)結(jié)果表明,100μm是顆粒實(shí)現(xiàn)泥水分離的臨界粒徑。2.3.3顆粒密度和密度由于工藝過程及運(yùn)行參數(shù)等的不同,進(jìn)入二沉池中固相顆粒的性質(zhì),尤其是密度往往差別很大。故選擇粒徑均為100μm而密度分別為250(膨脹污泥)、750(反硝化上浮污泥)、1000、1100kg/m3的顆粒,將其在進(jìn)水口中心處釋放,模擬得到其在池中的軌跡,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,密度為1100kg/m3的顆粒沉降在池底的泥層上,密度為1000kg/m3的顆粒則隨水流流出,而密度為250、750kg/m3的顆粒則上浮至水面。這表明,密度對(duì)顆粒在流場(chǎng)中的行為有較大影響,高密度顆粒比低密度顆粒更易沉降。2.3.4關(guān)于流場(chǎng)的軌跡沉淀池中存在著很多強(qiáng)度不同的漩渦,為研究其對(duì)顆粒行為的影響,選擇粒徑為10、100μm的顆粒,從流場(chǎng)中位于進(jìn)水口附近大漩渦中的A點(diǎn)釋放,模擬得到其在池中的軌跡,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,粒徑為10μm的顆粒在漩渦的作用下一直懸浮在流場(chǎng)中,未能實(shí)現(xiàn)沉降,而粒徑為100μm的顆粒則很快擺脫了漩渦的影響,沉降了下來。這表明,大粒徑顆粒受漩渦的影響相對(duì)較小,小粒徑的顆粒在隨漩渦運(yùn)動(dòng)的過程中則有兩種可能的結(jié)果:一是小粒徑顆粒發(fā)生絮凝而變成大粒徑顆粒,并最終沉降下來;二是小粒徑顆粒在漩渦作用下返混并重新進(jìn)入外部流場(chǎng)。2.3.5密度和顆粒在流場(chǎng)中的釋放特性二沉池中許多已沉降在泥層中的顆粒往往會(huì)由于各種原因而重新進(jìn)入流場(chǎng),如刮泥機(jī)的干擾、污泥反硝化等。這些重新進(jìn)入流場(chǎng)中的顆粒的行為將會(huì)對(duì)出水中的懸浮物濃度造成一定影響。選擇一組粒徑分別為10、50、100、250μm的顆粒(密度均為1100kg/m3)和一組密度分別為250、750、1000、1100kg/m3的顆粒(粒徑均為100μm),從流場(chǎng)中靠近池底的B點(diǎn)(可認(rèn)為位于泥層中)釋放,模擬得到其在池中的軌跡,結(jié)果如圖7所示。由圖7(a)可知,粒徑為50、100、250μm的顆粒在重新進(jìn)入流場(chǎng)后仍能沉降下來,而粒徑為10μm的顆粒則會(huì)被水流帶走。這說明小粒徑顆粒不僅沉降性能不好,而且沉降之后也易受到水流影響而發(fā)生上浮。由圖7(b)可知,密度為1100kg/m3的顆粒在重新進(jìn)入流場(chǎng)后仍能快速沉降下來,密度為250、750kg/m3的顆粒則會(huì)隨水流上浮,而密度為1000kg/m3的顆粒則會(huì)被帶入出水中。這說明如果池中的泥層發(fā)生污泥膨脹、反硝化等改變了污泥性質(zhì)時(shí),將導(dǎo)致泥水分離效果的急劇惡化,從而影響出水水質(zhì)。2.4回用循環(huán)本構(gòu)模型在用Euler方法處理多相流時(shí),FLUENT提供了三種模型:VOF模型、Mixture模型和Euler模型。二沉池中的流動(dòng)屬于粒子加載率較低的液固兩相沉降運(yùn)動(dòng),采用Mixture模型是最佳的。用于計(jì)算的液固兩相的參數(shù):液相為水,密度為998.2kg/m3,動(dòng)力粘度為0.001Pa·s;固相為污泥,近似為剛性小球,密度為1100kg/m3,等效直徑為100μm,動(dòng)力粘度為1.8×10-5Pa·s;混合相中的固相濃度為2000mg/L。2.4.1池下固相濃度模擬得到二沉池中固相濃度的分布情況,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,池上部固相濃度較低,靠近底部濃度較高,這與二沉池的實(shí)際情況相同。在二沉池中水面下4.5m處的固相濃度為3000mg/L,可以視為泥層與流體的分界面。2.4.2進(jìn)水流速對(duì)ss濃度的影響通常雨季的進(jìn)水流量劇增,二沉池的處理負(fù)荷也會(huì)相應(yīng)增加,這就會(huì)影響出水SS的濃度。選擇不同的進(jìn)水流速,模擬得到相應(yīng)的出水SS濃度。結(jié)果表明,出水SS隨著進(jìn)水流速的增大而急劇增加。這是由于流體在二沉池中的停留時(shí)間變短,導(dǎo)致泥水分離效率變低。2.4.3顆粒粒徑對(duì)出水ss的影響由于出水SS是表征泥水分離效果的一個(gè)重要數(shù)據(jù),故利用Euler方法考察了顆粒粒徑對(duì)出水SS的影響,結(jié)果表明小粒徑顆粒在出水中的濃度較高,證實(shí)了前面研究得到的小粒徑顆粒的泥水分離效果較差的結(jié)論。2.4.4顆粒密度對(duì)分離效果的影響考察了顆粒密度對(duì)出水SS的影響,結(jié)果顯示,與Lagrange方法的模擬結(jié)果類似,顆粒密度越大則泥水分離效果越好,出水SS濃度也就越低。2.5最佳模型的確定以該污水處理廠二沉池連續(xù)運(yùn)行10d的進(jìn)水流速和懸浮物濃度為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬,并將模擬結(jié)果與相應(yīng)的出水SS數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖9所示。由圖9可知,實(shí)際出水SS與模擬結(jié)果基本一致(誤差<5%),表明模擬結(jié)果能夠反映二沉池的真實(shí)狀態(tài)。3顆粒粒徑、密度對(duì)分離效果的影響①基于CFD原理的商用軟件FLUENT可對(duì)城市污水處理廠的二沉池進(jìn)行模擬,是描述二沉池中流態(tài)及固相顆粒行為和分布的