小紅門污水處理廠二沉池改造

1、計算流體動力學(xué)在污水廠二沉池改造中的應(yīng)用劉培勇1郝二成2張曉紅2周軍2甘一萍2（1.廈門中聯(lián)環(huán)環(huán)保工程有限公司，廈門，361004）（2.北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司科技研發(fā)中心，北京，100124） 緒論隨著生活水平的提高，污水水量在日益增加，許多污水處理廠的負(fù)荷已經(jīng)超 出了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，給污水處理廠的運(yùn)行帶來了困難。一般在設(shè)計時，預(yù)處理構(gòu)筑物 的設(shè)計均考慮了安全系數(shù)1.3,因此在水量增大時其運(yùn)行不會受到嚴(yán)重影響。但 生物處理以及二沉池均按設(shè)計流量進(jìn)行設(shè)計，水力負(fù)荷的加大勢必會給運(yùn)行帶來 不良影響，生物處理段的運(yùn)行可以提高M(jìn)LSS來應(yīng)對水力負(fù)荷的提高，這樣相 當(dāng)于給二沉池增加了固體負(fù)荷。因此，為

2、了應(yīng)對水力負(fù)荷的增加，可以相應(yīng)提高 二沉池的水力和固體負(fù)荷，保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。二沉池的主要作用為澄清和 濃縮，澄清即保證出水SS穩(wěn)定達(dá)標(biāo)；濃縮是為了提高回流污泥濃度，保證生物 反應(yīng)器的污泥濃度。為了改善二沉池的這兩種作用，在中國北方某污水廠開展了 本項研究。1.計算流體動力學(xué)在二沉池中的應(yīng)用1.1計算流體動力學(xué)簡介計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是流體力學(xué)的一 個分支，它通過計算機(jī)模擬獲得流體在特定條件下的相關(guān)信息，實現(xiàn)了用計算機(jī) 代替試驗裝置完成“計算試驗”，為工程技術(shù)人員提供了實際工況模擬仿真的操作 平臺，已廣泛應(yīng)用于航空航天、熱能

3、動力、汽車工程、化學(xué)工程、流體機(jī)械、環(huán) 境工程等。為了完成CFD計算，過去用戶多是自己編寫計算程序，自1981年以來，出 現(xiàn)了如 PHOENICS、STAR-CD、FIDIP、FLUENT 等過個商用 CFD 軟件，這些 軟件的顯著特點(diǎn)是：功能比較全面，適用性強(qiáng)；具有比較易用的前后處理系統(tǒng)； 具有比較完備的容錯機(jī)制和操作界面，穩(wěn)定性高；可在多種計算機(jī)、多種操作系 統(tǒng)，包括并行環(huán)境下運(yùn)行。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，這些商用軟件在工程界 發(fā)揮著越來越大的作用。其中FLUENT軟件應(yīng)用最為廣泛。Fluent是用于模擬具有復(fù)雜外形的流體流動以及熱傳導(dǎo)的計算機(jī)程序。Fluent軟件分為三部分：前處理模塊

4、、解算模塊和后處理模塊。前處理模塊有專 門的建模及網(wǎng)格劃分軟件Gambit，它提供流體區(qū)域內(nèi)面、體的網(wǎng)格劃分和邊界 條件類型的設(shè)置。Fluent解算模塊有許多模型可以選擇。Fluent的后處理模塊， 可以給出所有迭代變量，如速度、壓力、溫度、體積濃度場等各種可視圖來分析 處理。Fluent具有較強(qiáng)的計算通用性與豐富的顯示功能，可以靈活方便地用來模擬 污水處理廠的沉淀池。利用Fluent軟件的各種強(qiáng)大功能，就可以不必花費(fèi)太多的 精力去編制這類程序而將重點(diǎn)放在針對沉淀池的優(yōu)化上面來?？梢哉f，利用現(xiàn)成 的商業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬在工程應(yīng)用領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景，它將成為越來越 多研究者解決實際工程問題的

5、一個有效手段。1.2計算流體動力學(xué)在二沉池中的應(yīng)用目前，國內(nèi)有部分研究人員已經(jīng)成功利用FLUENT對二沉池進(jìn)行模擬，但 利用模擬對實際運(yùn)行二沉池進(jìn)行改造在國內(nèi)少有報道。鄭迪和王濤等人用Fluent 軟件對平流式二沉池內(nèi)的流態(tài)進(jìn)行模擬，分析在各種情況下的流態(tài)，說明現(xiàn)有平 流式二沉池內(nèi)水流流態(tài)不理想。提出改善流態(tài)的關(guān)鍵裝置一一月牙形導(dǎo)流板。通 過模擬得出：在進(jìn)水擋板下適當(dāng)位置加設(shè)月牙形導(dǎo)流板能夠較好地改善流態(tài)，改 善后的流態(tài)與“理想沉淀池呻提到的流態(tài)較為吻合。肖堯等以FLUENT為工具， 用用歐拉一拉格朗日和歐拉一歐拉方法對輻流式二沉池的流態(tài)，尤其是固相行為 和分布進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明，固相顆

6、粒在二沉池中的行為和分布受顆粒的 粒徑、密度等自身屬性以及漩渦等特殊流動現(xiàn)象的影響，呈現(xiàn)出不同于理想沉降 理論的軌跡；顆粒粒徑及密度越小，顆粒則越易受漩渦等的影響，沉淀池的泥水 分離效果也就越差。2.二沉池改造2.1改造的必要性示范研究的污水處理廠自運(yùn)行以來，一直面臨著進(jìn)水水量和水質(zhì)超負(fù)荷的困 境。另外，由于水溫的變化，以及污泥沉降性能的改變（SVI最高能到350mL/g）， 每年二沉池有一段時期泥位非常高，面臨膨脹的危險，因此有必要對其進(jìn)行優(yōu)化 研究。2.2二沉池改造1）方案比選影響二沉池沉淀效果的因素包括：運(yùn)行條件，如進(jìn)泥水力負(fù)荷、固體負(fù)荷等; 污泥沉降性能，其主要取決于進(jìn)水水質(zhì)、水溫、反

7、應(yīng)池DO、工藝運(yùn)行泥齡以及 生物反應(yīng)過程等；水力條件，如進(jìn)水導(dǎo)流筒的設(shè)置、水力擋板的設(shè)置等。運(yùn)行條 件及污泥沉降性能在運(yùn)行中可以進(jìn)行優(yōu)化，但隨著水力負(fù)荷的增加，其優(yōu)化能力 已不能解決問題，此時只能依靠改善池內(nèi)水力條件來進(jìn)行優(yōu)化。水力條件中導(dǎo)流 筒的設(shè)置高度及直徑對二沉池也有影響，但根據(jù)目前的設(shè)置其改善的空間很小， 因此研究主要考慮增加水力擋板。2）水力模擬該污水廠二沉池為中心進(jìn)水、周邊出水輻流式沉淀池，出水槽為雙邊堰出水， 池中安裝全橋式刮吸泥機(jī)。二沉池設(shè)計平均流量為37500m3/d，沉淀池直徑為55 米，池邊水深為4.5米，平均表面負(fù)荷為0.658 m3/m2 h。沉淀池采用雙側(cè)出水堰，

8、單體堰為90三角堰。輻流式沉淀池的池體結(jié)構(gòu)屬于中心對稱結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部水流流動是三維的。由 于模擬更多的是考慮垂直截面速度對懸浮物的影響，因此可將輻流式沉淀池簡化 成二維軸對稱模型進(jìn)行計算；進(jìn)水從中心筒流出，按照導(dǎo)流筒的方向流入池中， 因此，簡化的模型左端從中心筒邊壁開始；由于從曝氣池進(jìn)入二沉池的活性污泥 的含水率大于99%，因此污泥與水有很好的跟隨性，二者可看成進(jìn)水速度相同的 二相流處理。由于本研究主要是針對污泥沉降及流態(tài)研究時為保證二沉池的軸對 稱性且避免額外的計算，模擬時忽略刮吸泥機(jī)的作用。二沉池簡化情況見圖1 的網(wǎng)格圖。圖1二沉池網(wǎng)格圖二沉池內(nèi)水流速度通常很慢，但由于體積大，水力半徑很大，

9、池內(nèi)水流處于 湍流（紊流）狀態(tài)。由于模型本身并不復(fù)雜，因此采用具有穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和計算精度比較高的標(biāo)準(zhǔn)k8模型作為湍流模型。將活性污泥設(shè)為污水和顆粒兩相， 分別進(jìn)行模擬。求解器采用二維非耦合求解，算法為隱式算法。本研究計算的問 題要求考慮重力影響，因此在運(yùn)行條件中設(shè)置重力加速度為9.81m/s2。模擬結(jié)果見圖2和圖3。136e-0：58.89e-038.42c-037.964-037.494-037.02.1-036.55e-036.08c-035.624-035.15c-034-.6；5e-i：i：54.21e-033.744-033.24-032.81.-032.34.C-031.8?c-

10、031.404-03K36c-：44-.6i5e-O4-O.OOc+OO9.36e-038.89t-038.42e-037.96e-037.49(-037.02t-036.5 知 036.i：i：3t-035.63-2-O：35.15c-03*.66c-034.21C-033.7+4-033.28t-033.314-033.34-031.87-i-：51.4-0e-039.364-044-.6E：u-O4-0.00i+00圖2未加水力擋板模擬的顆粒百分比分布圖3加水力擋板后模擬的顆粒百分比分布對比圖2和圖3,可知增加水力擋板后澄清效果變好，因此決定在池壁增加 水力擋板以改善二沉池沉淀效率。3）

11、施工方案及改造由于二沉池池壁為無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，不能直接在池壁上進(jìn)行打孔安 裝。技術(shù)方案制定后，經(jīng)過仔細(xì)研究對比各種施工方案，最后確定采施工方案。 施工方案確定后，在直徑55米的二沉池進(jìn)行了施工改造。3.3改造效果改造完成后，檢測出水SS、回流污泥MLSS以及二沉池內(nèi)的透明度等。未 改造池的透明度平均為2m，改造池平均2.5m，透明度提高了 0.5m。改造池與一未改造池出水SS數(shù)據(jù)對比見圖4，回流污泥MLSS對比見圖5。改造池出水SS未改造池出水SS16.0014.0012.0010.008.006.004.002.000.001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

12、14 15 16 17 18 19 20 21 22 23圖4 出水SS對比1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 改造池回流污泥MLSS未改造池回流污泥MLSS9500900085008000750070006500圖5回流污泥MLSS對比以上數(shù)據(jù)是在二沉池進(jìn)泥MLSS平均為3600mg/L, SVI平均為160mL/g工 況下的檢測數(shù)據(jù)。其中，改造池出水SS比未改造池平均減少了 1.5mg/L,未改 造池出水SS平均為11.35 mg/L，改造池出水平均為9.83mg/L；改造池回流污泥 MLSS比未改造池平均升高了 241mg/L，證明安裝水力擋板也有助于污泥濃縮。 4.小結(jié)由于污水廠面臨進(jìn)水水質(zhì)和水量雙重超負(fù)荷的困境，因此決定對