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)定運行。近年來,隨著處理負荷的不斷提高,許多現(xiàn)有二沉池及部分新建二沉池由于設(shè)計不合理或運行中發(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。有研究表明,采用數(shù)值模擬的方法可準確描述二沉池中的流態(tài)以及固相分布,這對保證二沉池的穩(wěn)定運行和出水水質(zhì)起著至關(guān)重要的作用,而計算流體力學(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、流態(tài)問題的有效工具。Flamant等相繼利用CFD對二沉池進行了模擬研究,并將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比,證明了CFD的有效性及其相對于其他常用數(shù)值方法在精度上的優(yōu)勢。但是這些研究大都側(cè)重于描述二沉池中的流場,而對池中固相的行為和分布研究甚少。因此,筆者基于CFD對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行了模擬研究。1學(xué)習(xí)方法1.1沉池內(nèi)的湍流場流體流動滿足質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。在CFD計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和屈強等認為,二沉池中的流動可認為是湍流流動。對湍流問題的處理,目前工程上常用的是由雷諾時均方程得出的湍流模型,Karama等的研究證明,應(yīng)用標準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,選用最常用的標準κ-ε模型進行研究。1.2lagrange方法的適用性通常有兩種計算方法來處理多相流,即歐拉—歐拉(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算的指定間隙中獨立完成。離散相和流體相之間可以有動量、質(zhì)量和能量的交換。Euler方法計算耗時較短,消耗資源較少;而Lagrange方法則能實現(xiàn)對離散相顆粒的行為及特點的描述,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方法中各個離散相軌道的計算相互獨立,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其的影響,同時利用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準化的,因此可利用商用CFD軟件進行求解,采用目前應(yīng)用最為廣泛的FLUENT軟件進行模擬研究。1.4模型驗證對模擬結(jié)果的驗證是非常必要的,故以實際二沉池的數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進行比較,以驗證模擬結(jié)果的可靠性。2結(jié)果和討論2.1采用fluen軟件進行模擬研究對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。采用中心進水、周邊出水的方式,進水管直徑為0.5m,雙邊三角堰出水,間歇排泥。正常運行時進水流速為0.1m/s,按純水密度和粘度計算的雷諾數(shù)為4000。所有的計算都將應(yīng)用FLUENT軟件6.0進行。利用FLUENT進行模擬的基礎(chǔ)是得到一個研究對象的簡化算例。由于輻流式二沉池的軸對稱性,因此可以得到一個軸—徑(z-r)方向的二維算例,結(jié)果見圖1。由于排泥間歇進行,且間隔時間足夠長,可以認為排泥過程對池中流態(tài)不會產(chǎn)生較大的影響。另外考慮到為保證二沉池的軸對稱性并避免額外的計算,在模擬中略去刮泥機等機械裝置。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)格的精細程度有關(guān),但當(dāng)網(wǎng)格數(shù)足夠大時,模擬結(jié)果將與網(wǎng)格數(shù)無關(guān)。研究中對同一算例選擇2000、4000、6000個網(wǎng)格分別進行模擬,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,水流進入二沉池后,保持原有速度流動至水面,并在其作用下形成了一個較大的漩渦。同時在整個流場當(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,二沉池中的流場分布必然會對固相顆粒的沉降和泥水分離的效果產(chǎn)生影響。2.3沉池顆粒粒徑的測定在用Lagrange方法處理多相流時,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)于離散相模型對固相顆粒行為的研究都將基于上述參數(shù)進行。2.3.1當(dāng)固相顆粒進入兩個沉積池時由于二沉池中的流場較復(fù)雜,固相顆粒的沉降軌跡并不是經(jīng)典理論預(yù)測的理想軌跡,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的顆粒進入二沉池后,很快在重力的作用下沉降下來,并被進水口附近的大漩渦卷入泥斗而離開流場。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。試驗結(jié)果表明,100μm是顆粒實現(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行參數(shù)等的不同,進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,密度對顆粒在流場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)于流場的軌跡沉淀池中存在著很多強度不同的漩渦,為研究其對顆粒行為的影響,選擇粒徑為10、100μm的顆粒,從流場中位于進水口附近大漩渦中的A點釋放,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中,未能實現(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較小,小粒徑的顆粒在隨漩渦運動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入外部流場。2.3.5密度和顆粒在流場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由于各種原因而重新進入流場,如刮泥機的干擾、污泥反硝化等。這些重新進入流場中的顆粒的行為將會對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),從流場中靠近池底的B點(可認為位于泥層中)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的顆粒在重新進入流場后仍能沉降下來,而粒徑為10μm的顆粒則會被水流帶走。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的顆粒在重新進入流場后仍能快速沉降下來,密度為250、750kg/m3的顆粒則會隨水流上浮,而密度為1000kg/m3的顆粒則會被帶入出水中。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,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,FLUENT提供了三種模型:VOF模型、Mixture模型和Euler模型。二沉池中的流動屬于粒子加載率較低的液固兩相沉降運動,采用Mixture模型是最佳的。用于計算的液固兩相的參數(shù):液相為水,密度為998.2kg/m3,動力粘度為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進水流速對ss濃度的影響通常雨季的進水流量劇增,二沉池的處理負荷也會相應(yīng)增加,這就會影響出水SS的濃度。選擇不同的進水流速,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間變短,導(dǎo)致泥水分離效率變低。2.4.3顆粒粒徑對出水ss的影響由于出水SS是表征泥水分離效果的一個重要數(shù)據(jù),故利用Euler方法考察了顆粒粒徑對出水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顆粒密度對分離效果的影響考察了顆粒密度對出水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)運行10d的進水流速和懸浮物濃度為基礎(chǔ)進行模擬,并將模擬結(jié)果與相應(yīng)的出水SS數(shù)據(jù)進行對比,結(jié)果如圖9所示。由圖9可知,實際出水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狀態(tài)。3顆粒粒徑、密度對分離效果的影響①基于CFD原理的商用軟件FLUENT可對城市污水處理廠的二沉池進行模擬,是描述二沉池中流態(tài)及固相顆粒行為和分布的