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不同污泥斗倾角对竖式沉淀池沉降效果的影响

2024-10-30 5 上传者：管理员

摘要：在化工厂污水絮凝处理工艺中，沉淀池的设计和沉降效率是确保出水水质达标的关键。本研究使用Fluent软件，结合RNG k-ε湍流模型和Mixture多相流模型，全面评估了竖式沉淀池的污泥斗倾角对高浓度污水沉降效果的影响。研究主要通过考察沉淀池内部的污泥流速流线图、排水口悬浮颗粒(SS)浓度，以及污泥去除率的变化，从而揭示了斜板倾角变化对污泥的流动特性、沉降效率和污泥去除率的影响。结果表明，当污泥斗倾角从40°增加到60°时，沉淀池内涡旋变少，流速和流向分布较均匀，流场相对稳定，沉降效果提升；当污泥斗倾角从60°增大到70°时，在沉淀池底部和排水口上部出现较大涡旋，导致颗粒在水中的停留时间增加，影响出水水质，降低沉降效果。当污泥斗倾角为60°时，竖式沉淀池能达到最好的沉降效果。这一发现为化工厂竖式沉淀池设计提供了重要的指导，强调了合理选择污泥斗倾角在提高絮体沉降效率中的关键作用。

关键词：
数值模拟
污泥斗倾角
沉降效果
流动特性
竖式沉淀池
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1、引言

在现代化工污水排放处理工艺中，高密度沉淀池是不可或缺的关键组成部分，它可以连续稳定地处理高浓度污水，并且使得循环水系统的水质达标且稳定[1]。但是目前在化工行业循环水排放工艺中多采用絮凝平流式沉淀池[2]，竖流式沉淀池的应用较少。而絮凝沉淀池中絮体和废水的分离效果主要是由沉淀池的结构参数和运行参数决定的。由于沉淀池结构和运行参数对内部流场的影响是很难直接用实验观测的，可采用计算流体力学(CFD)方法来模拟沉淀池结构和运行参数是如何对内部流场产生影响的[3]。

Milinkumar T.Shah[4]等学者通过CFD模拟及PIV实验方法探究不同大小的颗粒在不同的操作流量和不同的入口出口配置下的流动模式和沉降行为。王兴旺[5]等学者运用计算流体力学软件对竖流式沉淀池流场和浓度场进行三维数值模拟，他们发现入口流速的增大会导致污泥去除率下降，并且大粒径的污泥颗粒有利于污泥沉积。Mahdi Shahrokhi[6]等学者采用的GMRES算法的数值模型计算结果与利用声学多普勒测速仪(ADV)测得的实验结果吻合较好，找到了矩形初沉淀池中挡板的最佳位置。

综上所述，大多数学者都在探究运行参数和内部挡板对沉淀池沉降性能的影响，极少有学者研究污泥斗角度对沉淀池沉降效果的影响。但是，污泥斗作为竖式沉淀池的一个核心结构，其设计参数会对沉淀效果产生影响，特别是倾斜角度，不仅关系到絮体的有效收集和移除，还可能会影响着整个沉淀池内部的流动情况。

因此本文运用Fluent软件，采用RNG k-ε和Mixture模型对一种竖式沉淀池进行内部的流场模拟仿真。通过分析沉淀池内部污泥速度流线图、排水口悬浮颗粒浓度(SS)值和污泥去除率，来探讨不同竖式沉淀池的污泥斗倾角(40°、50°、60°、70°)对沉淀池沉降效果的影响。

2、数学模型

RNG k-ε模型作为一种改进的标准k-ε模型，考虑了涡流对湍流的影响。该模型适用于高雷诺数情况，因为它可以更好地处理近壁区域，提高旋涡流动的精度。因此，采用RNG k-ε模型来模拟竖式沉淀池内部的污泥速度和浓度变化，其中湍动能k和耗散率ε输运方程如下：

式中：Gk为平均速度梯度导致的湍动能，Gb为浮力导致的湍动能，YM为可压缩湍流脉动膨胀影响总耗散率的程度，μt为湍流粘性系数。

另一方面，Mixture模型是利用单流体方程来描述多相流的，且每个相都具有不同的速度。本文采用Mixture模型来描述竖式沉淀池的流动特性。在Mixture模型中，假设固相是分散的，而假设液相是连续的。该模型的连续性方程为：

式中，是质量平均速度，ρm是混合密度，m是质量源的质量传递。

Mixture模型的动量方程可表示为：

式中，n是相数，F-是体积力，μm是混合粘性。

3、模型验证

为了验证数学模型的正确性，取中南大学张玉柱[7]实验测得的竖流式污泥沉降罐的一组实验数据作为验证实例，模型结构如图1所示，尺寸大小分别为：沉降罐直径D1为2 m，进水口直径D2为0.24 m，进水口喇叭出口直径D3为0.324 m，下部挡板直径D4为0.42 m，竖直罐身高度H1为3.76 m，污泥斗部分高度H2为0.96 m，进水管高度H3为2.524 m，喇叭口扩散段高度H4为0.324 m。

图1 竖流式污泥沉降罐结构尺寸图

进水口采用速度入口(velocity Inlet)，入口流速为0.04 m/s，出水口及排污口采用自由出流(outflow)边界条件，壁面采用无滑移边界条件，近壁区域采用壁面函数法。自由液面采用对称边界条件(symmetry)。污泥含水率为97%，污泥密度3.4 kg/m3，水密度1000 kg/m3，粘性系数0.001005 kg/(m·s)，污泥颗粒直径为0.01 mm、密度1051 kg/m3。

模拟计算结束后，将污泥出水口污泥含水率模拟结果与张玉柱的实测值进行比较，比较结果如图2所示。

图2 实验和模拟数据对比图

从图2可以看出，在30 min之前模拟值均小于实验值，在30 min至70 min之间模拟值大于实验值，这是由于在模拟时污泥颗粒粒径均为0.01 mm，并且模拟时忽略了温度对流场的影响，而实验时污泥颗粒粒径很难做到均一性并且在沉降过程中会受到环境温度的影响[8]。但是总体来看，实验和模拟数据对比的相对差值均不大，平均相对差值仅为0.2%。因此，本文所采用的RNG k-ε模型和Mixture模型具有很好的结果吻合性，可用于模拟仿真出竖式沉淀池内部的流场特性。

4、建模和边界条件

4.1几何建模

本文研究的对象是一个小型的竖式沉淀池，沉淀池总高1.2 m，上部分圆柱直径1 m，底部为圆台污泥斗，上面直径1 m，下面直径0.3 m，入口、排水口、排泥口直径均为50 mm。为了研究污泥斗倾斜角度对竖式沉淀池沉降效果的影响，本次考虑4种不同的污泥斗倾角，分别为40°、50°、60°、70°，如图3所示。

图3 4种不同的污泥斗倾角图

4.2物料特性

本文使用的高浓度污水来自山东利博源环保材料有限公司。污泥密度采用重量法，用电子天平(BSA124S,Sartorius)测量得到为1.028 g/cm3，污泥的动态粘度由数字旋转粘度计(LVDV-2，中国上海精天)测量得到为2.12×10-2Pa·s。蒸馏水的密度和动态粘度查阅相关资料分别为0.9982 g/cm3和1.005×10-3Pa·s。所有污泥数据均为五次重复测量的算术平均值。在下面的CFD模拟中，污泥相的密度和动态粘度分别为1.028 g/cm3和2.12×10-2Pa·s。污泥相的粒度恒定为0.1 mm。液相设定为蒸馏水。

4.3网格划分及无关化验证

对竖式沉淀池采用三维数值模拟进行研究，采用Fluent Meshing软件进行网格划分。这里，采用不同疏密程度的多面体网格对其进行划分并模拟计算，网格边长分别选用0.001 mm、0.01 mm、0.1 mm、1 mm。经过网格无关性分析，网格边长为0.001 mm、0.01 mm时的结果平均相对误差小于1%，考虑计算时间成本和计算精度，最后选出网格边长0.01 mm时较合适，能满足网格独立性要求。因此，后续的不同污泥斗倾角的网格划分方法相同，均采用网格边长为0.01 mm。

4.4边界条件

本文进口采用了velocity-inlet边界条件，进口流速为0.02 m/s，进口污泥浓度均为2056 mg/L。在排水口和排泥口均采用outflow边界条件[9]。其余的边界均为wall边界[9]。为了对流体力学方程进行数值求解，采用有限体积法对控制方程进行离散化[10]。此外，还采用了一种SIMPLE的算法来解决压力-速度耦合问题[10]。在湍流模拟中考虑了湍流动能、耗散率和动能。采用一阶迎风方案来离散这些湍流参数，这允许在计算中考虑湍流效应。在考虑时间变化的情况下，建立了该模型的瞬态计算方法[10]。为了保证计算的准确性和稳定性，在CFD模拟中设置的时间步长为0.1 s，并且残差值被指定为低于1×10-4。该收敛准则是基于沉淀池内污泥颗粒平均速度趋于稳定。此外，还考虑了环境中的重力加速度，在y方向上的值为-9.81 m/s2，以模拟重力影响下的流体行为。

5、结果与分析

4种不同倾斜角度的污泥颗粒流线分布如图4所示。从速度流线图可知每种倾斜角度沉淀池内部都有涡旋，但是涡旋的大小和位置分布差异较大。涡旋会影响污泥沉降，进而影响沉淀池沉降效率和出水口悬浮固体浓度。

图4 污泥斗不同倾斜角度污泥速度流线图

从图4可以看出，污泥斗倾斜角度为40°时，竖式沉淀池内部的涡旋集中在污泥斗的侧边，并且在入口管道的左侧有一个较大的涡旋，导致竖式沉淀池内的流动不稳定性增强，增加水体的混合和湍流程度，污泥沉降过程受到影响，过多的污泥从排水口流出；污泥斗倾斜角度为50°时，竖式沉淀池内部的涡旋主要集中在沉淀池左侧且离排水口近的一端，导致竖式沉淀池内部的流速和流向分布不均匀，这种非均匀性可能在池内形成“死区”(流动较慢的区域)和“快速区”(流动较快的区域)，影响整个池体的沉降效率[11]；污泥斗倾斜角度为60°时，污泥速度流线图整体呈对称分布，污泥斗内的涡旋较小，此时内部流场相对稳定；污泥斗倾斜角度为70°时，入口管道两侧流线图呈对称分布，但是在沉淀池底部涡旋较大，并且在排水口上部出现涡旋，这都导致已经沉降的污泥重新悬浮，尤其是在涡旋较强的区域，同时污泥可能不会直接沉降到池底，而是随涡旋运动，增加了颗粒在水中的停留时间。这不仅降低了污泥的去除效率，而且可能导致更高的出水悬浮固体浓度。

另一方面，图5显示了不同污泥斗倾斜角度下，沉淀池排水口的平均SS值和污泥去除率。根据图可以看出倾斜角度从40°增大到60°时，排水口平均SS值从98.25 mg/L减小到30.25 mg/L，去除率从95.22%增大到98.53%。这是因为倾斜角度增大，水流可能产生一定程度的扰动，但通常不会引起严重的涡旋。而倾斜角度为70°时，排水口平均SS值已经达到120.04 mg/L，根据中国的《污水排放标准(GB 8978-1996)》，此时沉淀池的出水水质已达不到中国的废水排放标准，并且，此时的污泥去除率大幅度下降，仅为94.16%。

因此，污泥斗倾斜角度超过60°时导致沉淀池内部出现较大涡旋和污泥沉降过程。在40°、50°、60°时的沉淀池出水水质都符合中国的工业废水排放标准，但是考虑到沉淀池内部稳定性及最佳的沉降效果，建议竖式沉淀池的污泥斗倾角为60°。

图5 不同污泥斗倾斜角度的排水口SS和去除率

6、结论

本研究通过使用Fluent软件，结合RNG k-ε湍流模型和Mixture多相流模型对竖式沉淀池内部的流场进行了模拟仿真，研究结果清楚地表明，污泥斗的倾斜角度对沉淀池的整体沉降性能有着显著影响。当污泥斗倾角从40°增加到60°时，沉淀池内涡旋变少，流速和流向分布较均匀，流场相对稳定，这就使得排水口SS值降低到30.25 mg/L，去除率升高至98.53%；当污泥斗倾角从60°增大到70°时，在沉淀池底部和排水口上部出现较大涡旋，导致颗粒在水中的停留时间增加，影响出水水质，降低沉降效果，使得排水口SS值增大到120.04 mg/L，去除率降低至94.16%。通过对沉淀池内部的污泥流速流线图、排水口悬浮颗粒浓度和污泥去除率的综合分析，我们确定了在60°倾斜角度下，沉淀池达到了最佳的沉降效率。

本研究强调了污泥斗倾角的设计对于提高竖式沉淀池的沉降性能的重要性，为化工厂絮凝竖式沉淀池的结构参数设计提供了宝贵的参考。未来的研究可进一步探讨沉淀池刮泥板的安装位置和设计。

参考文献:

[1]劳勒.现代水处理技术[M].现代水处理技术,2006.

[2]王碧波.吴泾化工厂絮凝平流沉淀池设计体会proceedings of the 2012年全国建筑给水排水学术论坛专题论文,F,2012[C].

[3]蓝翊.基于CFD模型的沉淀池优化研究进展[J].广东化工,2019,46(10):69-70.

[5]王兴旺,徐孝轩,党伟,等.竖流式沉淀池内流动与污泥沉积特性模拟[J].科学技术与工程,2021,21(14):5963-8.

[7]张玉柱.竖流式污泥沉降罐沉降性能研究[D],2012.

[9]朱炜,马鲁铭,盛铭军.CFD模型在污水沉淀池数值模拟中的应用[J].水处理技术,2006,(04):10-3+42.

[10]曹月波.计算流体力学(CFD)在初沉池中的应用[D].天津大学,2007.

基金资助:2018年广西高校引进海外高层次人才“百人计划”(0318004101);

文章来源:魏家琦,吴璇,申琳,等.不同污泥斗倾角对竖式沉淀池沉降效果的影响[J].广东化工,2024,51(20):111-113.