基于旋流分離技術的城鎮污水處理項目探究

代佳鑫　高娜

摘? 要：隨著人口城鎮化比率的增長，城市人口大幅度增多，城鎮污水處理成為當今城市發展過程亟待解決的問題。針對城鎮污水處理技術落后，處理效率低問題，以城鎮污水為研究對象，研究應用旋流分離技術提高處理污水效率，基于計算流體力學和數學建模方法，對城鎮污水一級處理泥沙分離過程的流體分離機理進行研究。根據對污水處理分離器進行數值模擬，結構優化，提高污水一級處理中泥沙的分離效率。

關鍵詞：旋流分離技術;污水處理;數學建模;數值模擬

1.項目研究目的、意義及國內外研究現狀與存在問題

城鎮污水處理需要先進的水處理技術和設備作為支撐，現階段的城鎮污水處理硬件設備更新換代緩慢，從國外引進諸多污水處理技術，缺乏對城鎮污水處理核心技術的掌握與研發，只是盲目的抄襲國外的水處理技術，導致與我國城鎮的污水處理現實不相符。城鎮污水處理問題成為當今城市發展過程亟待解決的問題，我國城鎮污水處理在不斷發展，但仍然任重道遠。

經調研哈爾濱市文昌污水處理廠和群力污水處理廠，哈爾濱市每年約有2.1多億立萬米的污廢水未經城市綜合處理直接排入松花江（年污廢水量3.3億立萬米，其中經處理的污廢水約有1.2億立萬米）。加上上游轉來的污水，松花江市區段呈Ⅲ-IV類水體，水體中含有污染物質多達276種，其中哈爾濱市排放有176種。因而松花江哈爾濱段的水體己被嚴重污染。所以解決城市污水處理問題已迫在眉睫。

目前，國外已有大型污水處理廠在升級改造、工藝設計、優化工況及過程控制等諸多方面采用污水處理數學建模。20世紀80年代末，國際水協會提出的活性污泥1號模型取得了較大的成功，是早期較為完善的污水處理數學模型研究之一。通過模擬計算，使污水處理的設計和運行更加系統與理論化，提高了人們對污水處理過程的認識，節省經濟成本且提高污水處理效率。隨著時間推移，多種污水處理數學模型不斷出現，并且被應用于不同的研究工程。與國外發達國家相比，我國的污水處理數學模型研究和應用稍顯落后，由于起步晚，模型推廣在實際應用方面相當滯后。對于污水處理過程中的數值模擬也有很多學者應用在污水處理分離器中，但是通過數學建模從根本上明確分離效率提高的機理還有待研究。

本項目基于流體動力學理論應用旋流分離技術研究處理污水分離機理，通過數學建模采用微觀的處理方法，將質量守恒定律、能量守恒定律和牛頓第二定律直接運用于流體的分子和原子，再利用統計平均定義導出流體性質，求解流體流動控制方程數值解，確定合適的黏性流動物理邊界條件，自由來流條件，利用計算流體力學軟件模擬流場變化，模擬結果與數值解相互驗證，從而明確流體流動分離機理，進而研發新型分離器結構，提高污水分離效率。提高水的利用效率，恢復城市乃至流域的良好水環境，降低由于污染物排放對環境的危害，為水源緊缺、供需矛盾突出的城市具有重要的經濟價值和社會意義。

2.已開展的前期研究

目前在旋流分離技術方向發表論文1篇，論文對旋流分離器結構的軸向入口與切向入口進行了比較，引出軸向入口旋流器的優勢。進行導流式旋流器結構設計、數值模擬及實驗研究。首先對旋流器進行結構設計，利用UG三維軟件進行建模及計算流體力學（CFD）軟件進行模擬，通過模擬旋流器流場進行分析，對旋流器的結構進行優化，優化內容包括旋流腔長度、半錐角、溢流口直徑等結構參數。進行樣機加工，實驗驗證結構的合理性。

3.研究內容和解決的關鍵問題

本研究基于流體動力學理論應用旋流分離技術研究處理污水分離機理，旋流分離技術處理污水的流體流動過程采用微觀的處理方法，最終明確分離機理，提出分離器優化的結構，提高污水一級處理中泥沙分離效率。

分離器分離過程數學建模和CFD中的物理邊界條件的確定是難點，流體流動控制方程的數值解的求解過程是研究的重點，通過數學建模求解控制方程數值解，利用數值模擬來研究城鎮污水分離機理成為研究的創新之處。

4.項目研究方法及可行性分析

4.1研究方法：

首先對污水分離器流體流動的分離過程進行數學建模，建立流體流動控制方程并求數值解。其次確定合適的黏性流動物理邊界條件，自由來流條件，根據數值對結構進行設計，應用Solidworks軟件進行三維實體建模。最后利用CFD對旋流分離過程進行數值模擬，利用微觀的處理方法，將質量守恒定律、能量守恒定律和牛頓第二定律直接運用于流體的分子和原子，利用統計平均定義導出流體性質，明確流體的流動機理，進行優化分離器結構，提高污水一級處理階段的泥沙分離效率。

4.2可行性分析：

旋流分離技術是利用離心力場的作用來分離非均相物系的一種方法，本項目應用旋流分離技術優化分離器結構，提高污水的處理效率，該方向已有前期的工作成果，發表論文1篇，發明專利1項，在已有成果基礎上進行理論機理研究，對于應用在一級污水處理階段分離器分離過程建立數學模型，求解流動控制方程組的數值解，再利用計算流體力學軟件進行數值模擬，與數學建模中的流動控制方程組數值解進行相互驗證，最終明確分離機理，優化分離器結構提高污水一級處理中泥沙分離效率。

5.項目學術思想及創新之處

本項目是基于旋流分離技術解決城鎮污水處理中效率低問題，目前城鎮污水一級處理泥沙的效率是70%左右，效率提高有很大空間，預期分離效率提高到90%以上。城鎮污水屬于非均一系混合物，對于非均一系混合物的分離，一般采用機械方法，其基本原理是將混合物置于一定的力場之中，利用混合物的各個相在力場中受到不同的力，從而得到“相重差”使其分離，其力學過程是宏觀的外力場作用過程，而基于旋流分離技術處理就是加外力場離心力場，原有的污水一級處理時應用沉降原理，而沉降式在自然引力場中的分離，由于自然引力場較弱，對固體微粒很小或液相粘度很大的懸浮液，分離過程進行很慢，甚至不能進行，此時，必須外加力場，而比較理想的就是離心力場，基于旋流分離技術就是利用外加離心力場對混合物進行分離，對污水一級處理環節進行泥沙分離，提高一級處理效率。對分離過程進行數學建模，求解流動方程組的數值解，再利用計算流體力學模擬流動，模擬流動與數值解相互驗證，明確分離機理，對分離器進行結構優化提高分離效率。

創新的利用數學建模和數值模擬的方法明確分離機理，解決分離效率低的問題。數學建模的理論基礎：流體動力學基本方程連續方程、歐拉方程、納維-斯托克高數據支撐。數值模擬基于計算流體力學理論。

6.項目預期應用前景或產業化前景

基于旋流分離技術對城鎮污水進行物理處理，利用外加離心力場作用于污水混合物，由于污水混合物中不同相物質具有不同的密度，所受的離心力不同從而進行分離。該設備具有體積小、密封可靠、分離效率高等優點。目前污水處理被廣泛應用于建筑、農業、石化、環保等領域，目前大部分的處理廠由于資金不足、成本高、效率低，所以提高污水處理效率，降低成本，是當前污水處理面臨的問題。本項目預期明確分離機理優化結構設計，從而有效提高污水處理效率，節能減耗，解決城鎮污水處理問題，恢復城市乃至流域的良好水環境，降低由于污染物排放對環境的危害。為水源緊缺、供需矛盾突出的城市具有重要的經濟價值和社會意義。

參考文獻

[1]? 熊瓊.城市污水環境治理措施與治理方法[J].四川水泥，2018（09）：291.

項目基金：哈爾濱石油學院科學研究基金項目資助課題“基于計算流體力學的城鎮污水處理研究”（HIPJJ201923）