生產建設項目中旋流沉砂池除砂率數值模擬

冷 宗

(深圳市海平峰水務技術工程有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引 言

沉砂池既是污水處理中的重要設備，也是生產建設項目匯水外排中重要的預處理設施，通過去除含砂匯水中密度或直徑較大的砂粒，減少砂粒對后續工藝中污泥泵等機械部件的磨損，減少管道堵塞，降低污泥負荷，避免砂粒過多積累于曝氣池和污泥消化池而引發曝氣頭淤塞，提升沉沙處理效果。常見的沉砂池形式包括曝氣式、平流式和旋流式等，其中旋流式沉砂池因占地面積小、性能穩定、除砂效率高等優勢，在污水處理中的應用越來越廣泛。當前研究旋流沉砂池軟件數值模擬和小試模型的成果較多，而對沉砂池運行過程及除砂過程的模擬則研究較少，為此，文章依托生產建設項目旋流沉砂池措施，借助CFD模擬流體流動應用軟件分析除砂效率的影響因素，通過比對試驗數據，為項目旋流沉砂池運行參數調整及優化提供指導[1]。

1 沉砂措施概述

根據《深圳市生產建設項目水土保持技術規范》(DB4403/T 34-2019)，深圳市生產建設項目匯水外排前必須加強沉砂處理：對于非汛期施工且坡度<5°的施工場地，沉砂設施總容量應達到50m3/hm2；坡度≥5°的施工場地，沉砂設施總容量應達到100m3/hm2。汛期施工時，施工場地沉砂設施總容量應達到100m3/hm2。沉砂池占地位置選擇時必須充分考慮地形、巖性及施工便捷程度，最好選擇地形低洼平坦，水流速度小，無裂縫、沙礫層且巖性良好，開挖工程量小、施工方便的區域。位置確定后，應采用灰砂磚、漿砌石、鋼筋混凝土結構。對于場地平緩、匯流面積小的場地可采用簡易沉砂池；而當單個沉砂池承接匯流面積在1.0hm2以上，則不宜采用簡易沉沙池，而應采用旋流沉砂池。簡易沉砂池和旋流沉砂池可沉沙量及除砂率的計算均按照DB4403/T 34-2019執行，根據此規范，旋流沉砂池設計深度應控制在1.0～2.0m，簡易沉砂池深度≤1.5m；旋流沉砂池長度至少達到2.0m、寬度至少為1.0m；條件許可的建設項目應適當加大加寬旋流沉砂池尺寸，且沉砂池攪拌槳高度、葉片轉動速度均為可調。

2 模型及邊界條件

2.1 數學模型

考慮到旋流沉砂池流場中旋流流態為主導形式，故應用RNGk-ε湍流模型進行旋流流態模擬，該模型改善了槳葉周圍各向異性湍流測報能力，能更好地處理流線彎曲程度大且應變率高的流動，模擬結果也更為準確[2]。

將試驗用離散相砂粒視為體積分數在10%～12%之間的均勻球體，且不考慮顆粒之間的互相作用以及顆粒體積分數對連續相的影響，故采用DPM離散相模型進行砂粒動態模擬；為最大程度降低離散相對連續流場的影響，流場內離散相質量和動量載荷率均應取最小值。在系統達到穩定狀態下，采用MRF多重參考系模型進行攪拌過程模擬[3]。

2.2 幾何模型

試驗模型包括進水口、池體、攪拌槳、集砂斗及出水口等部分，具體構成情況詳見圖1，攪拌槳隨水流方向順時針旋轉。

2.3 邊界條件

應用Rosin-Rammler分布進行試驗砂粒尺寸擬合，試驗砂粒密度2.5×103kg/m3，粒徑在0.1～0.2mm之間。在保持計算結果不變的情況下進行旋流沉砂池結構簡化，忽略沉砂池壁厚。構建旋流沉砂池三維模型并進行網格劃分，池體及出水渠表面均采用自由滑移壁面邊界條件；邊壁和攪拌槳葉片為固體壁面，故則采用無滑移邊界條件；通過壁面函數法處理近壁流動區；以旋流沉砂池有效水深為池體有效高度。

3 試驗結果及分析

3.1 進水流量與葉片轉速

根據試驗數據，進水流量和攪拌槳轉速對旋流沉砂池除砂率影響較大，具體如圖2所示。進水流量與除砂率呈反向變動關系，且進水流量一定時除砂率隨攪拌槳轉速的增大先升后降，進水流量越大則這種拋物線關系越明顯。當進水流量在200h～500m3/h之間取值時，攪拌槳最佳轉速位于15～30r/min之間，最高除砂率則在81.25～53.78%之間變化。

在水量較低的情況下，旋流沉砂池水力停留時間較長，砂粒可沉降時間較為充裕，通過增大攪拌槳轉動速度，增強軸向環流強度，促使池底砂粒向池中心移動；而在水量較高情況下，旋流沉砂池水力停留時間短，砂粒運行路徑也較短，部分細砂因缺乏沉降時間而被水流裹挾帶走，通過增大攪拌槳轉動速度，增強軸向環流強度，池體中砂粒便會持續向池底中心沉降。以上兩種工況下，攪拌槳葉片轉動速度的增大都會加速池體中心水流流速，促使砂粒重新進入池體水流，影響除砂率。同時，水量較高時，較強的水平環流會影響到砂粒沉降，通過調整葉片轉動速度、提升軸向環流強度，可起到提高除砂率的效果。

3.2 進水流量與攪拌槳設置高度

在攪拌槳葉片轉動速度取15r/min時，分析進水流量與攪拌槳設置高度對旋流沉砂池除砂率的影響，結果見圖3。進水流量不同的情況下，除砂率隨攪拌槳設置高度的變化趨勢基本一致，在圖中前后兩種拋物狀曲線下攪拌槳最佳高度位于A、B處。攪拌槳設置高度為90mm時，因轉動速度恒定，故所產生的強制渦旋對池底有較大影響，對砂粒沉降有阻礙作用；隨著攪拌槳設置高度的增大，強制渦旋對池底的影響也逐漸減弱，除砂率隨之提升；而當攪拌槳設置高度繼續升高，會在池底形成二次環流，又會對砂粒沉降產生不利影響，造成除砂率降低。當攪拌槳設置高度超出180～210mm時，二次環流的不利影響逐漸減弱，砂粒沉降和去除效率提升；此后隨著攪拌槳高度的再次增大，池底整體軸向環流范圍改變，對池底的影響也逐漸減小，池底除砂率隨之降低。由此可知，在攪拌槳葉片轉動速度恒定于15r/min時，應將攪拌槳設置高度確定在150mm或230mm，即先后兩次拋物線的頂點處所對應的高度，以避開強制渦旋、二次環流等的不利影響，取得最佳的除砂效果。

3.3 攪拌槳葉片轉動速度與設置高度

在進水流量取200m3/h時，攪拌槳轉動速度對除砂率有較大影響，具體見圖4。當攪拌槳設置高度既定時，除砂率隨攪拌槳葉片轉動速度的變化而呈拋物線變動趨勢。為防止除砂率受到二次環流的不利影響，攪拌槳的最佳設置高度為140～150mm，對應的最佳葉片轉動速度為15～25r/min，除砂率在60%～65%之間。這一結論與3.2節結論基本一致。

攪拌槳葉片轉動速度的快慢主要與設置高度有關，見圖5。結合以上分析，在圖中A區域內，當攪拌槳設置高度較低時，葉片轉速形成強制渦流對池底有較大影響，除砂率較低，而當設置高度增大時這種強制渦流和軸向環流對池底的影響減弱，此時應增大葉片轉動速度，助推砂粒運移和除砂；此后隨著攪拌槳設置高度的繼續增大，池底二次環流的形成又會影響除砂過程，若此時增大葉片轉速，沉降后的砂粒會因攪拌槳中央軸向上升流速的作用而重新沉降至池底，不利于除砂。而在圖中B區域內，隨著攪拌槳設置高度的繼續升高，二次環流的影響逐漸弱化，此時增大葉片轉動速度會增強池底渦流強度，加速砂粒運移及沉降，提升除砂率；隨后設置高度進一步升高后，作用于池底的軸向環流影響范圍和強度持續減弱，砂粒沉降速率降低，部分砂粒持續運動于池體水流內，此時應降低葉片轉速以推動除砂。

4 模擬值和實測值的比較

實測情況下，以人工方式投放配砂，并借助自制取樣及沉降裝置測試旋流沉砂池實際除砂率；在進水流量取200m3/h時，攪拌槳轉動速度不同時除砂率模擬值和實際值對比詳見圖6。由圖可知，當葉片轉動速度較低時，實際除砂率和模擬除砂率之間存在一定差異，主要原因在于實測及模擬過程中砂粒和污水、沉砂池內壁之間的相互作用不盡相同[4]。流量低、轉速低的情況下，攪拌槳對沉砂池內水體和砂粒的影響不大，而砂粒和污水及沉砂池內壁的作用較大；而在流量大、轉速高的情況下，攪拌槳葉片對砂粒影響較大，而砂粒受到其他作用力的影響較小，模擬除砂率和實測除砂率也較為接近。

最后，在文章所進行的離散相模擬過程中，砂粒形狀假設為均勻球體，故在運動過程中不存在變形、磨損和破碎，同時假定砂粒進入速度與液相流速相等，且砂粒于入口處均勻分布。但是在實際運行過程中，砂粒在進水渠截面的分布情況主要取決于進水流速、砂粒粒徑及形狀、水體密度等因素，故造成除砂率模擬值略小于實測值的結果。

5 結 論

綜上所述，生產建設項目旋流沉砂池去除砂粒主要基于強制渦旋流運動，壓力場的壓強差和速度場的水平環流、軸向環流會對沉砂池內砂粒運動產生不同影響。當攪拌槳葉片沿水流方向順時針轉動時所產生的軸向環流流場與沉砂池運動特性相符，軸向流速對砂粒沉降及池底砂粒向池心運移均有助推作用。進水流量與除砂率呈反向變動關系；在攪拌槳葉片轉動速度恒定時，除砂率隨攪拌槳設置高度的變化而以前后兩種拋物狀形狀變化；而當進水流量和攪拌槳設置高度恒定時，除砂率隨攪拌槳葉片轉動速度的變化而呈拋物線變動趨勢。綜合文章分析結果，出于除砂效率、運行成本等方面的綜合考慮，應將生產建設項目旋流沉砂池進水流量設定在200m3/h，攪拌槳葉片轉動速度確定在15r/min，攪拌槳最佳設置高度確定在150mm，以便在短時間內取得最佳的除砂效果。