基于柵條式微渦絮凝的隧道廢水處理技術(shù)數(shù)值模擬

張東海

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 陜西 西安 710043)

隨著國(guó)內(nèi)鐵路運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展以及鐵路沿線環(huán)保要求的日益提高,鐵路建設(shè)施工期隧道廢水的處理問(wèn)題日益凸顯.目前主要采用沉砂、混凝沉淀、水旋澄清等工藝對(duì)隧道廢水中的目標(biāo)污染物(suspended substance,SS)進(jìn)行去除.去除率一般可達(dá)到60%～85%[1-4],能夠滿足現(xiàn)行《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)[5]一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中SS為70 mg/L的排放要求.但在一些環(huán)境敏感區(qū)域的新建鐵路已經(jīng)開(kāi)始執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[6],部分地區(qū)要求SS出水小于25 mg/L.同時(shí)由于現(xiàn)場(chǎng)施工面積有限,缺乏專業(yè)技術(shù)人員,這對(duì)廢水處理設(shè)備的處理效率及可靠性都提出了很高的要求.因此為進(jìn)一步提升水處理設(shè)備的處理效率及處理精度,很多學(xué)者開(kāi)始從混凝動(dòng)力學(xué)入手,試圖找到一種可以加速顆粒碰撞,提升混凝反應(yīng)的途徑.目前具有代表性的高效除濁混凝理論是1962年由Levich先生提出的微渦混凝理論[7-8].該理論指出當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)形成與顆粒尺度相近的渦旋時(shí)才能加劇顆粒之間的碰撞從而實(shí)現(xiàn)高效絮凝.王紹文[9]在傳統(tǒng)給水處理工藝基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了渦旋混凝低脈動(dòng)沉淀凈水處理技術(shù),依靠流道上布設(shè)的多層小孔眼網(wǎng)格使水流穿越網(wǎng)格后形成微渦旋,利用微渦旋的離心慣性效應(yīng)和剪切效應(yīng)完成顆粒的高速聚集.童禎恭等[10]研發(fā)了渦流網(wǎng)格絮凝反應(yīng)器,利用網(wǎng)格狀的空心球體在流場(chǎng)中提供用于混凝的微渦旋,實(shí)現(xiàn)高效混凝的目的.此外在一些絮凝設(shè)備改良以及新型絮凝反應(yīng)器中均不約而同的采用了類似的原理.例如網(wǎng)格絮凝池[11]、空心渦旋絮凝球[12]、法蘭式管道絮凝器[13]等.

基于上述廢水高效除濁技術(shù),本文從微渦絮凝技術(shù)出發(fā),通過(guò)數(shù)值模擬手段對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的造渦柵條進(jìn)行分析,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬隧道廢水處理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,論證微渦強(qiáng)化絮凝技術(shù)在隧道廢水處理上的可行性.

1 有限元分析計(jì)算

1.1 計(jì)算模型建立

選用直徑為110 mm的圓柱體作為反應(yīng)器,在距離反應(yīng)器底部150 mm處設(shè)置兩根切向進(jìn)水管,進(jìn)水管內(nèi)徑為6 mm.在進(jìn)水管上方50 mm處設(shè)置用于制造微渦旋的柵條式微渦發(fā)生器.建模后的模型如圖1a所示,柵條式微渦發(fā)生器模型如圖1b所示.

圖1 反應(yīng)器及擾流柵條模型Fig.1 Model of reactor and grids

1.2 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算模型確定

1) 模型簡(jiǎn)介

本文主要針對(duì)柵條式微渦發(fā)生器的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為研究變量,以邊長(zhǎng)為5 mm的方形柵條作為基準(zhǔn)柵條(圖1b),柵條呈十字形布置,每側(cè)布置3根柵條,高度分別為200、400、600 mm,柵條兩兩之間的間距為11 mm.分別考慮柵條粗細(xì)、布置間距、長(zhǎng)度對(duì)廢水的混凝效果.選取反應(yīng)器內(nèi)特征斷面的湍動(dòng)能、湍耗散作為反應(yīng)器混凝的混凝動(dòng)力學(xué)指標(biāo).根據(jù)該類指標(biāo)評(píng)選最優(yōu)形式的柵條并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

2) 網(wǎng)格劃分

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用Solidworks建立計(jì)算模型,采用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分.為了進(jìn)一步提高數(shù)值模擬精度,對(duì)反應(yīng)器壁面處以及柵條表面的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,經(jīng)過(guò)多次網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn),最終計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量為7 654 029,所用軟件均為試用版.

3) 邊界層條件及計(jì)算模型選擇

反應(yīng)器入口處選擇速度入口(velocity-inlet),出口選擇壓力出口(pressure-outlet),默認(rèn)出口處為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓.設(shè)置進(jìn)口流速為1.5 m/s,進(jìn)口處湍流強(qiáng)度為5.13%,出口處湍流強(qiáng)度為6.77%.選擇Z軸方向?yàn)橹亓Ψ较?設(shè)置重力加速度-9.8 m/s2.為保證模擬結(jié)果盡可能貼合旋流場(chǎng)特征,計(jì)算過(guò)程中選取具有旋流修正項(xiàng)的RNGk-ε模型.

4) 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

混凝動(dòng)力學(xué)的流場(chǎng)表征參數(shù)主要有湍動(dòng)能k、湍耗散ε等[14-15].其中湍動(dòng)能主要通過(guò)雷諾切應(yīng)力做功為湍流提供能量,通常流體區(qū)域內(nèi)的k值越大,單位質(zhì)量流體的紊動(dòng)程度越劇烈,渦旋數(shù)量及其剪切力越強(qiáng),有利于形成較為致密的絮體.湍動(dòng)能耗散率(簡(jiǎn)稱湍耗散)主要指渦旋在衰減過(guò)程中的粘性耗散,是對(duì)顆粒碰撞聚集所需的有效能量的表達(dá).

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 柵條粗細(xì)對(duì)流場(chǎng)混凝效率的影響

采用Tecplot軟件對(duì)反應(yīng)器不同高度特征斷面的湍動(dòng)能及湍耗散分布云圖進(jìn)行繪制.不同粗細(xì)柵條下的湍動(dòng)能對(duì)比云圖如圖2所示.由圖2可知,流場(chǎng)中分別加入邊長(zhǎng)為5 mm和10 mm的兩種柵條后,湍動(dòng)能均發(fā)生明顯激增,其中沿徑向方向最外側(cè)柵條迎流面處湍動(dòng)能最大,流場(chǎng)紊動(dòng)最劇烈.同時(shí)5 mm柵條對(duì)于初始段流場(chǎng)的擾動(dòng)作用較小,在Z=300 mm的斷面上,其中心區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)低湍動(dòng)區(qū),流場(chǎng)的能量維持效果較好.在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)反應(yīng)器特征斷面的湍耗散分布進(jìn)行分析,湍耗散云圖分布如圖3所示.由圖3可知,兩種不同粗細(xì)的柵條其湍耗散ε的分布較為接近,均在柵條的迎流面以及反應(yīng)器邊壁處產(chǎn)生較強(qiáng)的湍耗散.

圖2 不同粗細(xì)柵條沿反應(yīng)器高程方向湍動(dòng)能分布云圖Fig.2 Turbulent kinetic energy distribution along the reactor elevation for different thicknesses of grids

圖3 不同粗細(xì)柵條沿反應(yīng)器高程方向湍耗散分布云圖Fig.3 Cloud plot of turbulent kinetic energy dissipation rate along the reactor elevation for different thicknesses of grids

為進(jìn)一步明確不同粗細(xì)的柵條對(duì)流場(chǎng)內(nèi)的湍動(dòng)能及湍耗散的影響,在對(duì)上述云圖分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析各斷面的湍動(dòng)能及湍耗散均值.不同粗細(xì)柵條沿反應(yīng)器高程方向各特征斷面的平均湍動(dòng)能變化情況如圖4所示,選用5 mm柵條時(shí),200 mm處的平均湍動(dòng)能可達(dá)9.43×10-4m2/s2,而直徑10 mm的柵條較之5 mm柵條的平均湍動(dòng)能下降了5.12%.在250 mm斷面處,10 mm柵條較之5 mm柵條有3.42%的提升.在250 mm后,10 mm柵條在流場(chǎng)中的平均湍動(dòng)能均低于5 mm柵條.這表明10 mm柵條的引入對(duì)絮凝流場(chǎng)造成極大的阻礙,致使流場(chǎng)紊動(dòng)降低.

圖4 不同粗細(xì)柵條沿反應(yīng)器高程方向平均湍動(dòng)能變化

圖5為不同粗細(xì)柵條沿反應(yīng)器高程方向各特征斷面的平均湍耗散變化情況.由圖5可知,反應(yīng)器各斷面的平均湍耗散變化規(guī)律與湍動(dòng)能的變化規(guī)律一致.在200 mm斷面處,5 mm柵條的平均湍耗散較之10 mm柵條提升了29.12%,但在250 mm斷面處,5 mm柵條的平均湍耗散較之10 mm柵條減少了25%.在250 mm后,5 mm柵條引起的平均湍耗散均高于10 mm柵條.

圖5 不同粗細(xì)柵條沿高程方向平均湍耗散變化

上述數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,流場(chǎng)內(nèi)的柵條過(guò)粗會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)的紊動(dòng)減弱,湍動(dòng)能和湍耗散都會(huì)產(chǎn)生不同程度的下降,致使顆粒的初期碰撞和后期聚集程度都會(huì)減弱.因此在混凝過(guò)程中宜選擇邊長(zhǎng)為5 mm的柵條.

2.2 柵條布置間距對(duì)流場(chǎng)混凝效率的影響

在上述模擬模型基礎(chǔ)上,控制柵條粗細(xì)為5 mm,將柵條布置間距從11 mm縮小至3 mm進(jìn)行比對(duì).圖6和圖7分別為不同粗細(xì)柵條沿反應(yīng)器高程方向的湍動(dòng)能分布云圖和湍耗散分布云圖.由圖6可知,當(dāng)柵條間距減小至3 mm時(shí),水流的旋流過(guò)程會(huì)受到很強(qiáng)的阻礙,從而在柵條的背流面處形成4個(gè)三角形狀的低湍動(dòng)區(qū).這與采用粗柵條形成的流場(chǎng)是較為相似的.當(dāng)水流進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)至500 mm以后兩種流場(chǎng)的狀態(tài)基本一致,僅在柵條迎流面處有明顯的局部紊動(dòng).由圖7可知,當(dāng)柵條間距從11 mm縮減至3 mm時(shí),在200 mm斷面處湍動(dòng)能降低了19.8%,到400 mm斷面時(shí),湍動(dòng)能仍有16.5%的降幅.這表明,柵條間距縮短后,流場(chǎng)的湍動(dòng)能值會(huì)在柵條的間隙處發(fā)生局部激增,但是流場(chǎng)整體的湍動(dòng)能值處于下降水平,這將不利于藥劑在水中的湍流擴(kuò)散以及初始顆粒的碰撞.

圖6 不同柵條布置間距下流場(chǎng)湍動(dòng)能云圖Fig.6 Turbulent energy cloud of flow field with different grid arrangement spacing

圖7 不同柵條布置間距下流場(chǎng)湍耗散云圖

圖8和圖9分別為柵條間距在11 mm和3 mm時(shí)反應(yīng)器沿高程方向各斷面的湍動(dòng)能和湍耗散平均值.由圖8可知,流場(chǎng)內(nèi)的柵條間距由11 mm降至3mm時(shí),流場(chǎng)的湍耗散分布由原先的扇葉狀分布轉(zhuǎn)變?yōu)槿欠植?同時(shí)由于柵條間距的減小致使流場(chǎng)內(nèi)阻滯作用增加,流場(chǎng)內(nèi)的低湍耗散分布區(qū)明顯增加,進(jìn)一步觀察500～700 mm斷面可知,柵條間距為11 mm時(shí),雖然水流的旋流能力減弱,但是在柵條的背流面處仍存在一定程度的旋流跡象.當(dāng)柵條間距減小至3 mm后這種旋流跡象明顯減弱.由圖9進(jìn)一步可知,柵條間距減小后,斷面的平均湍耗散分別出現(xiàn)不同程度的降低,降低幅度為13.3%～20.1%.

圖8 不同柵條布置間距下沿反應(yīng)器高程的湍動(dòng)能分布變化Fig.8 Variation of turbulent energy distribution along the reactor elevation with different grate arrangement spacing

以上結(jié)果表明過(guò)小的柵條間距會(huì)增加旋流反應(yīng)器內(nèi)的阻滯作用,反應(yīng)器各斷面的湍動(dòng)能和湍耗散都會(huì)降低,水流的紊動(dòng)效果變?nèi)?致使顆粒在混凝過(guò)程中得不到足夠用于碰撞聚集的能量,從而絮凝效率降低.因此柵條間距宜選擇為11 mm.

2.3 柵條長(zhǎng)度對(duì)渦旋流場(chǎng)的影響

在上述模擬模型基礎(chǔ)上,控制柵條粗細(xì)為5 mm,柵條間距為11 mm,延長(zhǎng)原模型中柵條的長(zhǎng)度,將200、400、600 mm的柵條高度調(diào)整為400、600、800 mm后進(jìn)行對(duì)比.其中200、400、600 mm的柵條簡(jiǎn)稱為246組合,400、600、800 mm的柵條簡(jiǎn)稱為468組合.

圖10和圖11分別為兩種不同長(zhǎng)度組合的湍動(dòng)能及湍耗散各特征斷面的云圖分布情況.由圖10可知,兩種不同的組合形式下,各斷面的湍動(dòng)能分布并未發(fā)生明顯變化.說(shuō)明柵條尺寸和柵條間距一定時(shí),柵條自身長(zhǎng)度并不會(huì)對(duì)湍動(dòng)能的水平分布產(chǎn)生顯著影響.由圖11可知流場(chǎng)內(nèi)的湍耗散分布與湍動(dòng)能分布情況基本一致.在300～500 mm區(qū)間內(nèi),兩種長(zhǎng)度組合的柵條湍耗散分布基本一致.但在600～700 mm區(qū)間,可以明顯看到468組合的柵條表面能產(chǎn)生更強(qiáng)的耗散波動(dòng).

圖11 不同柵條長(zhǎng)度布置條件下的湍耗散云圖Fig.11 Turbulent kinetic energy dissipation rate clouds for different grid bar length arrangements

圖12和圖13分別為柵條采用246組合及468組合形式下反應(yīng)器沿高程方向各斷面的湍動(dòng)能和湍耗散平均值.由圖12可知,流場(chǎng)內(nèi)柵條加長(zhǎng)后,在200 mm處湍動(dòng)能下降9.75%,在200～600 mm區(qū)間內(nèi),468組合的湍動(dòng)能始終略低于246組合.但從600 mm以后,468組合即長(zhǎng)柵條反應(yīng)器內(nèi)的平均湍動(dòng)能開(kāi)始高于246組合.由圖13可知,在200 mm處468組合柵條的平均湍耗散較之246組合降低了6.05%,但在600 mm斷面處468組合的柵條較之246組合提升了12.16%.

圖12 不同柵條組合沿反應(yīng)器高程的湍動(dòng)能分布變化

圖13 不同柵條組合沿反應(yīng)器高程的湍耗散分布變化

以上結(jié)果表明,加長(zhǎng)柵條可以起到能量重新傳導(dǎo)分配的作用.在長(zhǎng)柵條區(qū),水流中的能量可以通過(guò)柵條傳遞至反應(yīng)器中后段,為絮凝中后期的絮體進(jìn)一步提供用于聚集的能量.因此宜選用468組合的柵條作為最優(yōu)柵條長(zhǎng)度組合.

3 實(shí)際處理效果對(duì)比驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

隧道廢水中主要的目標(biāo)污染物為懸浮物SS,其質(zhì)量濃度一般為100～2 000 mg/L左右[3-4].目前對(duì)于隧道廢水的研究,由于采用重量法測(cè)試SS較為繁瑣耗時(shí),普遍采用濁度作為廢水處理評(píng)價(jià)指標(biāo)[16].同時(shí)廢水中的SS質(zhì)量濃度與濁度本身存在線性關(guān)系,一般SS質(zhì)量濃度是濁度的1.62倍[16-17].同時(shí)由于隧道廢水本身的SS來(lái)源就是由于隧道爆破產(chǎn)生的礦物類粉塵.因此選用高嶺土作為模擬廢水的致濁物質(zhì),配置濁度為1 300～1 400 NTU(SS質(zhì)量濃度為800～850 mg/L)的模擬廢水進(jìn)行實(shí)驗(yàn).根據(jù)前述數(shù)值模擬結(jié)果,選取5 mm柵條,布置間距為11 mm,采用同數(shù)值模擬一致的十字布置方法進(jìn)行柵條排布.單側(cè)柵條選用400、600、800 mm組合進(jìn)行水力實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)中選取聚合氯化鋁(PAC)作為混凝劑,混凝劑投加量為110 mg/L.反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間為2.05 min,沿時(shí)間方向從反應(yīng)器的出口斷面處進(jìn)行取樣.水樣沉淀15 min后測(cè)試上清液濁度.

為進(jìn)一步保證數(shù)值模擬和水力實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性,選用多普測(cè)超聲測(cè)速儀對(duì)反應(yīng)器不同斷面的流速進(jìn)行測(cè)試,并將實(shí)際反應(yīng)器的測(cè)速結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.

3.2 模型速度場(chǎng)檢測(cè)

圖14為反應(yīng)器流速測(cè)試對(duì)比結(jié)果,由圖14可知,數(shù)值模擬特征斷面流速值與實(shí)測(cè)流速值規(guī)律一致,表明模擬流場(chǎng)結(jié)果可以反應(yīng)實(shí)際混凝流場(chǎng)的效果.但數(shù)值模擬結(jié)果略大于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),其原因在于數(shù)值模擬過(guò)程中未考慮懸浮顆粒在碰撞混凝中的能耗.

圖14 數(shù)值模擬速度與流場(chǎng)實(shí)際速度對(duì)比

3.3 模型出水效果檢測(cè)

圖15為柵條式微渦發(fā)生器不同運(yùn)行時(shí)間的出水濁度及濁度去除率變化情況,由圖15可知,反應(yīng)器內(nèi)加入柵條式微渦發(fā)生器后,模擬廢水的剩余濁度在50 min內(nèi)發(fā)生銳減,其上清液濁度在反應(yīng)50 min時(shí)達(dá)到50.14 NTU,去除率穩(wěn)定達(dá)到96.14%.反應(yīng)持續(xù)6 h后,出水濁度始終穩(wěn)定在50 NTU以下,SS質(zhì)量濃度低于25 mg/L,能夠滿足相應(yīng)處理標(biāo)準(zhǔn).這表明該種微渦旋混凝工藝可以作為隧道廢水高效處理的一種處理工藝.

圖15 柵條式渦旋發(fā)生器沿時(shí)間出水效果Fig.15 Gridded micro-vortex generators along the time out of the water effect

4 結(jié)論

1) 柵條的粗細(xì)主要影響流場(chǎng)的初始紊動(dòng)以及后續(xù)絮凝能量的衰減程度.選擇邊長(zhǎng)為5 mm的柵條能夠?yàn)槌跗诨炷鲌?chǎng)提供足夠的紊動(dòng),同時(shí)為中后段絮凝反應(yīng)提供足夠的湍動(dòng)能及湍耗散.

2) 過(guò)小的柵條間距會(huì)增加旋流反應(yīng)器內(nèi)的阻滯作用,致使顆粒在混凝過(guò)程中得不到足夠用于碰撞聚集的能量,從而絮凝效率降低.因此柵條布置間距宜選擇為11 mm.

3) 柵條長(zhǎng)度主要對(duì)流場(chǎng)的沿程能量耗散及渦旋產(chǎn)生有影響,較長(zhǎng)的柵條可使流場(chǎng)的能量耗散呈現(xiàn)延滯狀態(tài),進(jìn)而在流場(chǎng)中后段產(chǎn)生持續(xù)性的微渦旋,促進(jìn)半絮體顆粒的進(jìn)一步碰撞聚集.因此宜選用長(zhǎng)度為400、600、800 mm的柵條作為最優(yōu)柵條長(zhǎng)度組合.

4) 用最優(yōu)組合形式的柵條對(duì)濁度為1 300 NTU模擬隧道廢水進(jìn)行了水力絮凝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),廢水最終出水濁度可穩(wěn)定在50 NTU以下.表明該種微渦旋混凝工藝可以作為隧道廢水高效處理的一種處理工藝.

致謝:本文得到中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司項(xiàng)目(院科**20-26)的資助,在此表示感謝.