不同流量下污水沉淀池的數值仿真

，，

(1.新疆工程學院，烏魯木齊 830000;2.內蒙古京海煤矸石發電有限責任公司，內蒙古 烏海 016000)

0 引 言

隨著工業、農業經濟的飛速發展，使水污染狀況不斷加劇。目前解決的辦法主要是：強化水處理工藝，沉淀池是污水處理過程的一個重要工具，其內部流動狀態的好壞將是水處理系統的成敗[1-2]。曾光明、秦肖生[3-4]利用渦量-流函數法對平流式沉淀池進行數值模擬，確定了擋板位置與去除率之間的關系。蔡金傍[5]通過對平流式沉淀池添加示蹤劑也得到了流速、長高比與去除率之間的關系。屈強[6]對折流式沉淀池的流場進行了模擬，并在此基礎上進行了初步的分析。張莊[7]提出了的沉砂池中懸浮物的數學模型并用該模型對典型的圓形沉砂池內的流場、懸浮物濃度、分布及沉淀效率進行了模擬。由于輻流式沉淀池的機械排泥，運行較好，管理較簡單，排泥設備已經趨于定型等諸多優點使輻式沉淀池在沉降潔凈水技術中越來越得到了廣泛的應用，同時由于流體力學和計算機技術的發展，對輻式沉降池的設計也得到了優化。以往用來模擬的沉淀池的各種模型都是對要建設的沉淀池進行設計優化及結構改造，很少考慮當沉淀池的池型已定時改變水流、水質等因素時，是否會對沉淀池的沉淀效率產生比較大的影響。文中主要利用CFD軟件對其輻式沉淀池進行三維數值模擬，分析其在不同流量條件下固液分離效果，以期更大程度的發揮沉淀池的功能，使其經濟低耗的運行。

1 物理模型及數學模型

1.1 物理模型

輻流式沉淀池的進水管設在池中心，流出槽設在池子四周，常也被稱為中心進水周邊出水輻流式沉淀池。文中所要研究的對象的結構尺寸列于表1，單位：m。

表1 結構尺寸 m

泥斗設在池中央，池底向中心傾斜，垂直擋板，用于把來流引向池底，水平擋板，用于防止進水和污泥回流之間的短流，如圖1所示。

圖1 輻式沉淀池的三維模型圖注：1.污泥出口;2.水平擋板;3.垂直擋板 4.清潔水入口;5.處理后水出口

1.2 數學模型

中心進水周邊出水的輻式沉淀池，r方向為沉淀池半徑的方向，z方向為垂直方向。輻式沉淀池內的水流流動為不可壓縮的二維軸對稱流動。

連續性方程：

(1)

動量方程：

r方向

z方向

由于要對沉淀池在不同流量條件下的運行狀況的流場進行研究，沉淀池內水流流態為湍流，建立k-ε湍流方程為：

湍動能k方程：

湍動能耗散率ε

式中，

Pr是普朗特數，Prt是湍流普朗特數均取為0.7。

Cu,Cε1,Cε2,σk,σε為模型常數它們的的值為0.09，1.41，1.92，1.0，1.3。

渦粘性系數vt

2 計算結果及分析

2.1 沉淀池的流場分析

通過對進口速度分別為0.019、0.038、0.057 m/s的三個不同流速下的速度場及污水體積分數的計算結果如圖2至圖4所示。

圖2 在V=0.019 m/s下流場圖

圖3 在V=0.038 m/s下流場圖

圖4 在V=0.057 m/s下流場圖

仿真結果表明，在其他條件不變的情況下進口流速越小，固體的沉淀效果越好，因此，可適當的減小進口流量，來提沉淀池的沉降效果。同時由于回流區域的存在，導致實際沉淀池的水力停留時間比理想沉淀池所計算的時間少，所以沉淀池的沉淀效果達不到設計的要求，如圖5至圖7所示。

圖5 在V=0.019 m/s下的體積分數云圖

圖6 在V=0.038 m/s下的污水體積分數云圖

圖7 在V=0.057 m/s 下的污水體積分數云圖

通過對污水體積率的分布圖及其云圖可以看出，水平擋板對沉淀池流場及處理效果有很重要的影響，水平擋板的位置對沉淀池的流場產生影響，主要體現在擋板位置的設置會增加沉淀池內部的回流區域，從而減小沉淀池的有效停留時間，降低沉淀池的沉降效果。

圖8 019 m/s高度方向的污水體積分數

圖9 V=0.038 m/s高度方向的污水體積分數

圖10 V=0.057 m/s高度方向污水體積分數

去除率是判斷沉淀池運行效果好壞最重要的參數，文中通過對出口懸浮物平均濃度的模擬計算，得到了沉淀池隨時間變化的去除率，如圖8至圖10所示。

式中：η為去除率，%；Cin為沉淀池進口懸浮物濃度kg/m3；Cout為沉淀池出口處濃度kg/m3。

圖11 不同流量下的去除率與時間的關系

沉淀池從出泥開始，去除率逐漸下降，且在相同時間間隔內去除率下降的幅度越來越大。速度小的沉淀池的去除率要高于速度大的，去除率下降的原因是池底懸浮物濃度的增大，使水流在池內的停留時間越來越短造成的，同時進口速度小的流體在池內流動時間長，所以去除率會高于進口速度大的沉淀池，如圖11所示。

4 結 論

文中對輻式沉淀池的工況進行了數值模擬。得到了三種流量下的沉淀池的速度場，污水體積率的分布情況，通過分析其變化得到了一些結論與成果，現歸納如下：

(1)建立了描述沉淀池內水流運動的三維湍流的k-ε雙層模型及計算方法。

(2)對所建立的輻式沉淀池的三維模型的流場，體積分數，及去除率進行計算，計算結果顯示進口速度小的去除率優于進口速度大的。

(3)水平擋板位置的設置對沉淀池的沉淀效果有較大的影響。

[1] P，Chatellier J M Cudic.A New Model for Wastewater Treatment Plant Clarifier Simulation[J]. Water Research， 2000.34(2):690-693.

[2] 范 晶，郜 瑩，肖 洋.哈爾濱市9種濕地植物在不同HRT下凈污效果研究[J].森林工程，2012，28(6)：22-24+27.

[3] 曾光明,葛衛華,秦肖生，等.污水廠二維沉淀池水流和懸浮物運動數值模擬[J].中國環境科學,2002,22(4):338-341.

[4] 曾光明,葛衛華,秦肖生，等.數值模擬方法在二維沉淀優化設計中的應用[J].環境工程，2002,20(2):10-12.

[5] 蔡金傍,段祥寶.沉淀池水流數值模擬[J].重慶建筑大學學報，2003,25(4):64-69.

[6] 屈 強,馬魯銘,王紅武，等.折流式沉淀池流態數值模擬[J].中國給水排水，2005,21(4):58-61.

[7] 張 莊.沉淀池沉淀效果的數值分析[J].清華大學學報(自然科學版)，1998,38(1):96-99.