计算流体动力学在污水厂二沉池改造中.docVIP

计算流体动力学在污水厂二沉池改造中的应用 刘培勇1 郝二成2 张晓红2 周军2 甘一萍2 （1.厦门中联环环保工程有限公司，厦门，361004） (2.北京城市排水集团有限责任公司科技研发中心，北京，100124) 绪论 随着生活水平的提高，污水水量在日益增加，许多污水处理厂的负荷已经超出了设计标准，给污水处理厂的运行带来了困难。一般在设计时，预处理构筑物的设计均考虑了安全系数1.3，因此在水量增大时其运行不会受到严重影响。但生物处理以及二沉池均按设计流量进行设计，水力负荷的加大势必会给运行带来不良影响，生物处理段的运行可以提高MLSS来应对水力负荷的提高，这样相当于给二沉池增加了固体负荷。因此，为了应对水力负荷的增加，可以相应提高二沉池的水力和固体负荷，保证出水水质稳定达标。二沉池的主要作用为澄清和浓缩，澄清即保证出水SS稳定达标；浓缩是为了提高回流污泥??度，保证生物反应器的污泥浓度。为了改善二沉池的这两种作用，在中国北方某污水厂开展了本项研究。 1. 计算流体动力学在二沉池中的应用 1.1 计算流体动力学简介 计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称 CFD)是流体力学的一个分支，它通过计算机模拟获得流体在特定条件下的相关信息，实现了用计算机代替试验装置完成“计算试验”，为工程技术人员提供了实际工况模拟仿真的操作平台，已广泛应用于航空航天、热能动力、汽车工程、化学工程、流体机械、环境工程等。 为了完成CFD计算，过去用户多是自己编写计算程序，自1981年以来，出现了如PHOENICS、STAR-CD、FIDIP、FLUENT等过个商用CFD软件，这些软件的显著特点是：功能比较全面，适用性强；具有比较易用的前后处理系统；具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高；可在多种计算机、多种操作系统，包括并行环境下运行。随着计算机技术的快速发展，这些商用软件在工程界发挥着越来越大的作用。其中FLUENT软件应用最为广泛。 Fluent是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。Fluent软件分为三部分：前处理模块、解算模块和后处理模块。前处理模块有专门的建模及网格划分软件Gambit，它提供流体区域内面、体的网格划分和边界条件类型的设置。Fluent解算模块有许多模型可以选择。Fluent 的后处理模块，可以给出所有迭代变量，如速度、压力、温度、体积浓度场等各种可视图来分析处理。 Fluent具有较强的计算通用性与丰富的显示功能，可以灵活方便地用来模拟污水处理厂的沉淀池。利用Fluent软件的各种强大功能，就可以不必花费太多的精力去编制这类程序而将重点放在针对沉淀池的优化上面来。可以说，利用现成的商业软件进行数值模拟在工程应用领域具有很好的发展前景，它将成为越来越多研究者解决实际工程问题的一个有效手段。 1.2 计算流体动力学在二沉池中的应用 目前，国内有部分研究人员已经成功利用FLUENT对二沉池进行模拟，但利用模拟对实际运行二沉池进行改造在国内少有报道。郑迪和王涛等人用Fluent软件对平流式二沉池内的流态进行模拟，分析在各种情况下的流态，说明现有平流式二沉池内水流流态不理想。提出改善流态的关键装置——月牙形导流板。通过模拟得出：在进水挡板下适当位置加设月牙形导流板能够较好地改善流态，改善后的流态与“理想沉淀池”中提到的流态较为吻合。肖尧等以FLUENT为工具，用用欧拉—拉格朗日和欧拉—欧拉方法对辐流式二沉池的流态，尤其是固相行为和分布进行了模拟研究。结果表明，固相颗粒在二沉池中的行为和分布受颗粒的粒径、密度等自身属性以及漩涡等特殊流动现象的影响，呈现出不同于理想沉降理论的轨迹；颗粒粒径及密度越小，颗粒则越易受漩涡等的影响，沉淀池的泥水分离效果也就越差。 2.二沉池改造 2.1改造的必要性 示范研究的污水处理厂自运行以来，一直面临着进水水量和水质超负荷的困境。另外，由于水温的变化，以及污泥沉降性能的改变（SVI最高能到350mL/g），每年二沉池有一段时期泥位非常高，面临膨胀的危险，因此有必要对其进行优化研究。 2.2二沉池改造 1）方案比选 影响二沉池沉淀效果的因素包括：运行条件，如进泥水力负荷、固体负荷等；污泥沉降性能，其主要取决于进水水质、水温、反应池DO、工艺运行泥龄以及生物反应过程等；水力条件，如进水导流筒的设置、水力挡板的设置等。运行条件及污泥沉降性能在运行中可以进行优化，但随着水力负荷的增加，其优化能力已不能解决问题，此时只能依靠改善池内水力条件来进行优化。水力条件中导流筒的设置高度及直径对二沉池也有影响，但根据目前的设置其改善的空间很小，因此研究主要考虑增加水力挡板。 2）水力模拟 该污水厂二沉池为中心进水、周边出水辐流式沉淀池，出水槽为双边堰出