计算流体力学在污水厂二沉池优化设计中的应用

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 3.35MB 66 页 15积分

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摘要

二沉池是常规污水处理中的重要组成部分，污水处理厂的总投资约有 25%用

于二沉池。二沉池在废水处理过程中起着澄清和浓缩的作用，因此二沉池尺寸的

设计合理与否，对出水水质好坏有决定性作用。目前，二沉池设计主要基于理想

沉淀池的假设，具有很大的经验性。因此，为了精确地确定二沉池尺寸，提高悬

浮物去除率， CFD 的应用已经逐渐成为二沉池工作中的主要研究方法。

本文建立了基于 Eulerian-Eulerian 体系的三维两相流模型，采用标准 k-ε方程

描述湍流，所得模拟结果与 Imam 实验值吻合度较好，说明了 Eulerian-Eulerian 固

液两相流模型的正确可行性；并运用该模型模拟了一定条件下水流速度矢量和悬

浮物体积分数的分布。模拟结果表明：

(1) 进水口下方、污泥斗上方、挡板后侧和沉淀区中部都存在回流区；水流和

悬浮物的速度分布和流动趋势是一致的；二沉池内水流速度的分布是非均匀的；

悬浮物主要集中在污泥斗内，底部的悬浮物浓度比上部高。

(2) 挡板的设置对水流流动和悬浮物去除率有一定的影响，主要体现在挡板位

置和挡板长度合适与否。挡板存在时，悬浮物的去除率可以达到百分之百；挡板

越长，悬浮物的去除率会越大。模拟说明，挡板位置与长度达到最佳配置时，沉

淀效率最高，水质最好。

(3) 当颗粒密度为 1100kg/m3时，颗粒粒径明显影响了悬浮物的去除效果。颗

粒尺寸越大，悬浮物下沉作用越大，越有利于沉淀。因此，我们可以通过合理范

围内增加颗粒粒径来提高二沉池的沉淀效果。

(4) 当颗粒粒径为 100um 时，颗粒密度对水流速度和悬浮物分布也有一定的

影响。当颗粒密度增大时，悬浮物的去除率会增加，但是效果并不明显。因此如

果靠单纯增加颗粒密度来提高沉淀效率的话，效果并不明显。

(5) 当颗粒粒径和密度一定时，进口处悬浮物体积分数（浓度）应控制在一定

范围内，浓度过大或者过小都不利于沉淀。

(6) 进口水流流速也一定程度上影响了悬浮物的去除率。模拟表明，在一定的

入流条件下，进口流速越小，悬浮物在池内停留时间越长，沉淀效果就越好。因

此可以适当减小进口流速，即减少进口流量来提高悬浮物的去除率，使水质更佳。

关键词：计算流体力学平流式二沉池两相流模型悬浮物去除率

沉淀效果

ABSTRACT

The secondary sedimentation tank is a very important part in the sewage treatment

process, which about 25% of the total investment of sewage treatment is used in.

Secondary sedimentation tanks have defecation and condensation in sewage treatment.

To make sure of a good effluent quality, the design of the size of secondary

sedimentation tanks is very important. In order to confirm the size of secondary

sedimentation and improve sedimentation efficiency, the applying of Computational

fluid dynamic (CFD) method is becoming a main research method in the work of the

secondary sedimentation tanks.

Based on Eulerian-Eulerian equation, a three-dimensional two-phase flow model is

built. The k-ε model of turbulence describing method is used to compute the two-phase

Eulerian-Eulerian flow model. Good agreement is obtained between the simulated

results and the experimental data of Imam. Also the model is used to simulate the

distribution of the vectors of flow rate and the volume fraction of SS. The simulated

results are shown below:

(1) The circumfluence areas are under the inlet, over the sludge hopper, back the

baffle and in the middle part of the setting zone. There is no difference between the

velocity distribution and flow tendency of flows and SS. The distribution of velocity is

not uniform. SS is concentrated upon the sludge hopper, which concentration is higher

near the bottom than the surface.

(2) Addition of baffle plays some performance impacts in the direction of flow and

removal rate of SS. The impacts mainly reflected in the baffle position and length.

Removal rate of SS can reach one hundred percent with the baffle setting. The baffle

length is obviously in favor of the sedimentation efficiency. It is proved that

sedimentation efficiency can reach best with the good configuration of baffle position

and length.

(3) The particle diameter influences the removal rate of SS obviously when particle

density off for 1100 kg/m3. The bigger the particle diameter is, the greater the sinking

effect, and the better the sedimentation efficiency. So we can take the measure of

increasing in particle size reasonably to improve the sedimentation efficiency.

(4) The particle density plays some impacts in the velocity of flow and removal

rate of SS with the diameter off for 100um. Removal rate of SS can be improved by

increasing the density, but the effect is not obvious. So the sedimentation efficiency is

not obvious by means of increasing the density alone.

(5) Under the condition of the certain diameter and density, the volume fraction of

inlet SS should be controlled within certain limits, neither too big nor too small.

(6) The inlet flow velocity plays some impacts in the removal rate of SS. Under the

specific inlet condition, SS can stay longer in the tanks by decreasing the flow velocity.

Therefore we can decrease flow velocity or inlet flow rate to improve removal rate of

SS and make water quality better.

Key Word：Computational fluid dynamics, Rectangular secondary

sedimentation tank, Two-phase flow model, Removal rate of

suspended substances, Sedimentation efficiency

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................ 1

1.1 研究背景 ......................................................................................................... 1

1.2 课题的提出 ..................................................................................................... 2

1.3 二沉池现状 ..................................................................................................... 2

1.3.1 沉淀理论 .............................................................................................. 3

1.3.2 沉淀池分类 .......................................................................................... 3

1.4 平流式二沉池的国内外发展 ......................................................................... 4

1.4.1 国外研究情况 ...................................................................................... 4

1.4.2 国内研究情况 ...................................................................................... 5

1.5 课题研究目的和内容 ..................................................................................... 5

1.5.1 研究目的 .............................................................................................. 5

1.5.2 研究内容 .............................................................................................. 6

第二章计算流体力学(CFD)及Fluent 简介.............................................................. 7

2.1 计算流体力学的简介 ..................................................................................... 7

2.1.1 CFD 概述及控制方程 .......................................................................... 7

2.1.2 有限体积法原理 .................................................................................. 8

2.1.3 速度-压力耦合算法 ............................................................................. 8

2.1.4 CFD 的求解过程 ............................................................................... 12

2.2 Fluent 简介 .................................................................................................. 13

2.3 小结 ............................................................................................................... 14

第三章平流式二沉池的计算模型 .......................................................................... 15

3.1 固液两相流模型 ........................................................................................... 15

3.2 拟单相流模型 ............................................................................................... 16

3.3 湍流模型 ....................................................................................................... 17

3.3.1 大涡模拟 ............................................................................................ 18

3.3.2 雷诺平均模拟 .................................................................................... 19

3.3.3 边界条件 ............................................................................................ 21

3.4 对比验证 ....................................................................................................... 21

3.5 小结 ............................................................................................................... 23

第四章二沉池的数学模型应用 .............................................................................. 24

4.1 二沉池设计要素与数学模型建立 ................................................................ 24

4.1.1 城市污水处理的典型流程 .................................................................. 24

4.1.2 二沉池的设计要点 .............................................................................. 24

4.1.3 数学模型建立 ...................................................................................... 26

4.2 数学模型应用 ............................................................................................... 27

4.2.1 挡板位置的影响 .................................................................................. 27

4.2.2 挡板长度的影响 .................................................................................. 33

4.2.3 悬浮物粒径的影响 .............................................................................. 37

4.2.4 悬浮物密度的影响 .............................................................................. 41

4.2.5 悬浮物体积分数（浓度）的影响 ...................................................... 45

4.2.6 进口水流速度的影响 ........................................................................... 49

4.3 小结 .............................................................................................................. 54

第五章结论与建议 .................................................................................................. 56

5.1 结论 ............................................................................................................. 56

5.2 建议 ............................................................................................................. 57

参考文献 .................................................................................................................... 58

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................................ 62

致谢 ........................................................................................................................ 62

第一章绪论

1.1 研究背景

全球有四分之三表面覆盖着水，地球上水的总体积是 13.8 亿立方千米，其中

海洋水量为 13.2 亿立方千米，占地球总水量的 96%。海洋水含矿物质多、味咸，

不能直接为人类所用。而地球上剩余的 3%水量，人类也不能完全利用，扣除无法

取用的冰川冰冠以及分布在盐碱湖和内海的水量，人们所能利用的水量不到地球

总量的 1%。由于世界各地的水文、气象条件的差异，水的分布很不平衡；加上

水资源使用过程中的浪费，造成许多国家和地区严重缺水，据统计，现约有 110

个城市严重缺水；加上地球上可用的水资源储量基本不变，随着工业和农业生产

的快速发展和人类生活水平的改善提高，人们对淡水的需求与日递增；同时，很

多水资源污染严重，导致水资源供需矛盾愈发突出[1]。据统计，世界上现有 43 个

国家缺水。在不久的将来，淡水资源紧俏将成为 21 世纪的最大危机[2]。

我国是水资源较丰富的国家之一，共有 2.8 万亿立方米。我国河川年径流总量

在世界上排名第 6，但如果按人均占有径流量来计算，每人平均占有量约为 2400

立方米，等于世界人均占有量的 1/4，居世界第 88 位。总体而言，我国所拥有水

资源实属不多。与此同时，我国水资源在空间和时间上分布很不均匀，空间上呈

南多北少，由东南沿海地区向西北内陆递减，呈现不均匀的状态；时间上冬春少

雨、多春旱，夏季多雨、多洪涝，全年降水集中在夏季。据统计，20 世纪初全世

界的年用水量为 4000 亿立方米，到 20 世纪末增加到 40000 多亿立方米；我国在

上世纪 80 年代初用水量为 450 亿立方米，到了 20 世纪末已达 700 亿立方米。工

农业用水量增大，加剧了水资源的供需矛盾；污水排放量的增加，使得人类赖以

生存的水资源环境受到了破坏，水体受到污染，环境恶化。特别在我国水资源污

染极其严重，水资源短缺，有限淡水质量下降。因此，废水处理与回收利用成为

当今缓解水资源紧张的重要措施[3]。

目前，解决城镇污水污染问题最基本和有效的方法是建立污水处理厂。截止

2005 年，全国有 297 个城市还没有建立污水处理厂。虽然我国目前在城市供水设

施上的投资增大（ 1998 年投资总额为 1990 年的 6.5 倍），但是我国水处理设施相

对滞后，在设计上过多依靠经验建立了很多水处理构筑物，造成了设计保守、浪

费效率低下的现状。许多污水处理厂的处理效率不能达到预期的处理效率，需要

改进处理流程、提高处理效率、降低成本。因此，如何优化污水处理反应器的设

计和运行是有意义的。

计算流体力学在污水厂二沉池优化设计中的应用

1.2 课题的提出

二沉池是水处理工程中必不可少的构筑物之一，其作用不可替代，污水处理

厂的总投资约有 25%用于二沉池的建设[4]。二沉池由进水口、出水口、沉淀区和污

泥斗等部分组成。基本所有水处理厂中二沉池的设计都采用标准的圆形或者平流

式沉淀池。由于平流式沉淀池有构造简单，沉淀效果好，工作性能稳定，施工简

单、造价低的优点，适用相当广泛[5]。

二沉池的主要作用是澄清和浓缩：(1)，澄清是一个非常重要的环节，主要用

于初沉池中生物分离过程产生的微生物脱落、活性污泥等，保证悬浮物达到标准

排放；(2)，浓缩能把二沉池产生的污泥以回流污泥的方式运送到生物反应池，使

反应池中的微生物浓度保持一定比例，确保稳定地运行废水生物处理系统；(3)，

二沉池还有保证絮状物结构稳定的作用。所以二沉池的运行状况良好与否是整个

污水处理过程中重要的制约因素[6]。

但是由于现在大部分的二沉池设计都是依据经验参数[7,8,9]，设计过于简单，主

要采用基于理想沉淀池的假设[10,11]，即颗粒处于自由沉淀状态；水流沿水平方向作

等速流动，各点流速相等，颗粒的水平速度等于水流速度；颗粒沉到底部即认为

被去除。不论从去除效果还是从运行成本来说，现有的二沉池都存在一定的问题，

我们有必要对二沉池进行研究来提高它的废水处理效果。

目前我国经济技术还不发达，在污水处理过程中的投资和消耗较大，效率却

不高。为了促进我国城市污水处理厂建设的发展，必须大力开发一种简单有效的

废水处理技术，探索城市污水处理工艺优化和节能的途径。在计算机数值模拟技

术不断成熟的条件下，通过数值模拟方法来研究流体运动规律[12]，把计算机仿真

模拟技术运用到二沉池处理污水中[13]，简易、有效、方便，将是一项新的改革，

为二沉池的优化奠定了良好的基础。

另外，不仅可以节省投资，由于二沉池在水处理过程中被冲走的 BOD 占出水

BOD 总量的一半以上，出水质量很低，因此用数学模型来研究二沉池还可以保证

出水质量和提高处理效率[14,15]。

1.3 二沉池现状

沉淀工艺是指悬浮颗粒在重力作用下从水中分离出来的过程。原水投加混凝

剂经过混合反应，水中胶体杂质凝聚成较大的矾花颗粒，进一步在沉淀池中去除

掉。水中悬浮物的去除，可通过水和颗粒的密度差，在重力作用下进行分离。密

度大于水的颗粒将下沉，小于水的则上浮。沉淀工艺之所以被广泛应用，是因为

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摘要：

摘要二沉池是常规污水处理中的重要组成部分，污水处理厂的总投资约有25%用于二沉池。二沉池在废水处理过程中起着澄清和浓缩的作用，因此二沉池尺寸的设计合理与否，对出水水质好坏有决定性作用。目前，二沉池设计主要基于理想沉淀池的假设，具有很大的经验性。因此，为了精确地确定二沉池尺寸，提高悬浮物去除率，CFD的应用已经逐渐成为二沉池工作中的主要研究方法。本文建立了基于Eulerian-Eulerian体系的三维两相流模型，采用标准k-ε方程描述湍流，所得模拟结果与Imam实验值吻合度较好，说明了Eulerian-Eulerian固液两相流模型的正确可行性；并运用该模型模拟了一定条件下水流速度矢量和悬浮物...

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