不同流量下污水沉淀池的数值仿真

，，

(1.新疆工程学院，乌鲁木齐 830000;2.内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司，内蒙古 乌海 016000)

0 引 言

随着工业、农业经济的飞速发展，使水污染状况不断加剧。目前解决的办法主要是：强化水处理工艺，沉淀池是污水处理过程的一个重要工具，其内部流动状态的好坏将是水处理系统的成败[1-2]。曾光明、秦肖生[3-4]利用涡量-流函数法对平流式沉淀池进行数值模拟，确定了挡板位置与去除率之间的关系。蔡金傍[5]通过对平流式沉淀池添加示踪剂也得到了流速、长高比与去除率之间的关系。屈强[6]对折流式沉淀池的流场进行了模拟，并在此基础上进行了初步的分析。张庄[7]提出了的沉砂池中悬浮物的数学模型并用该模型对典型的圆形沉砂池内的流场、悬浮物浓度、分布及沉淀效率进行了模拟。由于辐流式沉淀池的机械排泥，运行较好，管理较简单，排泥设备已经趋于定型等诸多优点使辐式沉淀池在沉降洁净水技术中越来越得到了广泛的应用，同时由于流体力学和计算机技术的发展，对辐式沉降池的设计也得到了优化。以往用来模拟的沉淀池的各种模型都是对要建设的沉淀池进行设计优化及结构改造，很少考虑当沉淀池的池型已定时改变水流、水质等因素时，是否会对沉淀池的沉淀效率产生比较大的影响。文中主要利用CFD软件对其辐式沉淀池进行三维数值模拟，分析其在不同流量条件下固液分离效果，以期更大程度的发挥沉淀池的功能，使其经济低耗的运行。

1 物理模型及数学模型

1.1 物理模型

辐流式沉淀池的进水管设在池中心，流出槽设在池子四周，常也被称为中心进水周边出水辐流式沉淀池。文中所要研究的对象的结构尺寸列于表1，单位：m。

表1 结构尺寸 m

泥斗设在池中央，池底向中心倾斜，垂直挡板，用于把来流引向池底，水平挡板，用于防止进水和污泥回流之间的短流，如图1所示。

图1 辐式沉淀池的三维模型图注：1.污泥出口;2.水平挡板;3.垂直挡板 4.清洁水入口;5.处理后水出口

1.2 数学模型

中心进水周边出水的辐式沉淀池，r方向为沉淀池半径的方向，z方向为垂直方向。辐式沉淀池内的水流流动为不可压缩的二维轴对称流动。

连续性方程：

(1)

动量方程：

r方向

z方向

由于要对沉淀池在不同流量条件下的运行状况的流场进行研究，沉淀池内水流流态为湍流，建立k-ε湍流方程为：

湍动能k方程：

湍动能耗散率ε

式中，

Pr是普朗特数，Prt是湍流普朗特数均取为0.7。

Cu,Cε1,Cε2,σk,σε为模型常数它们的的值为0.09，1.41，1.92，1.0，1.3。

涡粘性系数vt

2 计算结果及分析

2.1 沉淀池的流场分析

通过对进口速度分别为0.019、0.038、0.057 m/s的三个不同流速下的速度场及污水体积分数的计算结果如图2至图4所示。

图2 在V=0.019 m/s下流场图

图3 在V=0.038 m/s下流场图

图4 在V=0.057 m/s下流场图

仿真结果表明，在其他条件不变的情况下进口流速越小，固体的沉淀效果越好，因此，可适当的减小进口流量，来提沉淀池的沉降效果。同时由于回流区域的存在，导致实际沉淀池的水力停留时间比理想沉淀池所计算的时间少，所以沉淀池的沉淀效果达不到设计的要求，如图5至图7所示。

图5 在V=0.019 m/s下的体积分数云图

图6 在V=0.038 m/s下的污水体积分数云图

图7 在V=0.057 m/s 下的污水体积分数云图

通过对污水体积率的分布图及其云图可以看出，水平挡板对沉淀池流场及处理效果有很重要的影响，水平挡板的位置对沉淀池的流场产生影响，主要体现在挡板位置的设置会增加沉淀池内部的回流区域，从而减小沉淀池的有效停留时间，降低沉淀池的沉降效果。

图8 019 m/s高度方向的污水体积分数

图9 V=0.038 m/s高度方向的污水体积分数

图10 V=0.057 m/s高度方向污水体积分数

去除率是判断沉淀池运行效果好坏最重要的参数，文中通过对出口悬浮物平均浓度的模拟计算，得到了沉淀池随时间变化的去除率，如图8至图10所示。

式中：η为去除率，%；Cin为沉淀池进口悬浮物浓度kg/m3；Cout为沉淀池出口处浓度kg/m3。

图11 不同流量下的去除率与时间的关系

沉淀池从出泥开始，去除率逐渐下降，且在相同时间间隔内去除率下降的幅度越来越大。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悬浮物浓度的增大，使水流在池内的停留时间越来越短造成的，同时进口速度小的流体在池内流动时间长，所以去除率会高于进口速度大的沉淀池，如图11所示。

4 结 论

文中对辐式沉淀池的工况进行了数值模拟。得到了三种流量下的沉淀池的速度场，污水体积率的分布情况，通过分析其变化得到了一些结论与成果，现归纳如下：

(1)建立了描述沉淀池内水流运动的三维湍流的k-ε双层模型及计算方法。

(2)对所建立的辐式沉淀池的三维模型的流场，体积分数，及去除率进行计算，计算结果显示进口速度小的去除率优于进口速度大的。

(3)水平挡板位置的设置对沉淀池的沉淀效果有较大的影响。

[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 莹，肖 洋.哈尔滨市9种湿地植物在不同HRT下净污效果研究[J].森林工程，2012，28(6)：22-24+27.

[3] 曾光明,葛卫华,秦肖生，等.污水厂二维沉淀池水流和悬浮物运动数值模拟[J].中国环境科学,2002,22(4):338-341.

[4] 曾光明,葛卫华,秦肖生，等.数值模拟方法在二维沉淀优化设计中的应用[J].环境工程，2002,20(2):10-12.

[5] 蔡金傍,段祥宝.沉淀池水流数值模拟[J].重庆建筑大学学报，2003,25(4):64-69.

[6] 屈 强,马鲁铭,王红武，等.折流式沉淀池流态数值模拟[J].中国给水排水，2005,21(4):58-61.

[7] 张 庄.沉淀池沉淀效果的数值分析[J].清华大学学报(自然科学版)，1998,38(1):96-99.