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CFD在氧化沟数值模拟上的应用

2022-02-24 351

一、氧化沟技术介绍

我国人口与国内生产总值分别占全世界的18%15%左右,但水资源量仅占世界的6%。我国工业的快速发展导致污水排放量逐年增加,到本世纪初,城市污水排放量已达到492.4亿吨。水体的污染随之威胁到人类以及动植物的生存环境,因此城市污水治理迫在眉睫。

氧化沟工艺因其具有污泥负荷低、耐冲击负荷强、剩余污泥少等优点而成为我国城镇生活污水处理厂首选工艺之一。据统计,中国有28.1%的污水处理厂采用氧化沟工艺。

氧化沟工艺是活性污泥法的一种变形,通过相应的推流设备使得污水和污泥在沟道中不断循环流动,并通过延时曝气,使沟段中的有机物得到有效降解。氧化沟工艺具有众多优点:构筑物简单基建费用省机械设备少耐冲击负荷能力强有较好的脱氮除磷效果有利于处理难降解有机物质运行管理方便,处理效果稳定。

二、CFD在氧化沟数值模拟上的应用

赵星明等人[1-3]针对氧化沟弯道水流流态复杂的特点,分析了弯道横向环流和水流流速在弯道的重新分布对污泥沉积的影响,借助ANSYS FLOTRAN模块对设置偏置导流墙前、后的水流流速分布情况进行了模拟比较。探讨了偏置导流墙减少污泥沉积的机理,研究了氧化沟弯道局部阻力和边墙超高的计算方法,为导流墙的设计提供了参考。

谢浩[4]应用Fluent对氧化沟流场及污泥浓度分布进行了固-液两相流模拟结果表明,两相流模拟结果与实测的数据与单相流的模拟结果相比较模拟精度更高,平均相对误差由单相流模拟的8%降低至5%。针对现有运行条件下易发生污泥的情况,提出了优化工艺,氧化沟段中易于发生污泥沉积的底部污泥体积分数由之前的0.260降低至0.258

何永鹏[5]对秦皇岛莫污水处理厂的氧化沟进行了气液两相流的模拟,提出了5种推流器的布置方式,通过数值模拟结果,对断面流场、断面流速、整体流速分布以及速度沿纵向分布进行了分析,确定出最优的压差推流形式;提出了2种曝气的形式,在其他变量相同的前提下,通过数值模拟并对流场结构、流速分布和氧化沟内气体体积分数进行比较,确定了微孔曝气氧化沟的运行优势。

许琪[6]以南太子湖污水处理厂卡鲁塞尔(Carrousel)氧化沟为对象,成功构建了氧化沟CFD模型与ASM2生化模型的耦合模型。耦合模型首次运用于全沟段氧化沟模拟,对于主要水质指标:三维流速、SS、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)等模拟结果与实测结果标准相对误差分别为4.34%0.23%0.57%5.32%3.32%3.20%5.09%,证明了模型的有效性。利用建立的CFD-ASM2耦合模型对开启不同组合的曝气设备与水下推进器运行模式进行模拟优化。在同样达到一级A排放标准(GB 18918-2002)的情况下,运行模式II(开启7台转碟曝气机与10台水下推进器)相比于当前运行模式(开启9台转碟曝气机与13台水下推进器),可以降低第二与第四沟段SS浓度,有利于防止污泥沉积,同时氧化沟全沟段运行能耗可以降低22.3%,节约电耗55.46万元/年。

刘林刚[7]基于传统气液两相流CFD模拟,耦合气泡群平衡(PBM)模型,建立了CFD-PBM模型。在保持曝气系统通气量不变的条件下,系统考察了氧化沟曝气、非曝气区不同断面面积比下的流场状态根据使混合液内氧气供需平衡的思路,将曝气盘分三段按59%31%10%比例递减式布置,同时提高推流器转速以满足混合推流要求,结果显示PBM模型得到的曝气区气含率、气泡分布沿水流方向递减,减小了曝气设备能耗,优化了微曝氧化沟的供氧效率。

三、氧化沟CFD拟案例

本案例采用实验室规模的氧化沟模型进行气液两相流的模拟,模型如下图1所示。

1 案例氧化沟模型

采用VOF多相流模型及RNG k-ɛ湍流模型进行瞬态计算,推流器运动使用MRF方法描述,求解方法采用SIMPLE算法。

边界条件如下:

底部曝气孔为速度入口(0.01m/s

推流器转速为3rad/s

计算域顶部为压力出口(大气压)

其余边界为无滑移壁面条件

氧化沟初始水深为5.5m

通过CFD模拟,获得了该氧化沟的速度分布、氧化沟内气体含量等详细数据。

(一)氧化沟内流体速度分布情况

2 水深0.5m处速度分布情况(t=30s

3 水深3m处速度分布情况(t=30s

4 水深5m处速度分布情况(t=30s

(二)氧化沟内气体含量分布情况

5 氧化沟内Z=4.3m处的气体含量分布情况(t=30s

四、参考文献

[1]赵星明徐志伟.氧化沟的水头损失计算与导流板偏置的作用[J].中国给水排水,2000(07):35-37.

[2]赵星明张庆华黄廷林张萍.氧化沟弯道的污泥沉积分析与水力计算[J].中国给水排水,2008(06):38-40.

[3]赵星明王萱王爱军.氧化沟弯道水流特性研究[J].环境科学与技术,2008(04):104-106.

[4]谢浩.氧化沟液固两相CFD模拟及ASM模型耦合研究[D].华中科技大学,2013.

[5]何永鹏.氧化沟推流器位置分布及曝气方式优化的数值模拟研究[D].西安理工大学,2021.

[6]许琪.污水处理厂氧化沟及高效澄清池工艺的数值模拟与优化研究[D].华中科技大学,2020.

[7]刘林刚.基于CFD-PBM耦合的微孔曝气氧化沟流态模拟及优化研究[D].兰州理工大学,2017.

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