济南市某水厂沉淀气浮池气浮区运行效果评估及计算流体力学模拟
0前言
济南市某水厂规模为40万m3/d,主要水源来自于某黄河水库,水质一直表现为低浊特性。随着黄河水污染日益加剧,到了春夏高藻期,水源水的各项指标尤其是藻类总数、叶绿素A等会猛增,藻类总数会由原来的几十个每升达到百万个每升。随着《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)颁布实施,水厂传统的混凝-沉淀-过滤工艺已难以满足新标准的要求。
2010年开始对工艺流程进行改造升级,改造规模为20万m3/d,将2座10万m3/d平流沉淀池改造为沉淀气浮池,相应增建气浮配套设施溶气罐、回流泵房等,同时增加高锰酸钾预氧化、机械混合、紫外线消毒等设施。改造后工艺流程如图1所示。本文对沉淀气浮池运行效果进行评估,同时运用计算流体力学方法(Computational fluid dynamics,CFD)对沉淀气浮池进行流场特性数值模拟,考察池体结构及流场特征,进一步优化运行参数。
图1 水厂改造后工艺流程
Fig.1 Process flow charts of water plant after transformation
1沉淀气浮池气浮区运行效果评估
为研究沉淀气浮工艺的净水效果,在春夏高藻期采用中试研究了改造后沉淀气浮池对浊度、藻类、氨氮等的去除效果,并对比了改造前后的处理效果。
改造后的沉淀气浮工艺,设置各项运行参数如下:在预处理阶段,投加粉末活性炭(PAC)5.0mg/L作为助凝剂、投加高锰酸钾5.0mg/L进行预氧化,同时投加6.0mg/L二氧化氯,强化高藻期除藻效果;沉淀气浮总水力停留时间(HRT)为1.6h,混凝剂采用聚氯化铝铁-聚二甲基二烯丙基氯化铵复合药剂(PAFC-PDMDAAC),混合时间33s,搅拌功率7.5kW;分离室分离速度采用2.0mm/s,接触室上升流速采用15.0mm/s,溶气压力设置为0.4MPa,溶气水回流比R为10%。
在春夏两季藻类爆发期,打开溶气回流系统,使改造后的沉淀气浮池与改造前的工艺同步、正常运行。根据中试要求选取4个取样点,即从改造前沉淀池出水、沉淀气浮池进水、沉淀区出水侧、气浮区出水口4个位置取样,每个取样点均选取5个样品,分别检测各取样点每种样品的各项参数,即浊度、CODMn、氨氮、藻类总数及叶绿素A,对春夏两季各取样点参数取平均后列于表1和表2中,改造前后各项检测指标参数的去除率如图2和图3所示。
表1 春季各取样点参数检测值
Tab.1 Detection value of parameters at each sampling point in spring
表2 夏季各取样点参数检测值
Tab.2 Detection value of parameters at each sampling point in summer
图2 春季沉淀气浮池和未改造沉淀池去除率对比
Fig.2 Removal rate contrast of the sedimentary gas floatation pond and untransformed sedimentation tank in spring
通过分析可知,在春夏两季,对浊度的去除效果来说,沉淀气浮池更具有优势,这是因为原水颗粒物浓度较低、颗粒Zeta电位较高,所以混凝过程中形成的絮体细、少、轻,难于沉淀
图3 夏季沉淀气浮池和未改造沉淀池去除率对比
Fig.3 Removal rate contrast of the sedimentary gas floatation pond and untransformed sedimentation tank in summer
针对氨氮的去除率来说改造后的沉淀气浮池有了显著提高。就化学耗氧量CODMn的去除效果来说,改造后气浮工艺却没有表现出明显优势,如果想提高此项去除率,还要考虑增加投药量或者联合其他工艺技术。
对藻类的去除效果来说,沉淀气浮池也更有优势。传统的混凝/沉淀工艺去除藻类的效果非常有限,单纯增大混凝剂的投加量会造成成本增加和释放藻毒素的危险,有些藻类还会分泌黏液造成配水管网中出现后絮凝现象
2沉淀气浮池气浮区CFD数值模拟
本试验仅对气浮区利用Fluent软件进行模拟试验。将水厂沉淀气浮池气浮区分为3个区,即2个接触区和1个分离区。
气浮区总长度设为20.45m,深度为3.5m,沿宽度方向均分成4格,单格宽度设为5.9m,每格处理量设为2.5万m3/d。沉淀区出水经导流区进入气浮接触室,总气水接触时间为400s,控制水流进入速度0.1m/s,接触室上升流速为15mm/s,分离室净长度16m,表面负荷为3.54mm/s。
把8个型号为TC-15的溶气释放器放置在气浮区的接触室,溶气压力为0.40 MPa,溶气回流比R为10%。采用中试模型进行试验,流量设为5m3/d,接触室平面面积为0.10m2,长度(即气浮池宽度)为0.68 m,宽度为0.15 m,上升流速为15mm/s;分离室分离速度为2.0mm/s,其平面面积为0.76m2,水深1.80m,长度为1.13m。
通过中试模型建立四边形网格,采用ICEM网格检测方法进行质量检测,结果表明,Angle准则检测值85.5～90占比100%,Determinant 2×2×2准则检测值0.95～1占比100%,这样的结果表明网格质量较好。把四边形网格输入Fluent软件,然后利用Fluent软件进行检测。结果如下:
(1)x坐标:最小为0,最大为1.425e+00m;y坐标:最小为0,最大为1.800e+00m。
(2)容量统计:最小体积:2.461e-05m3;最大体积:2.667e-05m3;总体积:2.536e+00m3。
(3)表面积统计:最小表面积:4.923e-03m2;最大表面积:5.333e-03m2。
(4)网格质量:最小正交质量1.000e+00;最大宽高比1.461e+00。
分析以上检测结果发现,网格最大体积为26.67mm2,最小体积为24.61mm2,计算区域面积为2.54m2,最大宽高比为1.46。根据ICEM网格检测方法,正交质量对应数值是从0到1,数值越接近于1说明网格质量越高,数值越接近于0说明网格质量越低。从检测结果来看最小正交质量为1,表明网格质量很高。然后再采用Fluent求解器进行迭代计算,并进行后处理。
分析图4a气相流迹可以看出,气相流迹线条光滑,未有明显的涡流扰动现象,这说明池型设计较为合理。通过图4b气相体积分布云图可以发现,分离区中间部分有明显的死气区出现,上部有明显的涡流死水区出现,这表明流态不是很好。但是如果分析整体,深度越大气体体积则越小,这就说明分布较为合理。分析图4c可以看出,曲线比较光滑,并呈现缓慢上升趋势,而且没有明显的弯折现象。综上来看,水厂工艺改造后的沉淀气浮池气浮区设计存在不合理之处,但从整体来看效果良好。
图4 沉淀气浮池气浮区模型计算流体力学(CFD)模拟后处理结果
Fig.4 Processing Result Diagram of the air floatation area of the sedimentary gas floatation tank after CFD simulation
针对溶气压力对气浮区进行优化,在0.30～0.50MPa下计算模拟气浮区气相分布云图如图5所示。
从图5分析可以发现,即使改变溶气压力也不能控制好接触室2中的水流扰动。当溶气压力为0.30MPa时,接触室2内气体含量较小,有一部分死区没有气体进入;分离室充满气体,但含量较小,在进水端气体体积明显高于其他部位。当溶气压力为0.35MPa时,接触室2内气体含量变大,但是有死水区的趋势出现;在分离室内气相均匀分布,在进水端有轻微扰动回流现象出现。当溶气压力为0.40MPa及以上时,压力越大气含率也越大,气体先充满接触室2,然后溢出到接触室1。
通过以上分析,调整溶气压力为0.40 MPa及以上时,在分离室进水端都会有明显死水区出现。总体来说,当运行改造后的沉淀气浮池工艺时,建议调整溶气压力为0.40MPa。如果水厂条件允许,可以将溶气压力调整为0.45MPa。
图5 不同溶气压力下气相体积分布云图
Fig.5 Vapor volume distribution nephogram in different dissolved gas pressure
3结论与建议
(1)水厂升级改造规模20万m3/d,将原有4座平流式沉淀池中的2座升级改造为沉淀气浮池。平流式沉淀池在水质较好时运行,改造后的沉淀气浮池则在春夏高藻期运行。
(2)在春夏高藻期,改造后的沉淀气浮池与改造前的工艺同步、正常运行,改造后的沉淀气浮池对化学耗氧量CODMn的去除没有明显优势,但是对浊度、氨氮和藻类的去除都表现出显著优势。
(3)对水厂改造后沉淀气浮池气浮区进行模拟,发现池体结构合理,流场特征良好,建议把溶气压力调整为0.40MPa。如果条件允许,可提高溶气压力到0.45MPa。