潜水搅拌器作为流体机械搅拌设备被广泛应用于污水处理过程。电机输入的能量通过搅拌轴,经由桨叶带动周围流体运动,在池内形成三维模拟周期非稳态流动,使流体充分混合。在污水处理厂及再生水厂的工艺设计过程中,生化处理池通常布置相应的潜水搅拌器,使池内流体平均流速不低于0.3 m/s,促使活性污泥中的微生物和流体充分接触,提高处理效率,保证出水水质,并防止污泥发生沉淀。同样,在MBR好氧池中,潜水推流器可以使池内流体形成循环。由于小气泡的跟随性较好,在循环流速的影响下,可以大大增加气泡在池中的停留时间以及分布范围,从而提高气液传质的效率,降低运行能耗^[1]。优化污水调蓄池的池型结构、根据池内柱网结构合理布置潜水搅拌器的安装位置及安装角度,可以有效的减少搅拌死区,防止污泥沉淀,从而降低清池频率,并节约运行能耗。

在工艺方案设计方面,潜水搅拌器的配置功率一般是凭单方液体功耗的经验数据估算得出。但布置位置及安装角度不同会形成不同的搅拌(推流)效果。当布置或角度不合理时,会造成搅拌器功耗增大,效率不高。在结构设计方面,也发现某些地下厂站的生物池工艺、池型及结构尺寸完全相同,但其混凝土柱网的形状及尺寸却不同。另外,在污水处理厂的运行过程中,时常发现污泥沉积过多、推流器的固定支架破坏断裂的情况。设备故障往往需要清池维修,造成部分工艺系统停运,如果在峰值水量条件下运行,会造成出水水质不达标,甚至溢流排污等严重问题。尤其是地下厂站清池维修设备往往还伴随着更为严重的安全隐患,故而必须引起高度重视。

采用CFD模拟的手段对各类池体进行模拟,可以获得全面的流场信息,确定潜水搅拌设备的最佳布置方案及安装角度,在取得实际桨叶尺寸条件下可以合理选择推流器的配置功率,并可以针对地下厂站池内的柱网尺寸型式及池内结构给出合理建议,避免池内柱网及结构对流态及设备造成不利影响,并且可以达到节约能耗的目的,还可以最大限度的减少由于设备故障对厂站生产运行造成的不利影响。

本文采用ANSYS Fluent对不同项目的各类池体进行了CFD模拟,考察了池型结构、柱网尺寸以及搅拌设备布置对流场的影响。

模拟方法为动量源法与多重参考系法(Multi-Reference-Frame,MRF)。由于计算能力的限制,当池型尺寸较大且搅拌器数量较多时,多重参考系法的计算量较大,故将搅拌器简化为一动量源,仅输入水推力进行模拟,这也是设备厂家常用的模拟方法。当搅拌器数量较少时,采用模拟旋转机械的常用方法—MRF方法进行稳态模拟。

连续性方程见式(1):

$\frac{\partial (\alpha {}_q\rho {}_q)}{\partial t}+\nabla \cdot (\alpha {}_q\rho {}_{q}u{}_q)=\Gamma {}_q(1)$

动量守恒方程见式(2):

$\begin{array}{l}\frac{\partial (\alpha {}_q\rho {}_{q}u{}_q)}{\partial t}+\nabla \cdot (\alpha {}_q\rho {}_{q}u{}_{q}u{}_q)=-\alpha {}_q\nabla p+\\ \mu {}_{eff,q}\alpha {}_q[\nabla u{}_q+(\nabla u{}_q){}^{{\rm T}}]+\alpha {}_q\rho {}_{q}g+{\rm M}{}_q(2)\end{array}$

式中 α——相含率;

ρ ——流体密度,kg/m³;

u ——流体速度,m/s;

Γ_q ——相间质量交换项,kg/(m³·s);

p ——压力,Pa;

μ_eff ——有效粘度,Pa·s;

M_q ——相间动量交换项,kg/(m²·s²)。

式(2)中,质量交换,动量交换以及湍流粘度均为未知量,需要其他的封闭模型进行封闭。

模拟采用Standard k-ε湍流模型,k方程和ε方程分别见式(3)、式(4):

$\begin{array}{l}\frac{\partial }{\partial t}(\rho {}_{m}k)+\nabla \cdot (\rho {}_{m}u{}_{m}k)=\\ \nabla \cdot \left(\frac{\mu {}_{t,m}}{\sigma {}_k}\nabla k\right)+G{}_{k,m}-\rho {}_m\epsilon (3)\\ \frac{\partial }{\partial t}(\rho {}_m\epsilon )+\nabla \cdot (\rho {}_{m}u{}_m\epsilon )=\\ \nabla \cdot \left(\frac{\mu {}_{t,m}}{\sigma {}_{\epsilon }}\nabla \epsilon \right)+\frac{\epsilon }{k}(C{}_{1\epsilon }G{}_{k,m}-C{}_{2\epsilon }\rho {}_m\epsilon )(4)\end{array}$

式中 ρ_m——混合物相的密度,kg/s³;

μ_m ——分子粘度,Pa·s;

u_m ——混合物相的速度,m/s。

ρ_m、μ_m、u_m分别见式(5)～式(7):

$\begin{array}{l}\rho {}_m={\displaystyle {\sum }_{i=1}^{{\rm N}}\alpha }{}_i\rho {}_i(5)\\ \mu {}_m={\displaystyle {\sum }_{i=1}^{{\rm N}}\alpha }{}_i\mu {}_i(6)\\ u{}_m=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}}\alpha }{}_i\rho {}_{i}u{}_i}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}}\alpha }{}_i\rho {}_i}(7)\end{array}$

式中 α_i——第i相的体积分率;

ρ_i ——第i相的密度,kg/m³;

μ_i ——第i相的粘度,Pa·s;

u_i ——第i相的速度,m/s。

湍动能产生项G_k,m的计算见式(8):

$G{}_{k,m}=\mu {}_{t,m}[\nabla u{}_m+\nabla (u{}_m){}^{{\rm T}}]:\nabla u{}_m(8)$

湍流粘度μ_t由式(9)计算:

$\mu {}_t=\rho C{}_{\mu }\frac{k{}^2}{\epsilon }(9)$

气液两相流中通过相间相互作用产生动量交换。在多种相间作用力中,曳力相对于其他作用力来讲在数值上要大得多,因此在本文的模拟过程中只考虑曳力的作用。曳力的表达式见式(10):

$f=\frac{3}{4}\alpha {}_g\frac{C{}_D}{d{}_b}\rho {}_l\left|u{}_g-u{}_l\right|(u{}_g-u{}_l)(10)$

Schiller-Naumann曳力模型^[2]见式(11):

$C{}_{D,0}=\{\begin{array}{c}\frac{24}{Re}(1+0.15Re{}^{0.687}),Re\le 1000\hfill \\ 0.44,Re>1000\hfill \end{array}(11)$

Re为相对雷诺数,见式(12):

$Re=\frac{\rho {}_l\left|u{}_g-u{}_l\right|d{}_b}{\mu {}_l}(12)$

式中 ρ_l——连续相密度,kg/m³;

u ——气液相速度,m/s;

d ——气泡直径,m;

μ_l ——液相分子粘度,Pa·s。

模拟对象见表1。

随着越来越多的地下水处理厂站被投入运行,柱网形状时常不统一,有圆柱和方柱,本节比较了某污水处理站合流水调蓄池的模拟结果。

地下厂站的柱网数量较多,影响流场的充分发展。不同柱网形状的模拟结果显示:池内为方柱的整体流速为0.305 m/s,圆柱的整体流速为0.328 m/s,结构的变化使整体流速提高了7.43%。同时,池内为圆柱时流场分布相对均匀,尤其是柱子附近。方柱的形状阻力明显高于圆柱,流体的绕流效果较差。对于结构方案设计,当柱网数量较多时,选用圆柱,可以改善流态,节约能耗。

潜水搅拌器的安装角度影响射流是否能充分发展,应避免直冲柱子或侧墙。图1是污水调蓄池设计过程中某设备厂家提供的方案与优化后的设计方案对比。结果表明,由于池型不规则优化前用的是两两搅拌器相对,形成小范围循环的方式,但结果并不理想;优化后采用的方案仍然是形成整个调蓄池尺度的循环,池中流体速度大于0.3 m/s的区域较多,模拟效果较好。由于调蓄池位于地下,柱网的存在势必影响流场的充分发展,应尽量避免与柱网发生直接冲击。

图2是某工程合流水调蓄池的模拟结果,与图1的区别在于柱子数量大大增加。厂家利用搅拌器形成小范围循环,但经过柱网时的摩擦损失较大,结果反而较差。优化后的设计方案是形成整个调蓄池尺度的循环,流态效果相对较好。工艺设计时应尽量减少与柱子的冲击,并最大限度地使流场充分发展。

为了简化结构方案设计与简便施工,生物池常常做成方形池,带来的后果是拐角处污泥沉积,流场发展不充分,能耗加剧等。对常见的生物池型进行了模拟,比较了拐角为直角和圆角的模拟结果。

本节为直径2 m的推流器,转速为60 r/min。图3比较了不同拐角形状的生物池模拟结果,结果表明:拐角为圆角的生物池流态更为均匀,生物池大部分区域,包括拐角处的流速均大于0.3 m/s。经过统计,平均流速得到了提高,同时水流对搅拌器的作用力也有所下降。流线分布清晰地显示了壁面及拐角附近的流态,圆滑过渡最大限度地减少了旋涡的产生,避免了污泥沉积,具有一定的技术优势与工艺优势,有利于污水处理厂长期运行。

针对前文的合流水调蓄池,拐角为流动死区,污泥极易沉淀,在满足池容的条件下将拐角抹掉,模拟结果见图4。

结果表明,拐角抹掉后流场相对均匀,除了柱网附近,没有明显的流动死区,避免了停工清淤。项目中拐角为锐角,极易形成流动死区,对池体进行结构上的修补,可以避免污泥沉积,优化流场状况。

由于气泡群的存在,池中的湍流场更加复杂,气液两相相互作用不可忽视。研究表明,气泡直径越小,气液两相传质系数越大。尤其是近些年纳微气泡的广泛应用,使得生化处理池的效率有所增加。模拟对象设为某再生水厂二期工程曝气池。采用均匀进气的方式,气速根据需氧量进行换算。根据曝气头样本资料,算例中气泡平均直径设为2 mm,不考虑气泡的聚并破碎,不考虑气泡诱导湍流。

图5比较了只曝气、只推流以及曝气与推流共同作用的池底速度场。结果表明,曝气对池内流速的提高不可忽视。当只曝气时,浮力驱动的气泡群竖直向上运动,带动周围液体形成了竖直方向上的循环,同时提高了流速,但中间部位即曝气区域之间为低速区;当只开推流器时,池内液体主要为水平方向的循环,流态相对比较规律,流动死区主要分布在拐角部位;当两者共同作用时,此时的速度场存在两种控制机制,一方面受到气泡群竖直方向的拖曳作用,另一方面受到推流器的水平推流作用,两种控制机制相互竞争协调,流场比较复杂,存在数量较多且尺度不一的旋涡,复杂流态对潜水搅拌设备不利。

为了考察气液两相流场对潜水搅拌设备的影响,本节还对某再生水厂曝气池进行了模拟。首先采用多重参考系法对搅拌器进行稳态模拟,得到的稳态收敛解作为滑移网格法的初始场,再进行非稳态模拟,得到了搅拌器受压随时间的变化关系。

图6为搅拌器受到的总压随时间的变化,总压呈现一定的周期性。当搅拌器启动时,周期性的受力及其附近复杂的气液两相湍流场可能使搅拌器发生疲劳破坏。

气泡群与液相之间的相间作用力是液相流动的动量来源之一,所以浮力驱动的气泡群可使液速增加,对污泥悬浮有一定作用。对于生物池好氧区是否设置推流器的问题,可采取预先安装好推流器,定期开启,避免推流器与曝气同时开启长期运行后推流器损坏等情况发生。

(1)对于地下厂站柱网数量较多时,相比于方柱,采用圆柱可以改善流态,降低摩擦阻力,节约能耗。

(2)在确定潜水搅拌器的位置及安装角度时,应尽量避免搅拌器射流直射柱网,降低推力损耗,扩大搅拌器射流范围。

(3)池型与结构影响池内流场分布,拐角为圆角的池内流态比直角的流态更好,流场分布更均匀,污泥沉积的几率更小,有助于厂站的长期运行。

(4)曝气使流体在竖直方向形成循环,推流使流体在水平方向形成循环。浮力驱动的气泡群运动可改善污泥的悬浮状况。为了避免推流器损坏,曝气与推流切勿长期同时运行。