劉承博，楊興華，劉培坤，張悅刊，牛志勇

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

污水處理工藝普遍采用混凝-沉淀組合系統(tǒng)，混凝方式選用助凝劑(PAC)與絮凝劑(PAM)混合投加形成絮體顆粒，在沉淀池中去除[1-2]。該工藝可以有效地處理固體懸浮物含量低、粒徑分布均勻且比重大的污水，但對(duì)于懸浮物含量高、粒徑差異大且比重小的煤炭礦井水，由于混凝效果差，形成的絮體致密性差、比重小，難以沉降，排到地面的礦井水總懸浮物中粒徑在50 μm以下的約占88%，難以達(dá)到排放指標(biāo)[3-5]。

針對(duì)此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究。尹星等[6]運(yùn)用MBR-納濾組合系統(tǒng)處理生活污水，水質(zhì)符合排放標(biāo)準(zhǔn)，但膜分離法成本較高；臧寶鳳等[7]設(shè)計(jì)雙向旋流反應(yīng)器，加入磁種子，通過(guò)上下旋流共同作用處理污水，提高了污水顆粒分離能力，但引入了新的介質(zhì)，提高了處理成本；DURHAM[8]研究了反沖洗連續(xù)微濾膜代替反滲透膜過(guò)濾污水雜質(zhì)，但微濾膜需要定時(shí)更換，處理成本較高；YUAN等[9]采用輻射工藝處理污水，通過(guò)對(duì)污水中污泥進(jìn)行降解處理，固含量明顯降低，但輻射工藝處理成本較高；姜玉剛[10]研究了慢濾技術(shù)在水處理工藝的發(fā)展，出水水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，但處理效率太低，且占地面積大；LEE等[11]采用球磨預(yù)處理和錳催化處理相結(jié)合的方式進(jìn)行污水處理，總固體懸浮物去除率為45%，去除效率較低；MADAN等[12]采用上升流厭氧污泥床(UASB)和下流懸掛海綿預(yù)處理組合工藝進(jìn)行城市污水處理，對(duì)懸浮物具有較高的去除效率，但其工藝較為復(fù)雜；VIGNESWARAN等[13]運(yùn)用下流浮動(dòng)介質(zhì)混凝器進(jìn)行污水過(guò)濾處理，通過(guò)在線(xiàn)添加藥劑，具有較好的混凝效果，但操作較為復(fù)雜。劉培坤等[14]提出采用錐盤(pán)旋流澄清器處理煤炭礦井水，通過(guò)低速旋流作用加速絮體沉降，在柱段部位設(shè)置錐盤(pán)增大沉降面積，減小沉降距離，從而達(dá)到減少占地面積，提高出水水質(zhì)的目的。

為了深入了解錐盤(pán)旋流澄清器的內(nèi)部流場(chǎng)和澄清性能，利用流體動(dòng)力學(xué)(CFD)對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，研究進(jìn)料速度及錐盤(pán)插入深度對(duì)絮凝效果的影響，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。

1 錐盤(pán)旋流澄清器的結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的錐盤(pán)旋流澄清器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其中ho為錐盤(pán)插入深度。與傳統(tǒng)旋流澄清器不同的是在溢流管上增加了多個(gè)錐盤(pán)，其目的是為了增大沉降面積，加速絮體的沉降。在沉降過(guò)程中，分散且難聚集的絮體顆粒的沉降效果是以顆粒沉降速度與沉降面積為函數(shù)來(lái)衡量，而與沉降高度、沉降時(shí)間無(wú)關(guān)。其沉降關(guān)系見(jiàn)下式。

式中：E為沉降效率，%；u為顆粒沉降速度，m/s；A為沉降面積，m2；Q為流量，m3/h。

影響顆粒能否完成沉降的主要因素為顆粒沉降速度和水流上升速度，沉降速度較大且上升流速較小利于顆?？焖傧侣?。相對(duì)于傳統(tǒng)旋流澄清器，錐盤(pán)旋流澄清器內(nèi)部通過(guò)錐盤(pán)的加入延緩了水流上升的速度，提高了沉降面積，加速了顆粒的沉降，錐盤(pán)上絮體顆粒沉降滑落行為見(jiàn)圖2。

圖1 錐盤(pán)旋流澄清器示意圖Fig.1 Schematic diagram of cone swirling clarifier

圖2 錐盤(pán)絮體滑落示意圖Fig.2 Schematic diagram of flocs slide on cone-disc

由圖2可以看出，形成的小絮體在上升過(guò)程中(如圖2中箭頭所示)會(huì)受到錐盤(pán)的阻擋作用，在錐盤(pán)上匯集變大，最后在錐盤(pán)上形成的大絮體又沿錐盤(pán)壁面滑落到澄清器底部。

2 錐盤(pán)旋流澄清器的數(shù)值模擬

2.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

以底流口中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，在三維軟件中建立錐盤(pán)旋流澄清器流體域的三維模型，然后導(dǎo)入ICEM CFD軟件，利用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格生成技術(shù)對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見(jiàn)圖3。

圖3 旋流澄清器Fig.3 Cyclone clarifier

2.2 邊界條件和求解器設(shè)置

采用Fluent14.5軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，流體中的固體顆粒物的濃度為0.2%，顆粒直徑范圍為10～400 μm。湍流模型選擇k-ε模型；入口邊界條件設(shè)置為速度入口，為1.6 m/s；出口邊界條件設(shè)置為壓力出口；壁面邊界條件設(shè)置為NO-Slip-Wall；采用隱式分離算法和速度耦合，并用SIMPLE方式對(duì)壓力方程求解。

2.3 結(jié)果與分析

通過(guò)改變進(jìn)料速度以及錐盤(pán)插入深度來(lái)研究其對(duì)澄清器內(nèi)部流場(chǎng)的影響規(guī)律。為了便于分析內(nèi)部流場(chǎng)的變化情況，分別選取帶有錐盤(pán)的柱段Ⅰ-Ⅰ截面和無(wú)錐盤(pán)的錐段Ⅱ-Ⅱ截面兩個(gè)部位進(jìn)行對(duì)比研究，見(jiàn)圖4。以切向速度、軸向速度、湍動(dòng)能以及湍流耗散率四種指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)絮凝效果。

2.3.1 進(jìn)料速度對(duì)絮凝效果的影響

進(jìn)料速度的大小直接影響澄清器內(nèi)部離心強(qiáng)度，對(duì)絮凝效果有重要的影響。本次模擬選取0.3 m/s、0.8 m/s、1.6 m/s和2.3 m/s四個(gè)進(jìn)料速度值來(lái)進(jìn)行比較。

進(jìn)料速度大小對(duì)澄清器內(nèi)部切向和軸向速度場(chǎng)的影響見(jiàn)圖5和圖6。由圖5可知，隨著進(jìn)料速度的增大，柱段與錐段部位的切向速度均呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)。在柱段部位，較高的切向速度可以使絮體快速沉入到底流區(qū)域，提高了澄清性能；但是在錐段沉淀區(qū)部位，較大的切向速度會(huì)使得擾動(dòng)性增強(qiáng)，反而容易破壞已沉降的絮體。由圖6可知，與切向速度相比，進(jìn)料速度增大時(shí)，柱段內(nèi)流體的軸向速度變化幅度較小，但是在錐段，軸向速度出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，有可能破壞錐段區(qū)域絮體的平穩(wěn)沉降。

湍動(dòng)能和湍流耗散率對(duì)比見(jiàn)圖7和圖8。由圖可以看出，隨著進(jìn)料速度的增大，柱段部位的湍動(dòng)能和湍流耗散率均有所增加，這樣有利于增加小絮體的碰撞頻率，使得小絮體更容易聚集凝聚成較大的絮體，然后沉降到錐段區(qū)域。而在錐段部位，湍動(dòng)能和湍流耗散率沒(méi)有明顯變化，這是由于設(shè)置錐盤(pán)削弱了速度增長(zhǎng)帶來(lái)的水力沖擊，有利于保證絮體的平穩(wěn)沉降，避免由于過(guò)大的湍流擾動(dòng)導(dǎo)致已形成的絮體再次被卷入內(nèi)旋流而進(jìn)入溢流，影響出水水質(zhì)。

圖4 流場(chǎng)特征線(xiàn)位置Fig.4 Flow field feature line position

圖5 切向速度對(duì)比Fig.5 Comparison of tangential velocity with different inlet velocity

圖6 軸向速度對(duì)比Fig.6 Comparison of axial velocity with different inlet velocity

圖7 湍動(dòng)能對(duì)比Fig.7 Comparison of turbulent kinetic energy with different inlet velocity

圖8 湍流耗散率對(duì)比Fig.8 Comparison of turbulent dissipation rate with different inlet velocity

由此可見(jiàn)，雖然提高進(jìn)料速度可以增加柱段內(nèi)流體的速度和湍動(dòng)能，有利于小絮體的凝聚，但同時(shí)也可能導(dǎo)致錐段區(qū)域擾動(dòng)性增加，影響絮體沉降。

2.3.2 錐盤(pán)插入深度對(duì)絮凝效果的影響

錐盤(pán)插入深度是指溢流管上的錐盤(pán)到旋流澄清器筒體頂蓋的距離。錐盤(pán)插入深度的變化能夠改變絮體運(yùn)行軌跡，從而影響絮凝效果。根據(jù)澄清器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，選取250 mm、300 mm、350 mm和400 mm四個(gè)不同的插入深度進(jìn)行比較。

錐盤(pán)插入深度對(duì)澄清器內(nèi)部切向和軸向速度場(chǎng)的影響見(jiàn)圖9和圖10。由圖9可知，隨著插入深度的增大，柱段部位器壁處切向速度逐漸增大，這是由于隨著錐盤(pán)體插入越深，距離進(jìn)料口越遠(yuǎn)，流體進(jìn)入后所受到阻礙越小，在離心力作用下，邊壁處呈現(xiàn)較高的速度數(shù)值。錐段區(qū)域隨著錐盤(pán)插入深度的增大，切向速度變小。由于錐段區(qū)與錐盤(pán)距離較近，水流沖擊作用減小，這樣有利于保護(hù)沉淀區(qū)絮體的完整性。就軸向速度而言，如圖10(a)所示，柱段部位外旋流軸向速度差異并不顯著，但是對(duì)于靠近軸心處的內(nèi)旋流，錐盤(pán)插入深度由250 mm、300 mm增加至350 mm以上時(shí)，軸向速度由負(fù)變?yōu)檎欣诜蛛x后的清水快速上升至溢流管排出。錐段部位軸向速度均呈現(xiàn)波動(dòng)變化，錐盤(pán)插入深度較深時(shí)，波動(dòng)性相對(duì)較小，對(duì)沉淀區(qū)的擾動(dòng)性較小。

湍動(dòng)能和湍流耗散率對(duì)比見(jiàn)圖11和圖12。由圖可以看出，隨著插入深度增大，柱段部位湍動(dòng)能和湍流耗散率變大，絮凝有效能耗增加，增強(qiáng)了小絮體碰撞頻率，提高了絮凝效果；在錐段部位，隨著插入深度增大，湍動(dòng)能和湍流耗散率沒(méi)有明顯變化，防止已沉淀好的絮體重新受到破壞。

圖9 切向速度對(duì)比Fig.9 Comparison of tangential velocity with different insertion depth

圖10 軸向速度對(duì)比Fig.10 Comparison of axial velocity with different insertion depth

圖11 湍動(dòng)能對(duì)比Fig.11 Comparison of turbulent kinetic energy with different insertion depth

圖12 湍流耗散率對(duì)比Fig.12 Comparison of turbulent dissipation rates with different insertion depth

圖13 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.13 Test system and test site map

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)選用煤灰配制的污水為物料，探究進(jìn)料速度和錐盤(pán)插入深度對(duì)錐盤(pán)旋流澄清器澄清性能的影響。利用BT-9300S激光粒度分布儀的激光散射法對(duì)配制的污水進(jìn)行粒徑分析，其中-20 μm粒徑含量為78.31%，粒徑較小，難以用混凝沉淀法除去。由懸浮物測(cè)定儀SS-1Z，便攜式濁度儀WGZ-1B，JS94H型微電泳儀和pH計(jì)等儀器測(cè)出污水性質(zhì)，其中懸浮物含量為200～300 mg/L，濁度為20～30 NTU，Zeta電位為10～15 mV，pH值為9～10。試驗(yàn)系統(tǒng)圖與現(xiàn)場(chǎng)圖見(jiàn)圖13。試驗(yàn)過(guò)程中，利用2200PCX在線(xiàn)顆粒計(jì)數(shù)儀測(cè)量溢流顆粒數(shù)。

3.2 進(jìn)料速度對(duì)澄清性能的影響

試驗(yàn)采用回流閥調(diào)節(jié)進(jìn)口流量，保持相同的處理量，通過(guò)減小進(jìn)口橫截面積，依次增加進(jìn)料速度。試驗(yàn)中四種不同的進(jìn)料速度速分別為0.3 m/s、0.8 m/s、1.6 m/s和2.3 m/s，其對(duì)澄清性能的影響規(guī)律見(jiàn)圖14。

圖14 進(jìn)料速度對(duì)澄清性能的影響Fig.14 Effect of inlet velocity on separation performance

由圖14可知，隨著速度增加，去除率呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。隨著速度提高，懸浮物去除率由80.4%提高到92.1%，濁度去除率由48.6%提高到59.8%，速度為2.3 m/s時(shí)，懸浮物和濁度去除率均下降；溢流顆粒數(shù)由3 082個(gè)/mL減少到2 219個(gè)/mL，速度繼續(xù)增大到2.3 m/s，溢流顆粒數(shù)增大。結(jié)果表明，增加進(jìn)料速度對(duì)于提高絮凝效果和出水水質(zhì)有一定的改善作用，這也驗(yàn)證了前面數(shù)值模擬的結(jié)論。

3.3 錐盤(pán)插入深度對(duì)澄清性能的影響

在保持其他參數(shù)不變的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)裝置依次改變錐盤(pán)的插入深度，分別為250 mm、300 mm、350 mm、400 mm，其對(duì)澄清性能的影響規(guī)律見(jiàn)圖15。

由圖15可知，隨著錐盤(pán)插入深度的增大，懸浮物去除率由80.3%增大到90.2%，濁度去除率由49.1%增大到58.9%；溢流顆粒數(shù)由3 992個(gè)/mL減少到2 951個(gè)/mL?？梢钥闯觯龃箦F盤(pán)插入深度可有效提高絮凝效果和改善出水水質(zhì)。

圖15 錐盤(pán)插入深度對(duì)澄清性能的影響Fig.15 Effect of cone insertion depth on clarification performance

4 結(jié) 論

1) 采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究了進(jìn)料速度和錐盤(pán)插入深度對(duì)錐盤(pán)旋流澄清器內(nèi)部流場(chǎng)的影響，研究結(jié)果均表明改變進(jìn)料速度和錐盤(pán)插入深度對(duì)錐盤(pán)旋流澄清器的澄清性能有較大的影響。

2) 適當(dāng)增加進(jìn)料速度，有利于柱段的絮體快速沉入到底流區(qū)域，提高澄清性能，但當(dāng)進(jìn)料速度高于1.6 m/s時(shí)會(huì)擾動(dòng)錐段沉淀區(qū)域的流場(chǎng)，破壞已沉降的絮體。當(dāng)進(jìn)料速度為1.6 m/s時(shí)，固體懸浮物去除率可達(dá)92.1%，濁度去除率可達(dá)59.8%。

3) 增加錐盤(pán)插入深度，有利于柱段絮體的快速沉降，對(duì)錐段形成的絮體層擾動(dòng)較小，可有效提高澄清性能。當(dāng)錐盤(pán)插入深度為400 mm時(shí)，固體懸浮物去除率可達(dá)90.2%，濁度去除率可達(dá)58.9%