涂有笑 楊 杰 賈如升 王 軍

(1.皖西學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院， 安徽 六安 237012； 2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院， 合肥 230009)

在傳統(tǒng)的給水處理工藝中，斜管沉淀池是一種常見的凈水設(shè)備。斜管沉淀池是指在沉淀區(qū)內(nèi)設(shè)置了斜管的沉淀池，它對(duì)水中懸浮物顆粒的去除效果，既與懸浮物的密度和濃度相關(guān)，也與懸浮物顆粒的大小有直接關(guān)系。近年來，一些學(xué)者運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法來研究沉淀池內(nèi)的水流流態(tài)及流場(chǎng)特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)沉淀池尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-2]，但有關(guān)研究很少涉及懸浮物顆粒的大小對(duì)池內(nèi)濃度場(chǎng)的影響。懸浮物顆粒的直徑不同，其沉降速度也必然不同[3]。因此，我們運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和多相流Mixture模型，模擬分析了水中懸浮物顆粒直徑的大小與沉淀池的沉淀效果之間的關(guān)系。

1 實(shí)體模型

在異向流斜管沉淀池，沉淀區(qū)內(nèi)放置了大量的與水平面成一定傾角的斜管[4]。沉淀池運(yùn)行時(shí)，水流從穿孔花墻進(jìn)入到配水區(qū)，沿著斜管自下向上緩慢流動(dòng)。在水的流動(dòng)過程中，其中的懸浮物顆粒逐漸下沉，到達(dá)積泥區(qū)；而向上流動(dòng)的水則從清水區(qū)流出，匯集于集水槽，然后進(jìn)入下一道工藝。斜管沉淀池的池體結(jié)構(gòu)自下而上依次分為積泥區(qū)、配水區(qū)、沉淀區(qū)、清水區(qū)4個(gè)部分。

以安徽某自來水廠的異向流斜管沉淀池為例。該廠的水處理規(guī)模為1 000 m3d。斜管沉淀池參數(shù)：池長為2.8 m，池寬為2.8 m，池高為 4.17 m，斜管傾角為60°，斜管內(nèi)切圓直徑為 40 mm。斜管沉淀池的縱斷面示意圖如圖1所示。

圖1 異向流斜管沉淀池縱斷面示意

根據(jù)該廠的實(shí)際運(yùn)行資料，確定研究的進(jìn)水條件：進(jìn)水流速為0.1 ms，進(jìn)水中的懸浮物含量為295 mgL，懸浮物顆粒密度為1 050 kgm3，動(dòng)力黏度取0.020 01 pa·s。

2 數(shù)學(xué)模型

斜管沉淀池內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)屬于湍流運(yùn)動(dòng)[5]，一般采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[6]進(jìn)行模擬。該模型是在湍流動(dòng)能k方程的基礎(chǔ)上引入了一個(gè)湍動(dòng)耗散率ε[7]。沉淀池內(nèi)的流場(chǎng)，可以看作是懸浮物顆粒與水混合流動(dòng)的較為復(fù)雜的兩相流運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。因此，采用Mixture混合模型模擬沉淀池內(nèi)固液兩相具有不同速度矢量的多相流[8]。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 懸浮物顆粒大小對(duì)濃度場(chǎng)的影響

懸浮物顆粒的直徑不同，其沉降速度也不同。因此，改變水中懸浮物顆粒直徑的大小，必然對(duì)沉淀池的運(yùn)行效果產(chǎn)生影響。模擬考察了懸浮物顆粒直徑分別為30、50、80、100、120 μm時(shí)，沉淀池內(nèi)懸浮物縱向分布的情況。圖2所示為沉淀池不同高度對(duì)應(yīng)的橫斷面懸浮物的平均體積分?jǐn)?shù)曲線，即不同高度的橫斷面中懸浮物在溶液中的占比。

模擬結(jié)果顯示，懸浮物顆粒的直徑雖然大小不同，但它們?cè)诔恋沓豘斷面的分布趨勢(shì)整體上是基本一致的。觀察在池高為1.5～2.4 m區(qū)間即沉淀區(qū)內(nèi)，顆粒直徑不同的懸浮物的平均體積分?jǐn)?shù)，發(fā)現(xiàn)在池高為1.5 m左右時(shí)(即斜管進(jìn)口處)，隨著顆粒直徑的增大，該斷面附近的懸浮物濃度出現(xiàn)了陡增的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谛惫苓M(jìn)口的一定范圍存在一個(gè)過渡段，在該區(qū)間內(nèi)，因?yàn)樗鳁l件發(fā)生改變，流態(tài)紊亂，泥水混雜。在過渡段懸浮物濃度較大，有利于顆粒之間的接觸絮凝[9]，對(duì)泥水分離有促進(jìn)作用。在池底，隨著懸浮物顆粒直徑的增大，懸浮物的平均體積分?jǐn)?shù)也在逐漸增加。在出水?dāng)嗝?，懸浮物顆粒直徑增大，其平均體積分?jǐn)?shù)則隨之逐漸減小。這說明增大懸浮物顆粒的直徑，斜管沉淀池的沉降效果將更明顯。

圖2 不同高度的橫斷面懸浮物的平均體積分?jǐn)?shù)曲線

3.2 懸浮物顆粒大小對(duì)去除率的影響

以去除率作為沉淀效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。式(1)為去除率的計(jì)算公式。

(1)

式中：η—— 去除率，%；

C進(jìn)口—— 進(jìn)水口水中懸浮物的濃度，kgm3；

C出口—— 出水口水中懸浮物的濃度，kgm3。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在確定的進(jìn)水條件下，斜管沉淀池對(duì)5種顆粒直徑的懸浮物的去除率如圖3所示。從圖中可以看出，懸浮物顆粒直徑為30～80 μm時(shí)，沉淀效果不明顯；顆粒直徑大于80 μm以后，隨著顆粒直徑的增大，去除率的增加幅度也比較大。

圖3 懸浮物去除率曲線

4 結(jié) 語

根據(jù)安徽某自來水廠的異向流斜管沉淀池的實(shí)際運(yùn)行資料，在設(shè)定懸浮物顆粒直徑分別為30、50、80、100、120 μm的情況下，利用多相流Mixture模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，對(duì)斜管沉淀池的濃度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬，同時(shí)計(jì)算了懸浮物去除率。模擬結(jié)果表明，隨著懸浮物顆粒直徑的增大，沉淀池中懸浮物的去除率也隨之逐漸增加。懸浮物顆粒直徑在80 μm以內(nèi)時(shí)，顆粒直徑的增加對(duì)去除率的影響不明顯；當(dāng)懸浮物顆粒直徑大于80 μm以后，隨著顆粒直徑的繼續(xù)增大，去除率的增加幅度則較大。因此，可以說針對(duì)顆粒直徑大于80 μm的懸浮物，異向流斜管沉淀池具有比較好的沉淀效果。