（流体力学专业论文）周进周出沉淀池流体动力学分析计算.pdf

、r，-、 i，。，焉 菌囊q etl-r 摘要 摘要 近年来，随着我国污水处理厂的建设更多地引进了国外的先进设备，人们对周进周 出二沉池具有的优越的水力性能开始有了认识新建的项目不再一味沿用传统的中心进 水的二沉池周进周出二沉池有如下一些优点：沉降历时短、冲击能力强、耐水力负荷 高、沉淀区容积利用率高等等，但在实际工程设计中发现配水槽配水均匀性与周进周出 二沉池沉淀效果有较大的关系，配水槽配水假如不均匀，那么其优越性就很难体现出来， 所以，周进周出二沉池的关键部位在配水槽。 虽然一维模型在二次沉淀池的实际应用中取得了普遍成功，但是对于二次沉淀池内 复杂的流态时却是难以解释。因此在二次沉淀池设计中，不能对配水槽及其内部构造进 行有效的分析和改进，以尽量减少配水不均匀、短流和降低紊流发生带来的一些不理想 的效果。若采用计算流体力学方法，则可以实现对真实流态在二次沉淀池设计中的模拟 和分析，从而进行评估和优化设计方案，以尽量避免实际中出现的多种问题。 本文通过对周进周出二沉池配水槽以及排泥管的水力学分析并建立环形布水、均匀 出流以及排泥管的数学模型，并结合工程实际中施工的难易程度，分析并提出了一种最 合适的设计方案，结合数值分析方法，利用计算机编程先进行精确的求解，实现对二沉 池的运行管理及优化控制，并采用专业c f d 软件f l u e n t 对二沉池配水槽以及池内流态 进行模拟，先观察了解配水槽配水的均匀性，然后看二沉池内流场方面是否有存在的问 题，再寻求改善配水槽及池内流态的方法或途径，以求达到最佳效果。 关键词：周进周出二沉池；配水均匀性；数学模型；计算流体动力学 _，。二_。、0i噜0一，q 周进周出沉淀池流体动力学分析计算 i i u t i l i z a t i o no fa d v a n t a g e s ，b u ti np r a c t i c a le n g i n e e r i n gd e s i g nw a sf o u n do u tt w o w e e k si n t ot h ew e e ks e t t l i n gt a n ks e d i m e n t a t i o ne f f e c ta n di t sd i s t r i b u t i o n c h a n n e lw a t e rd i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t yg r e a t e rs e x u a lr e l a t i o n s ，i fu n e v e nw a t e r d i s t r i b u t i o nc h a n n e l ，i t ss u p e r i o r i t yw i l lb ed i f f i c u l tt oe m b o d y , t h u sd i s t r i b u t i o n c h a n n e li saw e e ki n t ot w ow e e k so u to fak e yc o m p o n e n to fs e d i m e n t a t i o n t a n k 。 s e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n ko ft h eo n e d i m e n s i o n a lm o d e li np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n st oa c h i e v eaw i d er a n g eo fs u c c e s s ，b u ts e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o n t a n k si nt h e i n t e r p r e t a t i o n o ft h e c o m p l e xf l o wp a r e ml o o kp o w e r l e s s t h e r e f o r e ，i ns e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n kd e s i g nc a n n o tb ea ne f f e c t i v e d i s t r i b u t i o nc h a n n e la n di t si n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h ea n a l y s i sa n di m p r o v e m e n t ， i no r d e rt om i n i m i z et h eu n e v e nd i s t r i b u t i o no fw a t e r , s h o r t c i r c u i t i n ga n d r e d u c et h et u r b u l e n c ec a u s e db yu n d e s i r a b l ee f f e c t so c c u lu s i n gc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c sm e t h o dc a nb es e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n k sa r ed e s i g n e dt o r e a l i z et h er e a lf l o wp a r e ms i m u l a t i o na n da n a l y s i st od e s i g na n do p t i m i z et h e e v a l u a t i o no ft h ep r o g r a mi no r d e rt oa v o i d p r a c t i c a lp r o b l e m s i nt h i sp a p e r , o u to ft w ow e e k so fw e e k si n t ot h ed i s t r i b u t i o nc h a n n e la s w e l la st h es e t t l i n gt a n ks l u d g ed i s c h a r g ep i p eh y d r a u l i c sa n a l y s i sa n dt h e e s t a b l i s h m e n to fc i r c u l a rc l o t hi nw a t e r , e v e no u tt h ef l o w , a sw e l la st h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs l u d g e d i s c h a r g ep i p e ，c o m b i n e dw i t he n g i n e e r i n g p r a c t i c ei n t h ee a s eo fc o n s t r u c t i o n ，a n a l y s i sa n dp r e s e n t e do n eo ft h em o s t t t l 周进周出沉淀池流体动力学分析计算 a p p r o p r i a t ed e s i g n ，c o m b i n e dw i t hn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d s ，t h eu s eo f c o m p u t e rp r o g r a m m i n g ，a c c u r a t es o l u t i o no ft h em o d e lt or e a l i z et h eo p e r a t i o n o ft h es e c o n d a r ys e t t l i n gt a n km a n a g e m e n ta n do p t i m a lc o n t r o l ，a n du s et h e c o m m e r c i a lc f ds o f t w a r ef l u e n tt ot h es e c o n d a r ys e t t l i n gt a n ke q u i p p e d w i t hs i n k ，a n dp o o lf l o wp a t t e r n s i m u l a t i o n ，f i r s to b s e r v et h ed i s t r i b u t i o n c h a n n e lt ou n d e r s t a n dt h eu n i f o r m i t yo fw a t e rd i s t r i b u t i o n a n dt h e nl o o ka tt h e s e c o n d a r ys e t t l i n gt a n k sf l o ww h e t h e rt h e r ea r ep r o b l e m s a n dt h e ns e e kt oi m p r o v et h ed i s t r i b u t i o nc h a n n e la n d p o o lf l o wp a t t e r no f t h em e t h o do rm e a n st oa c h i e v et h eb e s tr e s u l t s k e y w o r d s ：a r o u n dt h ew a t e re f f l u e n to f s e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n k s a r o u n d ；w a t e rd i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t y ；m a t h e m a t i c a lm o d e l s ；c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ( c f d ) i v 目录 目录 一章绪论1 1 1 课题研究背景及研究意义1 1 1 1 本课题研究的背景1 1 1 2 本课题研究的意义2 1 2 沉淀池工艺的现状及进展3 1 2 1 沉淀概述3 1 2 2 沉淀池的发展5 1 2 3 沉淀池的种类6 1 2 4 不同类型二沉池设计、运行参数比较7 1 2 5 二沉池中的泥、水间的运动7 1 2 6 周边进水型二沉池的若干优越性8 1 3 二沉池配水槽模型9 1 4 本课题研究的目的和内容9 1 4 1 研究目的9 1 4 2 研究内容9 第二章配水槽模型的分析与建立1 1 2 1 配水槽模型的研究与发展1 1 2 1 1 用能量方程建立配水渠位置水头h 的数学模型1 2 2 1 2 用动量方程计算配水渠位置水头h 1 3 2 2 配水槽模型的研究探讨1 4 2 2 1 配水槽模型的分析与比较1 4 2 2 2 配水槽模型的推导16 第三章配水槽模型的应用分析2 1 3 1 配水槽模型计算的基本条件与参数2 1 3 2 配水槽模型的迭代计算2 1 3 3 计算数据的处理2 2 3 4 计算结果的分析2 5 第四章吸泥管模型的分析与建立2 7 v 周进周山沉淀池流体动力学分析计算 4 1 吸泥管模型的推导2 7 4 2 吸泥管模型的应用分析2 8 4 3 吸泥管模型的迭代计算2 9 4 4 模型的结果分析3 0 第五章模型和软件在二沉池中的应用3 3 5 1 计算流体动力学( c f d ) 软件的介绍3 3 5 1 1c f d 通用软件的发展简述3 3 5 1 2c f d 通用软件的主要特点3 4 5 2 计算流体动力学模型的应用范围和计算步骤3 5 5 2 1 计算流体动力学模型的应用范围3 5 5 2 2 计算流体动力学模型的计算步骤3 6 5 3 二沉池三维模型的计算3 6 5 3 1 模型的构建及网格化3 7 5 3 2 模型的边界条件设置。3 8 5 3 3 模型的计算3 8 5 3 4 计算结果的显示5 1 5 3 5 结果分析5 2 结论与建议5 5 结论5 5 建议5 5 参考文献j 5 7 致谢6 1 攻读学位期间发表的学术论文目录6 3 v l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及研究意义 现代社会的环境问题每况愈下，水资源本来就贫乏，加上水体受污染等问题也同益 严重。纠其原因可以归为：一方面，随着人口的激增、经济的蓬勃发展以及人类生活需 求的不断提高，我们对水量和水质的需求也在不断地增长。另一方面，江河湖泊的水环 境问题形势日趋严峻，目前，我国的七大江河、湖泊、水库均己遭到各种程度的污染， 并有持续恶化的趋势，尤其是在一些经济比较发达的城市和地区，水污染问题尤为显著， 导致水资源的有效利用量越来越小，与当今水资源的供需形成日益尖锐、难以调和的矛 盾3 。 废水污染物有：胶体粒子、颗粒物质、b o d 、c o d 等等，废水处理的主要目标是去 除这些水中的悬浮物和溶解态的污染物，从废水中去除污染物的方法有：物理、化学、 物化、生物等，但无论是哪一种方法，都需要经过一定的废水处理单元设备和操作。然 而，由于目前对于某些单元设备( 如二次沉淀池等) 的工作机理研究得不够透彻、充分， 在实际的设计过程中，对某些处理的过程作了过多的理想的假设和简化，与实际的机理 以及运行情况有一定的距离，有待做进一步的研究与实践分析。 而与其他的发达国家相比，我国的污水处理与回用、水处理设施和构筑物等方面都 相对滞后，必须进一步加大投资力度，但目前投资兴建的水处理构筑物，在设计上都过 多的依靠经验，很容易造成保守的设计，因此，这种现象有待进一步研究探讨争取早日 改进。 1 1 1 本课题研究的背景 污水处理厂的基本职责有两点：第一，及时收集服务区域内的污水，保证服务区域 内污水不再冒溢；第二，根据国家、地方制定的污水处理厂排放标准，保证处理的质量。 其中第二职责是污水处理厂合理运行的核心技术。根据水环境及再生水利用的要求，我 国已经制定了“城市污水处理厂污水综合排放标准 ( g b l 8 9 8 2 0 0 2 ) ( 表1 1 ) 。该标准 中规定了城市二级污水处理厂污水排放水质的各级标准。 1 周进周出沉淀池流体动力学分析计算 表1 1 污水水质常揪 放标准( g b l 8 9 8 2 0 0 2 ) t a b l e1 1c o n v e n t i o n a ls e w a g ew a t e rd i s c h a r g es t a n d a r d 最高允许排放浓度( p h 除外) m g l 序号项目一级标准 二级标准 a 标准b 标准 1p h 值6 96 96 9 2悬浮物( s s )1 02 03 0 3 生化需氧量( b o d 5 ) 1 02 03 0 4 化学需氧量( c o d ) 5 06 01 0 0 5总磷( t p )o 513 6 氨氮( n h 4 - n ) 582 5 7 总氮( t n ) 1 5 2 0 去除悬浮物( s s ) 是所有城市污水处理厂的主要目标之一，许多地区及城市污水厂 出水都要求达到一级a 标准，出水s s 必须严格控制在1 0m g l 以内。水体一旦受悬浮 固体污染后，浊度增加、透光度减弱，而且有机悬浮固体的代谢，还会消耗水体中的溶 解氧，造成水体恶臭。悬浮固体中的可沉固体，沉积于河底，造成底泥积累与腐化。此 外，：悬浮固体还可能作为其他污染物的载体，将其吸附至随流水迁移污染。 在常规水处理中，去除悬浮固体( s s ) 的最常用方法为重力沉淀。沉淀池就是利用 固、液相的固相( 悬浮固体颗粒) 下沉，从而实现固液分离的水处理构筑物，是污水厂 中必不可少的主体工艺，在总体投资中达到3 0 。最典型的就是二次沉淀池( 简称二沉 池) ，它是城市污水生物处理中的一个重要处理单元，广泛应用于生物反应池出水中的 固液分离n 卜3 。 1 1 2 本课题研究的意义 二次沉淀池去除污水中的悬浮固体( s s ) 的可去除部分，广泛应用在污水处理厂中， 在常规污水处理厂中占据很重要的位置，相对于其它设施有着不可替代的作用，二次沉 淀池的设计优劣将直接影响整个污水处理系统的正常运行以及运行效果。 在二次沉淀池的设计过程中，国内外理论和实践研究的重点是对悬浮物去除效率的 影响因素。目前，有些二次沉淀池在实际运行的过程中达不到预期的处理效果，究其原 因，在于有关二次沉淀池的设计原理主要还是依据理想沉淀池的三条假定，而忽略了水 流流态对沉淀池的影响，具有较大的主观性。因此，在这方面还需要做进一步的研究。 目前常用的二次沉淀池设计计算方法主要有两种： ( 1 ) 在无悬浮物沉淀试验资料时，按停留时间和水平流速或表面负荷计算； ( 2 ) 在有原水沉淀试验数据时，则按表面负荷计算。 由于原水的性质变化幅度比较大，上述方法并不能完全反映出原水的特性，因此， 2 第一章绪论 设计时通常采用经验的方法，即根据规范或其它准则，参照类似实际二次 参数，选用较长停留时间或较低的表面负荷率来设计，有时这很难达到最 止，还没有具体的确定方法来合理化的设计二次沉淀池的结构，只能依据 价值的取值范围，因此在设计过程中大多数采用经验的方法，这样就不易 优化。而当结构设计不合理时，很容易造成池内水流流速分布不均匀，甚 区，出现短流现象，具体可能表现在一部分水流的停留时间大于理论停留 部分水流则小于理论停留时间，致使沉淀的效果受到一定的影响。 ，二次沉淀池设计存在着一些不确定性的因素，要彻底解决这些问题，仅 试验方法来研究还不够，有时还需要借助计算机的数值模拟。通过数值模 拟，可以清楚地了解水流在二次沉淀池内的流动情况以及悬浮物在池内的浓度分布，并 由此得出悬浮物的去除率以及水流在池内的停留时间分布。通过不同工况下的计算、分 析和比较，还可以优化沉淀池的运行，这一举措，与国家现在大力提倡的节能降耗的国 策十分符合，有着很重要的工程意义。 1 2 沉淀池工艺的现状及进展 1 2 1 沉淀概述 + 二次沉淀池是指广义上的沉淀设备，一般来说，即为在重力作用下的固液分离操作； 理论上，只要固体的密度比水的密度大，则固体就能够沉降下来，最终实现固液分离。 在水处理中，根据悬浮物质的性质、浓度及絮凝性能，悬浮固体的分离沉降可以分为以 下几种类型： 第一类：自由沉淀。当悬浮物浓度较低或者不具有絮凝性能时，也就是颗粒相互接 触后不怎么产生聚集，此沉淀属于分散颗粒的自由沉降。颗粒在自由沉降过程中的沉速 将不会发生变化，同时颗粒所交换的液体，在上升时不造成对其他颗粒沉速的影响。例 如在水处理中沙粒在沉砂池中沉淀以及悬浮物浓度较低的污水在初次沉淀池中的沉淀 都属于这种类型。在重力场中，颗粒受到重力作用而下沉，同时颗粒受到液体浮力以及 颗粒下沉时液体对颗粒的摩擦阻力作用，当这些作用力达到平衡时，颗粒将以等速下沉， 此时的沉降速度称为稳定沉速。自由沉淀过程可用牛顿第二定律及斯托克斯公式描述， 当颗粒为球形时，其沉降速度计算公式为： 3 周进周出沉淀池流体动力学分析计算 u j2 式中u 。颗粒的沉速，m s d 颗粒的直径，m g _ 重力加速度，m s 2 成及p 颗粒和液体的密度，k g m 第二类：絮凝沉淀( 也称干涉沉淀) 。当悬浮物浓度约为5 0 5 0 0 m g l 时，在沉淀 过程中，颗粒与颗粒之间可能互相碰撞产生絮凝作用，使颗粒的粒径和质量逐渐加大， 从而沉淀速度不断加快，故实际的沉速难以用理论公式计算，主要靠试验测定。大多数 的混凝沉淀都属于这种类型。对于絮状结构颗粒的沉速的研究，到目前为止还不多见。 第三类：区域沉淀( 或称成层沉淀，拥挤沉淀) 。当颗粒浓度增加时，颗粒间的间 隙相应减小，颗粒下沉所交换的液体体积的上涌将对周围颗粒的下沉产生影响。颗粒的 实际沉降速度将是由自由沉降时的沉降速度减去液体的上涌速度。当颗粒浓度不太高 时，只产生对沉淀速度的一定降低，颗粒还可保持个别的沉速形式。随着颗粒浓度的继 续增大，经过一段时间的平衡，沉速较快的颗粒沉至下层，相应增加了下层的浓度，使 下层的上涌速度加大，最终使悬浮液的全部颗粒以接近相同的沉速下沉，形成界面形式 的沉降，故又称作成层沉淀。水处理中二沉池内活性污泥的沉淀过程及浓缩池的开始阶 段都属于这一类。拥挤沉降时单位颗粒的沉速将小于同一颗粒在自由沉降时的沉速。此 时的沉降速度公式表达为： u s = 触s ( 1 2 ) 式中b 沉速降低系数( 1 3 1 ) 许多学者认为，拥挤沉降中的沉降减低系数应为体积浓度的函数。 第四类：压缩。区域沉淀的继续即形成压缩。压缩沉降也称为污泥的浓缩。当沉降 颗粒积聚在沉淀池的底部后，先沉降的颗粒将承受上部沉积污泥的重量，颗粒间的空隙 水将由于压力增加和结构的变形而被挤出，使污泥的浓度提高，因此污泥的浓缩过程也 是不断排出空隙水的过程。各种污泥浓缩池及沉淀池积泥区的污泥浓缩均属于此类沉 淀。 活性污泥在二沉池及污泥浓缩池中，实际上都顺次存在着第一、第二、第三、第四 类的沉淀过程，只是产生各类沉淀的时间长短可能不一样。图1 1 即为活性污泥在二次 4 沉淀池中沉淀过程。 图1 1 二沉池中活性污泥的沉降区域图 f i g u r e1 1r e g i o n a lm a po fs e t t l e m e n to fa c t i v a t e ds l u d g e 1 2 2 沉淀池的发展 在2 0 世纪6 0 年代以前主要是采用平流式、竖流式和辐流式的沉淀池，6 0 年代后 各种澄清池盛行一时，到7 0 年代后，主要是斜板、斜管及“复合型 的沉淀池。沉淀 构筑物型式的不断改进也使沉淀效率得到了不断的提高。其原因可归结为以下几点： ( 1 ) 沉淀面积增大，主要体现在斜板与斜管的运用上； ( 2 ) 水流流态的改变，其结果是使了水流稳定性增强( 体现在弗劳德数f r 的增大和 雷诺数r e 的减小上) ； ( 3 ) 沉淀动力因素的增多( 从单一依靠颗粒自身重力到综合利用重力、水流阻力和 离心力等) 。 从沉淀构筑物的发展史中，我们还可以发现：从最早的平流式沉淀池到2 0 世纪7 0 年代以后的斜板、斜管沉淀池，沉淀池的设计或开发都是在依靠颗粒矾花自身重力沉降 的基础上，从围绕增大沉淀面积和改变水流流态这两方面进行的。所以，目前的沉淀池 基本上都只满足上述三点原因中的前两点。然而，第三点原因才是影响沉淀效率的主要 原因，这时由于力的大小、多少才是决定颗粒沉速快慢、去除效率高低的关键性因素， 5 周进周出沉淀池流体动力学分析计算 但是从目前形式来看，人类在这方面的研究还是比较少。 1 2 3 沉淀池的种类 沉淀池根据池内水流方向的不同，可以分为：平流式沉淀池；辐流式沉淀池和竖流 式沉淀池。具体布置有多种形式： ( 1 ) 竖流式沉淀池，在2 0 世纪5 0 年代设计的小型水厂中有不少采用了竖流式沉淀 池。这种沉淀池效果较差，目前已经很少选用。原有的竖流沉淀池也大多数被改造成为 各种类型的澄清池。 ( 2 ) 辐流式沉淀池普通辐流式沉淀池呈圆形或正方形，直径( 或边长) 一般在6 6 0 m 左右，最大可达l o o m ，池周水深1 5 3 o m 。机械排泥，池底坡度大于0 0 5 ，其构 造多为中心进水，周边出水，中心转动排泥。为了使布水均匀，进水管设穿孔挡板，穿 孔率为1 0 , - - - , 2 0 ，出水堰采用锯齿堰，堰前设挡板，拦截浮渣。 ( 3 ) 平流式沉淀池平流式沉淀池是水厂设计中应用较早也是较普遍的一种沉淀形 式，它既可以用作滤前沉淀处理，也可用作预沉或终沉淀处理。主要特征是：构造简单， 池深较浅，沉淀效果稳定，操作管理方便，造价低。然主要缺点就是平面面积比较大。 平流式沉淀池一般适宜用作大、中型水厂的混凝沉淀，尤以大型水厂更为经济与合适。 ( 4 ) 气浮池气浮池在国外已有了一定的历史，但在国内该技术在应用上还不是十分 普遍，从2 0 世纪7 0 年代起，苏州、昆明、武汉等地先后应用了气浮池，并积累了一定 的经验。气浮池也有其自身的缺点，即由于需要空气，要有一套相应的配套设施，因而 设备较多，耗电量也较高。 ( 5 ) 斜板( 管) 沉淀池斜板( 管) 沉淀池是把与水平面成一定角度的众多斜板( 管) 放置于沉淀池中，水从下往上流动( 也有从上往下流动，或水平方向流动的) ，颗粒则沉 于斜板( 管) 底部或中部，当颗粒积累到一定程度时便自动滑下。斜板( 管) 沉淀池具 有去除率高，停留时间短，占地面积小等一系列优点，所以常在已有的污水处理厂挖潜 或扩大处理能力时，以及当污水处理厂占地面积受到限制时作初次沉淀池使用。但是， 斜板( 管) 沉淀池不宜作为二次沉淀池，因活性污泥的粘度较大，容易粘附在斜板( 管) 上，影响沉淀效果，甚至有可能堵塞斜板( 管) 。在厌氧的情况下，因消化产生的气体 上升时会干扰污泥的沉淀，并把从斜板( 管) 上脱落下来的污泥带至水面结成污泥层。 各种沉淀池的优缺点和适用条件见表1 2 。 6 表1 2 各种沉淀池优缺点和适用条件 t a ble1 2t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft b ev a r i o u sc o n d i t i o n so fs e d i m e n t a t i o nt a n k s 池型优点缺点适用条件 沉淀效果好，对冲配水不易均匀，采用多斗排泥 平击负荷和温度变化时，每个泥斗需要单独设排泥 适用于大、中、 流 的适应能力较强，管，操作量大，采用机械排泥 式施工简易，平面布时，设备复杂，对施工质量要 小型污水处理厂 置紧凑，排泥设备 、j 一 水尚 竖 池子深度大，施工困难，对冲 流 排泥方便，管理简击负荷和温度变化的适应能力适用于小型污水 单，占地面积较小较差，池径不宜过大，否则布处理厂 式 水不均 辐多为机械排泥，运 流行可靠，管理较简 机械排泥设备复杂，对施工质适用于大、中、 量要求高 小型污水处理厂 式单， 1 2 4 不同类型二沉池设计、运行参数比较 从专业的角度分析，一般的竖流式沉淀池和辐流式沉淀池，原污水从池的中心进入， 然后在池的周边出流，只要进口处的流速很大，呈现紊流现象，就会严重的影响沉淀池 的分离效果。然而周边进水型的竖流式沉淀池和辐流式沉淀池与此恰恰相反，原污水从 池的周边流向池中心，而澄清水则从池中心返回到池周边流出，在一定程度上克服了以 上缺点。原污水流入位于池周边的配水槽中，在配水槽底部设有淹没出水孔，再从配水 孔均匀地进入池内进行悬浮颗粒的沉淀，从而提高了沉淀效率。根据国外资料介绍，这 种沉淀池的处理能力要比一般辐流式沉淀池至少高出一倍。沉淀池在设计计算时一般是 以水力负荷来计算有效面积，然后用固体负荷做较核，在二沉池中显得尤为重要。据国 外的一些资料记载，有些国家所采用周边进水中心出水型和周边进水周边出水型的二次 沉淀池的水力负荷最大为2 7 2 m 3 ( m 2 h ) ，最小为1 o m 3 ( m 2 h ) ，而在我国的一些有代表 性的城市，污水处理厂中的二沉池所采用的水力负荷值，最大一般为1 1 9 m 3 ( m 2 h ) ， 最小则为0 7 3 m 3 ( m 2 h ) ，因此可以看出，周边进水型二沉池的水利负荷要比普通型的 二沉池水力负荷大约高出1 7 2 倍。可以看出周边进水型二沉池具有节省面积、减少池 数和节省投资等优越性，是值得推广应用的一种新型的二次沉淀池。 1 2 5 二沉池中的泥、水问的运动 正常的混合液在量筒中停留l o 分钟，将出现上下两层，即清水面层和悬浮活性污 泥层。1 0 分钟后，悬浮的活性污泥层开始浓缩，但一般完成浓缩过程至少要半小时以 上，有些甚至需要好几个小时。浓缩过程意味着层面以下的活性污泥浓度不断的变浓， 7 周进周出沉淀池流体动力学分析计算 在量筒底部出现不高的浓集活性污泥层。这种在量筒里观察到的现象，在实际的二次沉 淀池中，就是明显地存在着澄清层、悬浮沉降层、活性污泥浓密压缩层、底流污泥层等 层面。一般在设计计算二次沉淀池时，要考虑两个停留时间，即污水停留时l 、日j 和活性污 泥停留时间。所以在设计二沉池的有效深度时，将这些层面简化为澄清层和污泥层，两 层相加成为二沉池的有效水深。 在二次沉淀池中起浓密作用的是，悬浮沉降层的活性污泥颗粒不断下沉传递给浓密 压缩层，而污泥层随着时间延长而不断压密浓缩，最后形成底流污泥层。显然，这些层 面的高度是随着进水流量、混合液浓度、排泥浓度、回流活性污泥量的变动而有所变动 的。这些层面变动的客观事实在周边进水的二沉池表现为：活性污泥混合液进入二沉池 后，由于悬浮液的浓度差，就形成了密度流。而在二沉池中，由于不断进入的混合液浓 度与澄清层之间的密度总是存在的，所以密度流也总是存在的阳卜嘲。 1 2 6 周边进水型二沉池的若干优越性 上述密度流所形成的环流现象，显然给普通辐流式二沉池带来了很多问题，主要表 现在： l 、环流在出口处上升时会带走一些轻的细小的污泥絮体，从而影响出水水质； 2 、沿池底部的密度流又与刮泥机的方向相反，容易把起轻的活性污泥颗粒搅动， 从而影响沉淀效果； 3 、普通的辐流式沉淀池的进口在排泥斗的上方向，混合液进入池后，又是先降落 到池底，这样就会造成部分混合液从排泥斗直接短路排出。 这些问题与密度流的流速大小有关系，流速越大的越严重。所以要控制流速，只有 限制进水的流量，也就是要控制过流率即：水力负荷值。由于这一原因，一般辐流式的 二次沉淀池要较大幅度地提高表面负荷是比较困难的。所以提高二沉池负荷率的关键是 要解决好上述密度流所引起的问题，改变普通辐流式二沉池内的水流流态是解决问题的 主要手段。对于普遍适用于大、中、小型污水处理厂的圆形沉淀池来说，采用周边进水、 周边出水的辐流式二沉池是一个较好的办法。周边进水沉淀池由于是周边进水比普通辐 流式沉淀池中心进水流速小得多，其进水水流动能也低得多，因此有可能比普通辐流式 沉淀池大约提高5 0 以上的水力负荷。而它所形成的密度流的流速仍然不会很大。同时 由于周边进水所形成的水流方向与刮吸泥机转动方向又大体一致，所以搅动起污泥和带 走较轻活性污泥絮体的可能性都比较小，从而也有可能提高沉淀效率。以上探讨可以看 出，周边进水沉淀池是一种值得推广的污水处理构筑物。 但是，周边进水沉淀池纵然具有耐冲击能力强、水力负荷高、沉降历时短、沉淀区 8 第一章绪论 容积利用率高等的优点，但在实际工程设计中发现周边进水沉淀池沉淀效果与其配水 槽配水均匀性关系很大，假如配水槽配水不均匀，则其优越性就难以体现出来，所以配 水槽是周进式沉淀池的关键部位。 1 3 二沉池配水槽模型 周进周出二沉池配水槽模型的研究一直是热门，但是影响配水槽配水均匀性的因素 较多，有配水槽槽宽、槽内水深、配水孔距、配水孔径、槽内流速、底坡等因素。配水 槽的设计目的是要达到配水的均匀性，可以通过上述各种影响配水的水力要素来建立更 合理的水力学模型以达到配水均匀性。但我国现今的设计规范和设计手册中均尚未对周 边进水辐流式沉淀池进水布置提出明确的指导性措施，致使实际工程中配水槽布水不均 的现象较为常见。这方面国内外不少学者都讨论过这个问题，有陆少鸣专家从能量方程 出发，建立配水槽设计的数学模型，有叶鼎专家从动量方程出发，建立配水槽设计的数 学模型。 冀。 1 配水孔 2 挡水裙板 3 浮渣挡板 。 4 出水堰板 5 集水槽 f i g u r e1 2p e r i p h e r a li nt h es e d i m e n t a t i o nt a n k 1 4 本课题研究的目的和内容 1 4 1 研究目的 通过对周进周出二沉池配水槽以及排泥管的水力学分析并建立环形布水、均匀出流 以及排泥管的的数学模型，并结合工程实际中施工的难易程度，分析并提出了一种最合 适的设计方案。通过这个方案可以实现对二沉池的运行管理及优化控制，并进行模拟， 先看配水槽配水均匀性怎么样，然后看二沉池内流场方面是否有存在的问题，再寻求改 善配水槽及池内流态的方法或途径，以求达到最佳效果。 1 4 2 研究内容 通过二维的数学模型分析与建立，然后运用国际先进的商用c f d 软件f l u e n t 对二 沉池的配水槽以及池内的流态对整个沉淀池进行三维流体动力学模拟。 1 ) 数学模型的分析与建立 9 周进周出沉淀池流体动力学分析计算 通过对周进周出二沉池配水槽以及排泥管的水力学分析，并结合工程实际中施工的 难易程度，选择一种最适宜的方法建立环形布水、均匀出流以及排泥管的的数学模型， 并运用v c + + 软件编写了论文中相关的计算程序。 2 ) 流体动力学模型研究 由于二维的数学模型只能对二沉池配水槽配水状况以及池内流态进行理论上的计 算分析，但不能全面的了解到沉淀池内具体的流动状态，配水是否均匀都不确定。因此 近年来，对沉淀池进行流体动力学模拟加大。利用流体动力学模型，可全面了解沉淀池 内流体的流动状态，了解沉淀污泥的流变学参数对流体流动的影响，有助于对沉淀池结 构的改进和优化。 利用g a m b i t 建立二次沉淀池的三维模型，再将模型离散化； 然后利用f l u e n t 进行模型建立，接着对模型进行求解及后处理； 1 0 析与建立 分析与建立 地引进了国外的先进设备及技术，让 人们有机会接触并了解周进周出二沉池的优越的水力性能在一些地方新建的项目不再 一味的沿用传统式中心进水的二沉池然而目前周进周出二沉池的技术并没有成熟的设 计制造经验，特别是周进周出二沉池配水槽均匀布水的设计计算方法还有待进一步研 究近年来在国内也一直有不少的学者在研究探讨这个问题，比如：陆少鸣专家从能量 方程出发，建立配水槽设计的数学模型，张立强专家从动量方程出发，建立配水槽设计 的数学模型口卜1 。 二沉池的配水槽均匀布水的计算讨论的出发点其实就是一个水力学问题，也是个数 学问题要解决的是怎样才能够让污水沿池周均匀地、平缓地流入池内? 配水槽和集水槽沿池周布置，两槽合建，共底共壁，详图如下： | 高 亘 斓黻赫 自由跌赶 堰壁标蜀陟 r 高峰时 厂 i 最小值 i l 厂 商 多 p 水榘底标高7 - 一 埋上： | 纠乏 l乏 t - 低点求面 。j ，av 一，7 - ， 董 裔 图2 1 周进周出二沉池水力计算剖面示意图 f i g u r e2 1w e e k si n t ot h ew e e kt h es e c o n d a r ys e a l i n gp o n df o r c ec a l c u l a t i o ns e c t i o nd i a g r a m 模型计算前的假定：1 ) 忽略配水槽内水流做圆周运动的离心力，因为流速较慢， 池径较大，配水槽宽度b 远小于池直径d ，所以将配水槽的水流计算按直线考虑，并视 为明渠均匀流，因此在运算中可以运用明渠均匀流的基本公式谢齐公式；2 ) 忽略 1 1 周进周山沉淀池流体动力学分析计算 配水槽内垂直方向水流速度的存在，事实上，因为有底部淹没出水孔出流，在每个孔口 处，垂直方向的局部水流是存在的，计算速度时，因速度是矢量，水平方向和垂直方向 可分别考虑图2 2 是配水槽的理想展丌计算示意图，乩是配水槽的一个长度微元 图2 2 配水槽计算示意图 f i g u r e2 2t h ec a l c u l a t i o no f d i s t r i b u t i o nc h a n n e ld i a g r a m 2 1 1 用能量方程建立配水渠位置水头h 的数学模型 参见图2 2 配水渠的展开计算示意图，依据伯努力方程，写位置水头h 和d h 的能 量微分方程： h + 等= 日+ 捆+ 筹+ 攻等) + 帆 汜， 2 92 9 l2 9 因为是明渠均匀流，a = l ；d h 。= j d l v 2 0 20 2 ( 1 一三l o ) 2 92 9 4 2 8 22 9 h 2 8 2 根据谢齐公式和曼宁公式： ( 2 2 ) = 关cr = 黑acr = 筘a = 关hb 蔫犋2 h 备- i - 亿3 ，” 222 2 尺4 3 2 2 ( b h 占) 4 3 。 由此，( 1 ) 可变为： 媚+ 吐掣 + 斋器 汜4 ， 1 2 模型的分析与建立 计算得： 生i为l生-1dlb d l 古l l 彳疋bo h ，1 一l 一，z ，一1 卜一- 。i 妒一y 2l o 一 一 7 l 式( 2 5 ) 就是变宽段h 的数学模型这也是一个复杂微分方程，不能直接解 l 的代数式 2 1 2 用动量方程计算配水渠位置水头h 等宽段h 的数学模型可用动量方程计算，动量定理用公式表示： 户= 所矿 ( 2 6 ) 动量即矢量，在计算时可以只考虑水平方向上的分量假设如下：1 ) 配水槽底的 淹没出水孔向池内布水，假设出流的水平方向的动量分量为零；2 ) 配水槽内的水流做 圆环形流动，但因二沉池直径较大，3 0i l l 以上，而水流流速较慢，一般在1m s 以内， 因此，水流的离心力可忽略不计，水流的圆周运动水平方向上的动量改变量也忽略不计； 3 ) 水流的摩擦阻力也可忽略不计取一段水流为隔离体，作用在隔离体上的水平方向 上的外力有两个：p ，和p 2 其反作用力是矩形剖面上的液体重力压强，经积分运算可得： 只= 圭倒。2 1 ( = 丢脚：2 ( 2 8 ) 两个力的作用方向相反建立水平方向上的动量方程式： 吉删。2 一丢脚：2 = 旭k q ：) ( 2 9 ) 在配水渠末端，v 2 = o k = 最1 - 1 占1， 代入式( 2 9 ) l y b h i 2 _ 1 y b h 2 2 = p 删q 1 - - - ：- ，2 ( 2 1 。) 整理得 周进周山沉淀池流体动力学分析计算 h 2 一i ( 2 1 1 ) 根据每一段配水槽的位置水头h 就可以计算出布水孔淹没出流的总水头z ，按照 孔口出流量的公式可计算出q ，再按照配水均匀的原则可计算出每一段配水槽的孔径、 孑l 数和孑l 距 以上两种方法对配水槽的模型研究都给与了很大的指导意义，但是结合实际生活生 产中的一些问题还是有待改进，以求找到更合理、经济的模型能广泛用于生活中。 2 2 配水槽模型的研究探讨 介于以上的推理，本文接下来对配水槽的模型进行一个系统而又全面的理论以及计 算分析，将得出一种最适宜的数学模型。 2 2 1 配水槽模型的分析与比较 根据前面的分析计算可得出：影响配水系统的均匀性的因素比较多，有：进水流量 q 0 、配水槽的槽宽b 、槽内的水深h 、配水槽的配水孔径d 、孔距l 等等，通过对每个计 算参数的选定，有不同处理方法，比如：双向环槽配水或单向环槽配水、配水槽恒等或 变宽、配水孔间距恒等或变间距、配水槽平坡或变坡等等。然而各种方法有各自的特点 和适用范围，所以工程中不仅要考虑到工艺的合理性、稳定性，还要考虑到是否便于土 建施工、设备安装等，以求得出一种工艺先进、施工便利、管理维护方便等最适宜的方 法。目前常用的