（环境工程专业论文）错流涡旋式高效固液分离器的试验研究与流场的数值模拟.pdf

高，并于实际应用上在原本的中试装置上进行了初步的尝试，观察流态变化， 优化效果明显。 关键词：涡旋流固液分离f l u e n t 软件数值模拟 3 s t u d yo nt h ec r o s sf l o ws w i r ls o l i d l i q u i ds e p a r a t e e q u i p m e n tw i t hh i g he f f i c i e n c ya n di t sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o ff l o wf i e l d a b s t r a c t d u et ot h ec h a r a c t e r so fs m a l lc o v e r i n g ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，l o wc o n s t r u c t i o n c o s t sa n dc o n v e n i e n to p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t ，c i r c u l a rv o r t e x 薛tc h a m b e rh a sb e e n a p p l i e dm o r ew i d e l yi nt h es e w a g et r e a t m e n tp r o c e s s w h i l et h eh y d r oc y c l o n eh a sb e e n p a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni na b r o a dw a s t e w a t e rt r e a t m e n te n g i n e e r i n gb e c a u s eo fi t s s i m p l es t r u c t u r e 、n ot r a n s m i s s i o np a r t s ，l a r g et r e a t m e n tc a p a c i t yo fp e ru n i tv o l u m e 、h i g h s e p a r a t i o np r e c i s i o n ，l o wc o s t ，s m a l lc o v e r i n ga n dc o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e b a s e do n f o r e i g nc i r c u l a r 鲥tc h a m b e ra n dh y d r oc y c l o n e ，c o m b i n i n g 谢t hs c i e n t i f i c a n d t e c h n o l o g i c a lp r o j e c to fa n h u ip r o v i n c e ( 0 7 0 10 2 0 2 0 91 ) ，t h i sp a p e rd e s i g n e da n dm a d e t h ec r o s sf l o ws w i r ls o l i d - l i q u i ds e p a r a t ee q u i p m e n tw i t hh i g he f f i c i e n c yw h i c h c o m b i n e dt h ea d v a n t a g e so ft h ef i r s tt w os e t s ，a l s oi tw a st h ee q u i p m e n tc o n f o r m e dt o c h i n a sd e v e l o p m e n tt r e n da n dr e q u i r e m e n t so fs e w a g et r e a t m e n tt e c h n i c a le q u i p m e n t s a c c o r d i n gt oh y d r o d y n a m i ct h e o r y , t h ep r o t o t y p eo fc r o s sf l o ws w i r ls o l i d l i q u i d s e p a r a t ee q u i p m e n tw i t hh i g he f f i c i e n c yw a sd e s i g n e da n dp u ti n t ou s ei nm u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ，w h i l e ，t u r b i d i t y , s sa n dc o dr e m o v a le f f i c i e n c yo fs e w a g ei n d i f f e r e n tf l o ww e r et e s t e d ，w h i c hw e r ec o m p a r e dw i t ht h es e p a r a t i o no ft h ef i n es c r e e n a n dg r i tc h a m b e ri nm u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n tp l a n t i tw a sg o tt h eo p t i m a lf l o wo f 2 0 m 3 ha n dh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m eo f3 0 so f t h ec r o s sf l o ws w i r ls o l i d - l i q u i ds e p a r a t e e q u i p m e n tw i t hh i g he f f i c i e n c y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et u r b i d i t ya n dc o d r e m o v a l e f f i c i e n c yo fs e w a g ew a ss l i g h t l yh i g h e rt h a nt h es e w a g et r e a t m e n tp l a n t ，t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fs sw a sa b o u tt h es a m et ot h es e w a g et r e a t m e n tp l a n ta n dt h em i n i m u m p a r t i c l es i z eo fs a n d s t h a tc a nb er e m o v e db yt h ed e v i c ew a s0 0 7 5 m m t h eg e o m e t r i cm o d e lo fc r o s sf l o ws w i r ls o l i d - l i q u i ds e p a r a t ee q u i p m e n tw i t h h i g he f f i c i e n c ya n dm e s hg e n e r a t i o ns t r a t e g i e sw e r eb u i l tw i t hg a m b i ts o f t w a r e a m a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e di nt h ef l u e n ts o l v e ra c c o r d i n gt ot h e f l o wl a wo f m o t i o ni nc r o s sf l o ws w i r ls o l i d l i q u i ds e p a r a t ee q u i p m e n tw i t hh i 曲 e f f i c i e n c y , t h e nt h ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o n o fl i q u i d p h a s ei nc r o s sf l o ws w i r l s o l i d - l i q u i ds e p a r a t ee q u i p m e n tw i t hh i g he f f i c i e n c yw a ss i m u l a t e db yr n gk - 4 t u r b u l e n c em o d e l t h ep r o c e s sp r o v e dt ob es t a b l ec a l c u l a t i o na n de x c e l l e n tc o n v e r g e n c e a n dt h es p e e ds i m u l a t i o nv a l u e sw i t l ld i f f e r e n td i s t a n c e sf r o mt h ec e n t e ro fs o m el e v e li n t h ed e v i c ew e r eg o t t h er e s u l t sp r e s e n t e dt h ea s y m m e t r i c a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n d v o r t e x ，m e a n w h i l et h ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o nc o n f o r m e dt ot h e o r y o nt h eb a s i so fc o n v e r g e n c eo ft h ec a l c u l a t i o no fl i q u i dp h a s e f l o wf i e l d ，t h e p a r t i c l ep h a s eo fs a n d sw a ss i m u l a t e da n dt h eb a l a n c ef o r c e so fs a n d si nc r o s sf l o ws w i r l s o l i d l i q u i ds e p a r a t ee q u i p m e n t 谢t hh i 曲e f f i c i e n c yw a sa n a l y z e db a s e do nt h em o d e l o fd i s c r e t ep h a s ea n dp r i m a r i l yc o n s i d e r i n gt h ei m p a c to fg r a v i t y , d r a ga n dr o t a t i n g c e n t r i f u g a lf o r c ea n dt u r b u l e n td i f f u s i o no ns a n d s t h ed i s t r i b u t i o no fs a n d sw i md i f f e r e n t p a r t i c l es i z ew a sd e f i n e db yu s i n gr o s i n r a m m l e rd i s t r i b u t i o nf u n c t i o nt h e nt h er e m o v a l e f f i c i e n c ya n dr e m o v a le f f i c i e n c yg r a d e o fs a n d so nt h eo p t i m u mc o n d i t i o nw e r e s u c c e s s f u l l ys i m u l a t e da n dt h em i n i m u ms i z ec o u l db er e m o v e db yt h ed e v i c ei s0 0 5 m m w h i c hi sc l o s et ot h et e s tr e s u l t s a d d i t i o n a l l y , t h em o t i o nt r a i lo fs a n d si nt h ed e v i c ew a s s i m u l a t e d ，o t h e r w i s e ，t h em o v e m e n to fs a n d sw a sa n a l y z e di nt h i sp a p e r t h eb e s tr u n n i n gc o n d i t i o n so ft h ed e v i c ew a s a c q u i r e dt h r o u g he x p e r i m e n t si nt h e m u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ta n dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fs a n d so nt h eo p t i m a l e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o nw a se f f e c t i v e l ys i m u l a t e db yu s i n gf l u e n t i no r d e rt og e ta h i g h e rr e m o v a le f f i c i e n c y , ao p t i m i z a t i o np r o p o s a lt ot h eh y d r a u l i cs t r u c t u r e so fc r o s s f l o ws w i r ls o l i d - l i q u i ds e p a r a t ee q u i p m e n tw i t hh i g he f f i c i e n c yw a sp r o p o s e dt h e n c o m p a r i n g 谢t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，i tc o u l db es e e nt h a tt h ee f f i c i e n c yo fd e a l i n g 、) l ，i 廿1 s a n d so fs m a l lp a r t i c l es i z ea n df l o a t i n go b j e c t si n c r e a s e da f t e ro p t i m i z a t i o n f o l l o w i n g ，i t w a sa t t e m p t e dt oa p p l yt op r a c t i c ew i t ht h eo r i g i n a lp i l o t - p l a n ta n df l o wc h a n g e sw e r e o b s e r v e d ，t h eo p t i m i z a t i o ne f f e c tp r o v e dt ob eo b v i o u s k e yw o r d s ：v o r t e xf l o w ；s o l i d - l i q u i ds e p a r a t i o n ；f l u e n ts o f t w a r e ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 5 表格清单 表1 1 主要沉砂池类型比较4 表1 2比式沉砂池和钟氏沉砂池的比较5 表2 1 较稳定状态下厂进出水以及不同流量下设备出水的浊度值2 l 表2 2 较稳定状态下厂进出水以及不同流量下设备出水的c o d 值2 2 表2 3 较稳定状态下厂进出水以及不同流量下设备出水的s s 值2 2 表2 4 各流量不同时间下的s t d 读数2 4 表4 1z = 4 0 0 面上沿x 轴不同位移的点的速度4 2 表4 2 砂粒分离效率的模拟结果4 5 9 插图清单 图1 - 1圆形涡流式沉砂池水砂流线图8 图1 - 2圆形涡流式沉砂池除砂机理示意图8 图卜3旋流器结构图9 图卜4 错流涡旋式高效固液分离装置示意图12 图2 1制作的模型正视图1 6 图2 - 2 制作的模型正视图1 6 图2 3 制作的模型正视图1 6 图2 4 污水厂原水试验装置1 7 图2 5 朱砖井污水处理厂一级处理设备简图( 格栅和沉砂池) 2 0 图2 6 中试基地大小设备示意图2 0 图2 - 7 错流涡旋式高效固液分离试验装置运行中流体的旋转流态2 1 图2 - 8 不同流量下对污水浊度的去除效率2 2 图2 - 9 不同流量下对污水s s 的去除效率2 3 图2 1 0 不同流量下对污水c o d 的去除效率2 3 图2 1 l2 0 m 3 h 流量下的停留时间分布图2 4 图3 - 1f l u e n t 计算区域的几何模型2 6 图3 - 2 错流涡旋式高效固液分离器的网格划分2 7 图4 - 1f l u e n t 中整体网格显示图3 7 图4 - 2 残差收敛图3 9 图4 - 3 错流涡旋式高效固液分离器截面速度分布图( z = 4 0 0 ) 4 0 图4 - 4 错流涡旋式高效固液分离器截面速度分布图( x = o ) 4 0 图4 - 5 错流涡旋式高效固液分离器截面速度分布图( x = 6 0 0 ) 4 1 图4 - 6 错流涡旋式高效固液分离器连续相轨迹线路图4 1 图4 - 7z = 4 0 0 面上沿x 轴不同位移的点的速度曲线图4 2 图4 - 8 含砂废水的砂粒颗粒轨道俯视图4 4 图4 - 9 含砂废水的砂粒颗粒轨道侧视图4 4 图4 - 1 0 错流涡旋式高效固液分离器砂粒沉淀率一粒径关系模拟曲线4 5 图4 - 11 错流涡旋式高效固液分离器砂粒逃逸率一粒径关系模拟曲线4 6 图4 - 1 2l u m 砂粒粒径颗粒轨道4 7 图4 - 1 32 0 u m 砂粒粒径颗粒轨道4 7 图4 - 1 45 0 u m 砂粒粒径颗粒轨道4 8 图4 1 5 加导流管后的中试样机中的水流示意图4 9 图4 - 1 6 加入导流管后f l u e n t 计算区域的几何模型4 9 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金g 墨王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字。曩稚字日期：阳如年争月馏日 学位论文版权使用授权书 苯学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 目巴王业太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 矗夸干 i 签字日期：2 d f 。年牛月2 萝日 电话： 邮编： 数泊 一_。嗵 凇 涿拍 年 鍪 叫 豁 加 文 期 论 日 位 字 学 签 致谢 本研究及学位论文是在导师崔康平教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。他渊 博的知识，丰富的实践经验，严谨的治学精神以及精益求精的工作作风，深深地感 染和激励着我。从专利申请后试验装置的设计、实验方案研究、实验的完成，到最 后论文的撰写、定稿，都得到了崔老师细心的指导和不懈的支持。两年多来，崔老 师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想上和生活上给我以无微不至的关怀， 在此谨向崔老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意! 感谢副导师孙世群教授，他不仅学识渊博，治学严谨，而且有活跃的思维和精 益求精的工作作风，是我永远学习的楷模。近三年来，孙老师对我的学习、科研工 作给予了精心的指导，对我的生活给予了充分的关心，衷心感谢孙老师的培养、支 持和教诲! 感谢钱家忠老师、李湘玲老师在实验过程中给予我热心的指导和帮助，感谢叶 瑞师兄在软件使用上给予的指导，在他身上我学到了很多东西，感谢试验中给予帮 助的张展、李继，丁飞等同学。 感谢我的舍友张彦芳，王晓丽，感谢好友王烨，梁敏，方红卫，周堇，和他们 在一起的日子是我研究生期间最为美好的回忆，祝他们事业有成，一切顺利! 最后，我要把最诚挚的谢意献给我的父母，感谢他们这么多年对我含辛茹苦的 培养，谢谢他们! 祝他们永远健康快乐1 6 作者：梁曦 2 0 1 0 年3 月2 0 日 第一章绪论 我国是一个缺水国家，人均水资源占有量不足世界平均水平的1 4 ，同时， 我国又是水污染和水资源浪费严重的国家。近2 0 年来，我国经济持续高速增 长，但废水处理发展的速度却远远跟不上城市发展的速度。一方面，污水中 的污染物排放量已远远超过水环境自净容量，导致地表水污染不断加剧，水 源水水质下降，饮用水质量下降，特别是小城镇及广大农村地区饮用水质量 安全问题更为突出。另一方面，我国水资源浪费现象十分明显，城市污水回 用率不到5 ，雨水收集净化利用才刚刚起步，所以，我国大部分地区污染日 趋严重，8 0 的水域和4 5 的地下水己被污染，9 0 以上的城市水域严重污染， 水环境污染所造成的水危机已严重制约了国民经济的发展，影响了人民生活 水平的提高。 “十一五”期间，国家投资3 0 0 0 亿元用以推进城市污水处理和利用，目 标是城市污水处理率必须超过6 0 ，省会城市、风景旅游城市等环保重点城 市，更要求污水处理率超过7 0 ，使中国污水处理行业迎来了高速发展期。 许多污水处理的新工艺、新技术层出不穷，新建造了近百所城市污水处理厂、 小型生活污水和工业废水处理厂，提高了我国污水处理的总体水平，缓解了 一些污染状况。但建设城市污水处理厂不仅需要花费巨额投资，而且日常运 行还需要花费很多资金。如此庞大的资金，政府很难在短期内解决，而由于 各种原因，污水处理市场融资渠道仍十分不畅。因此，摆在环保科技工作者 面前的突出问题，就是寻求和开发高效、低耗、投资少的水处理工艺和装备， 降低城市污水处理厂建设投资和日常运行成本，以使有限的资金能满足更多 污水处理的要求。 在国际金融危机的背景下，中国采取继续扩大内需，促进经济增长政策， 把环境保护放在突出的战略位置。2 0 0 8 年四季度新增的千亿元中央投资中， 投向节能减排和生态建设的资金达1 2 0 亿元。用于重点流域的水污染防治工 程投资及用于城镇污水和垃圾处理设施、污水管网建设提速的资金高达6 0 亿 元，前者投资为1 0 亿元，后者为5 0 亿元。可以说，污水处理行业迎来空前 的发展机遇。然而这广阔的市场需求却与我国国内水处理技术的落后形成强 烈的反差。尽快开发出自己的水处理技术和设备，摆脱对国外设备技术的依 赖，是我国水工业设备产业发展的当务之急，也是环境工程研究者、水工业 设备者和企业制造商所面临的新机遇和新问题。在这种情况下，在国外旋流 沉砂池的基础上设计制作的，以一套装置替代传统多个装置和设施的错流涡 旋式高效固液分离设备，无疑具有广阔的市场前景。 1 1 国内外关于污水一级沉砂装置的研究现状 1 1 1 国内外关于污水一级处理技术研究现状 水和废水集中处理已有1 0 0 多年的历史，自1 9 1 2 年英国科学家提出活性 污泥法污水处理工艺至今，生物处理成为城市污水处理的主流技术。当前， 在国内外城市污水处理工艺中，以活性污泥法好氧生物处理为主体的工艺占 8 0 8 5 。由于好氧生物处理单元水力停留时间长、过流速度慢，污水中 比重较大的无机性颗粒物容易沉淀淤积，同时，好氧生物处理单元安装有许 多传动机械设备，容易受到污水中尺寸较大的漂、悬浮物缠绕和损坏，因此， 在生物处理前必须对污水进行前置处理一级处理，用来去除污水中的可 沉淀固体、悬浮固体和一部分有机物。 一般说来，城市污水一级处理的基建费和运行费约为二级处理的2 5 3 0 和3 0 5 0 ，而一级处理对b o d 和s s 的去除率分别约为2 0 - - 4 0 和 5 0 - 6 0 。因此，从污染物总量控制的角度看，建设一级污水处理厂比建设 二级处理厂要更加经济。又因为一级处理投资少，动力消耗低，不但可去除一 部分有机物，而且对后续二级生物处理影响较大，比如影响到后续工艺的运 行质量和处理成本等，所以世界各国十分重视一级处理技术的集成化研究。 在我国，限于国家和地方财力有限，不少城市常采取先上一级处理，后上二级 处理，分期建设的方针；在沿海和长江流域的一些城市，污水处理的途径也多 选择污水一级处理后，再排海入江。 目前，城市污水处理厂常用的污水一级处理工艺方法是粗格栅一集水池 一提升泵一细格栅或筛网一沉砂池。 在排水工程中，格栅是用来去除可能堵塞水泵机组及管道阀门的较粗大 悬浮物，并保证后续处理设施能正常运行。目前使用较多的是链条式机械格 栅，它一般由安装在回转链上相隔一定间距的一排排耙齿组成，在驱动装置 的驱动下，回转链带动耙齿按一定方向旋转，在迎水面耙齿由下向上运动， 将水中粗大漂浮物捞出至顶端翻转后卸下。从使用情况看，在设备质量良好 的条件下，运行状况还是比较令人满意的。它的弱点在于对于较大尺寸的漂 浮物，如粗大的棍棒、球状物、大块的泡沫塑料或木块等难以去除，而这些 漂浮物在城市污水中是常有的。该型格栅的检修相对来说比较麻烦，虽然它 在水下没有传动部件，但由于回转链要通过底部的导辊，有时需要将设备整 体吊出才能检修。长时间运行后，齿耙的两条驱动链还会产生张紧度不一致 从而导致齿耙不平，严重时会卡在栅条内。因此运行过程中应注意齿耙是否 歪斜，发现问题时及时调整。再者，机械格栅一般都配备皮带输送机或螺旋 输送机以输送栅渣，螺旋输送机螺旋的直径一般为3 0 0 3 5 0 m m ，容易被捞上 来的一些较大、较长、较硬的漂浮物，诸如木棍、大块的泡沫塑料或海绵等 这些东西卡住或堵塞。皮带输送机虽然可以解决以上问题，但它的缺点是长 2 时间的露天运行皮带容易老化。因此，大型污水处理厂通常设置人工除渣的 辅助性旁通格栅槽，机械格栅一旦出现故障，旁通格栅能自动分流全部污水。 通过了细格栅的污水( 有些污水厂还设有第三道筛网，相当于初级沉淀 池，用以截阻、去除污水中的纤维、纸浆等较细小的悬浮物。筛网一般用薄 铁皮钻孔制成，或用金属丝编制而成，孔眼直径为0 5 1 0 m m 。) 一般进入 沉砂池，进一步去除污水中的砂粒，减少砂粒对机械设备造成过量磨损。最 主要的是磨损机泵、堵塞管网，干扰甚至破坏生化处理工艺过程。按照沉砂 池所采用的物理原理和结构形式的差别，目前国内外普遍采用的沉砂池工艺 可以分为以下几种型式：平流式沉砂池、曝气沉砂池、旋流沉砂池多尔沉砂 池、竖流沉砂池等1 。我国污水厂的沉砂池大多采取平流式沉砂池和平流式 曝气沉砂池。平流式沉砂池是采取链条传动刮板式除砂机，运行可靠，故障 率低，技术上比较成熟。由于曝气沉砂池则采取预曝气方式，砂粒与有机物 分离效果好，因而大有取代平流式沉砂池的趋势。但是对于污水浓度低 ( b o d s 1 l ，。时，v ， 0 ，即固相颗粒向中心运动；反之，颗粒则向器 壁运动。本实验装备设计为固相颗粒向中心运动。 1 3 5 基本结构及工作原理 错流涡旋式高效固液分离装置的主体分成两个腔，一个是由截留网组成 的内腔，一个是连接进出水口的外腔。进水管从外腔进入，切向与内腔相连， 进水切向进入后产生旋转运动的同时进行错流网格过滤，密度较大的固体颗 粒向中心向下运动，密度较小的悬浮液相靠近器壁被网格过滤而进一步净化， 最后通过格网进入外腔。出水管始于外腔底部向上延伸至与进水口水平处出 水。不设传统旋流器的溢流口，因此也省略了分离椎段，仅有一个轴向出口 与内腔下的锥斗相连，用于排泥。装置示意图如图1 - 4 。 蕙 - - i i i 制1 4 错流涡旋式高效固液分离装簧示意幽 f i g1 。4v i e wo fc r o s sf l o ws c r o l lh i g he f f i c i e n c ys o l i d - l i q u i ds e p a r a t ed e v i c e 136 技术创新点及其优势 同其他类型的预处理沉砂装甓相比，错流涡旋式高效固液分离装置在保 证了砂粒和有机物的高效去除率下，有以下技术创新，从而保证了其独特的 优势： 1 除砂效率 错流涡旋式高效固液分离装簧采用的错流原理可以截留比格网问隙尺寸 小得多的悬浮杂质，除砂效率大大增加，可以代替传统预处理工艺巾细格栅 甚至之后的筛网以及沉砂池。 2 能耗 错流涡旋式高效固液分离装置无传动设备，只有提砂泵在排砂过程中运 行。而唯气沉砂池鼓风机需2 4 b 时连续运行，平流沉砂池的刮砂机也需要频 繁操作，甚至新型旋流沉砂池中的螺旋桨驱动也需要小马力的电机。因此， 错流涡旋式高效圃液分离装置的能耗要小于传统的沉砂池。 3 占地面积 错流涡旋式高效周液分离装置是利用涡流原理来达到沉砂目的，而非靠 停留或沉淀时间的长短，故其体积相对较小，加之又可以一机多功能，占地 面积大大减小，这无形中节省了土建部分的挖土方量及混凝土用量。 4 投资和管理 错流涡旋式高效固液分离装置的初期投资一般就低于其他沉砂池，随着 处理量的增加，这种差额变得更大，但若利用国外的旋流沉砂池，往往造价 过高抵消了土建上的节省。固此，我国自行研制的设备无疑具有更大的优 势。加之，错流涡旋式高效固液分离器能以一台设各替代传统的机械格栅、 筛网和沉砂池多个设备、设施投资加倍低廉。 5 维修管理 其他预处理除砂装置包括曝气系统，水下链式刮砂装置等，经常与废水 接触的轴承，链式连接器更需要经常调整及更换，而错流涡旋式高效固液分 离装置无任何传动部件，运行简单，寿命长，维修几率低，管理方便。 综合以上，错流涡旋式高效固液分离装置与其他预处理除砂装置相比， 优势显而易见，而且水力停留时间短，处理流量大时优势更为明显，无疑具 有广阔的市场前景。 1 4 错流涡旋式高效固液分离装置去除效果的试验设计 1 4 1 技术路线 课题拟通过理论计算，设计制作实验样机一一错流涡旋式高效固液分离 中试装置，进行污水厂现场中试试验，并与现有城市污水处理厂预处理系统 进行对比试验研究，再通过数值模拟进行旋流动力学的分析，试解释此设备 的运行机理和试验中得出的结论，并进一步优化装置设计和工艺参数，为制 定系列化技术标准奠定了基础，实现研究目标。 1 4 2 分离效率的表征 现场中试试验时，污水的分离效率主要通过检测不同条件下进出水的浊 度、s s 、c o d 值来计算，从而得出最佳工艺参数，它是衡量旋流分离器分离过 程进行完善程度的几个重要的技术指标，能够反映出旋流分离器性能的好坏、 操作参数的优劣等，是改进旋流分离器结构、优化操作参数的主要技术依据。 1 4 3 分离最小粒径的检测 通过筛分法测试错流涡旋式高效固液分离中试装置出水中砂粒的最大粒 径，从而得出该设备能分离去除的砂粒的最小粒径。 1 5f l u e n t 在两相流数值模拟中的应用 目前正式发布的有关反应器数值模拟的软件众多，如p h o e n i c s ，a n y s y s ， f l u e n t 等。美国f l u e n t 公司开发的f l u e n t 是其中的典型代表，该软件已在机 械、建筑、汽车、化工等行业得到了广泛的使用3 0 卜3 纠。拟采用f l u e n t 软件， 对错流涡旋式高效固液分离器的固液分离效果进行数值模拟计算，具有经济 省时，重复性好、周期短的特点。 1 5 1f l u e n t 软件介绍 1 5 1 1f l u e n t 结构特点 f l u e n t 是世界领先的c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 软件，用于 模拟和分析复杂几何区域内的的流体流动与传热现象嫡副1 3 5 1 。它是由用于建 立几何结构和网格的g a m b i t 、用于进行流动模拟计算的求解器f l u e n t ，用于 模拟p d f 燃烧过程的p r e p d f 、用于从现有的边界网格生成体网格的t g r i d 和 一个转换工具f il t e r s 组成的软件群，软件之间可以方便地进行数值交换， 并采用统一的前、后处理工具，省却了在计算方法、编程、前后处理等方面 投入的重复、低效劳动，而将主要精力用于物理问题本身的解析和研究上n 。 在数值模拟计算中，主要用到f l u e n t 软件中建立几何结构和网格的 g a m b i t 和求解器f l u e n t 。 1 5 1 2f l u e n t 应用范围 由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而f l u e n t 能达到 最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格 技术及成熟的物理模型，使f l u e n t 在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与 燃烧、多相流、旋转机械、动变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面 有广泛应用h “。特别可进行旋风分离器、旋流分离器分离过程及流场等两相 流场模拟计算。 1 5 1 3 用f l u e n t 软件求解问题的步骤n 训 1 ) 用g a m b i t 建立几何模型，生成计算网格 2 ) 将网格化后的几何模型输人f l u e n t 求解器并检查网格。 3 ) 选择求解器( 2 d 或3 d 等) 和求解方程。 4 ) 设置与模型相关的材料物性、边界条件及边界类型 5 ) 条件计算控制参数 6 ) 输人初始条件，进行流场初始化。 7 ) 求解计算。 8 ) 保存结果，进行后处理 1 5 2f l u e n t 在两相流数值模拟中的应用 两相流的物理模型是建立在两相湍流流动方程的基础之上。目前建立两 相流的物理模型不外乎两类方法，即e u l e r 方法和l a g r a n g e 方法“：第一类 方法是将每一相都看成充满整个流场的连续介质，其中国相颗粒是与流体相 相互连续介质或拟流体，它与连续相流体一样，采用在e u l e r 坐标系中宏观 连续介质原理中的质量、动量和能量守恒方程进行描述，依据这种观点建立 起来的模型即双流体模型4 0 卜4 引。第二类方法把流体( 液体或者气体) 当作 连续介质，而将颗粒视为离散体系，在e u l e r 坐标系下考察液体相的流动， 在l a g r a n g e 坐标系下研究可以群的运动，即颗粒群轨道模型4 4 卜4 。这类模 型用完全弹性碰撞模型或颗粒离散单元法处理液一固数值模拟中的应用。 显然，求解带有粒子存在的流动，最直观和容易理解的就是离散相模型 d i s c r e t em o d e l 。目前，f l u e n t 软件多运用于水处理反应器的二维数值模拟， 对于大型反应器的三维数值研究还比较少。本课题研究的错流涡旋式高效固 液分离器内部立体流动是三维、液一固两相流运动，流动规律异常复杂，引入 这种数值模拟方法，计算其固液两相流的三维流场分布、砂粒的去除效率及 砂粒运动的颗粒轨道。 1 4 第二章错流涡旋式高效固液分离装置的试验研究 2 1 试验目的和研究内容 本课题来源于安徽省科技攻关项目( 0 7 0 1 0 2 0 2 0 9 1 ) “错流涡旋式高效固 液分离技术研究与设备开发 。 试验的目的是拟开发一种新型的城市污水预处理设备一一错流涡旋式高 效固液分离装置，采用错流格网过滤和水力旋流除砂一步实现悬浮物截留和 除砂目的，并能以一套装置代替传统的细格栅、筛网和沉砂池多个装置和设 施。 研究的主要内容包括： ( 1 ) 设计制作错流涡旋式固液分离实验装置，研究错流过滤截留悬浮物的性 能和规律。 ( 2 ) 研制错流涡旋式高效固液分离中试装置，并进行现场中试试验。研究错 流涡旋式高效固液分离装置处理城市污水的性能与结构参数之间的关系。 并与污水厂预处理设施性能作对比，得出其优势或者不足。 ( 3 ) 根据小试、中试成果，结合新型错流涡旋式固液分离装置的技术特点和 结构特点，确定错流涡旋式高效固液分离装置清渣和排砂技术方案，研制 开发清渣和排砂配套设备。 ( 4 ) 用f l u e n t 软件对错流涡旋式固液分离装置进行数值模拟，试解释此设备 的运行机理和试验中得出的结论，并进一步优化装置设计和工艺参数，为 制定系列化技术标准奠定了基础。 ( 5 ) 错流涡旋高效固液分离装置产品系列标准，为设备的产业化奠定基础。 由于试验条件限制，本论文主要完成研究内容中的( 2 ) 和( 4 ) 部分， 即进行了污水处理厂的现场中试和数值模拟，此部分为该设备的技术研究和 开发运行提供了不可替代的参考作用。 2 2 试验装置设计与材料 2 2 1 试验装置设计 如图2 - 1 ，2 - 2 ，2 - 3 是错流涡旋高效固液分离装置的中试加工三视图，各 部分尺寸如下： 1 ) 主直径 对于错流涡旋高效固液分离装置而言，其旋流原理相当于水力旋流器， 靠的是自身流体切向进入形成旋流动力，而没有沉砂池装置中的辅助转动部 件。它的主直径主要影响其生产能力和固相分离粒度4 8 1 4 驯，主直径增大，其 生产能力和分离粒度将增大。本试验装置取内腔室直径6 0 0 m m ，外腔室直径 9 0 0 m m 。 2 ) 开口 水力旋流器的开口包括入水口，底部排泥口和出水口。加大入水口直径 将增加水力旋流器的生产能力和增大分离粒度，并能减少磨损。入水口压力 不变时，在一定范围内增加出水口直径将增大分离粒度。出水口直径应该大 于入水口直径，一般取1n 2 倍旧。而底部排泥口直径应该小于出水口直径， 底部排泥口直径越小，当达到一定限度时，分离粒度增大，因此，最佳比值 约为0 3 1 。本试验装置取入水口管径为d n 7 5 ，内腔室切向入水口面积15 0 8 0 m m 2 ，出水口管径为d n l 5 0 ，底部排泥口管径为d n l o o 。 3 ) 旋流腔长度 旋流腔是液流进入锥段前起稳流作用的部分，本试验装置旋流内腔网格 段高6 0 0 m m ，外腔高5 0 0 m m ，内腔和外腔的连接部分有5 0 m m 高度的缓冲设计， 防止细砂粒流动中死角的出现。 4 ) 集泥室 集泥室呈锥形，锥段锥角的增大将引起内流体阻力变大，在同一进口压 力下其生产能力有所减小，分离粒度也随之变大，因此，本试验装置集泥室 高3 0 0 m m ，旋流腔与集泥室间设1 0 0 m m 高缓冲段。 5 ) 截留网格 网格孔径为4 5 m m ，孔间距为8 m m 。 图2 1 制作的模型正视图 f i g 2 1 f r o n tv i e w 图2 - 2 制作的模型侧视图 f i g 2 2 s i d ev i e w 图2 3 制作的模型俯视图 f i g 2 - 3t o pv i e w 1 6 2 2 2 试验材料 由于进行城f h 污水处理厂现场中试，厂进水般还有一定的腐蚀性和弱 酸性，为了设备的外观美和耐腐蚀性，并使设备的结构部件永久地保持工程 设计的完整性，采用全不锈钢制作。不锈钢不会产生腐蚀、点蚀、锈蚀或磨 损。它是建筑用金属材料中强度晟高的材料之一。含铬不锈钢还集机械强度 和高延伸性于一身，易于部件的加工制造可满足建筑师和结构设计人员的 需要。 配套的材料设备有：三相内循环污水污物潜水电泵( 电泵型号： w q n 2 5 - 1 6 - 22 ；生产产商：蚌埠市剑鱼泵业有限责任公司) 、三相异步电动机 ( 电动机型号：y 2 - 6 3 m 2 - 4 ；生产产商；山东临清星光电机厂) 、阀门、水管 等。 2 3 试验场地及用水 试验出水取自合肥朱砖井污水处理厂的粗格栅出水，取水口位于该厂细 格栅前进的集水池。试验装置置于该厂曝气沉砂池的砂水分离器空地处。试 验场地及装簧见图2 - 4 。 图2 - 4 污水厂原水试验装置 f i g 2 4t e s td e v i c eo f e x p e r i m e n t si nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n l 2 4 分析仪器及测试方法 24 1 实验分析仪器 ( 1