基于不同粒徑的Pista沉砂池ISS去除效果數(shù)值模擬.pdf

1、廢水處理單元構(gòu)筑物（設(shè)備）及其操作運(yùn)行過(guò)程機(jī)制的明確，對(duì)提升污染物的去除效能具有顯著實(shí)際意義。沉砂池是城鎮(zhèn)污水處理流程中以去除無(wú)機(jī)懸浮固體（Inorganic suspended solids,ISS））為主要功能的預(yù)處理構(gòu)筑物，無(wú)機(jī)懸浮顆粒的高效去除是維持生化單元污泥活性與剩余污泥資源化處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。旋流沉砂池是預(yù)處理單元普遍采用的池型，作為國(guó)外引進(jìn)的專(zhuān)利技術(shù)，其關(guān)鍵參數(shù)未有公開(kāi)，加之我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)進(jìn)水中無(wú)機(jī)顆粒細(xì)微，與設(shè)計(jì)規(guī)范

2、或手冊(cè)內(nèi)容相差甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致旋流沉砂池對(duì)ISS的總體去除能力極低，城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)生化單元普遍淤沙嚴(yán)重，設(shè)備運(yùn)行效率低下。因此，針對(duì)城鎮(zhèn)污水中無(wú)機(jī)砂的粒度特征，探討旋流沉砂池的的除砂過(guò)程機(jī)制，對(duì)單元設(shè)備開(kāi)發(fā)、工程設(shè)計(jì)以及構(gòu)筑物的科學(xué)運(yùn)行管理具有重要意義。本論文采用數(shù)值模擬與物理模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，針對(duì)不同粒徑分級(jí)ISS特性，基于湍流模型的優(yōu)選，進(jìn)行了旋流（Pista）沉砂池流態(tài)特征、ISS去除效能影響因素的數(shù)值模擬研究，運(yùn)用回歸正交方法

3、得出了ISS去除效率與各影響因素的數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)而確定Pista沉砂池最佳運(yùn)行參數(shù)條件。
　　本論文的主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下：
　　①基于《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)5—城鎮(zhèn)排水》（《城鎮(zhèn)排水》）中Ⅱ型旋流式沉砂池（12），根據(jù)流動(dòng)相似原則，構(gòu)建了 Pista沉砂池的數(shù)值模擬幾何模型，同時(shí)設(shè)計(jì)了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)物理模型。
　　②基于歐拉-拉格朗日方法模擬Pista沉砂池內(nèi)的固液兩相流動(dòng)，粒子相采用非穩(wěn)態(tài)離散相模型（UnSteady Dis

4、crete Model），流體相則通過(guò)采用RNG k-ε模型（RNG模型）、Realizable k-ε模型（Real模型）、SST k-ω模型（SST模型）與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)對(duì)比進(jìn)行優(yōu)選。
　　結(jié)果表明：
　　1）ISS粒徑小于200μm，RNG模型能夠更好地匹配驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，ISS粒徑d<100μm、100μm≤d≤200μm的平均誤差分別為7.10%、6.87%；ISS粒徑大于200μm，Real模型與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的平均誤差最小（

5、4.16%）。
　　2）不同粒徑分級(jí)ISS在沉砂池中呈現(xiàn)推移質(zhì)或懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)特征，是導(dǎo)致ISS去除效率差異的重要原因。
　　3）三種湍流模型條件下，Pista沉砂池內(nèi)壓力梯度與湍流強(qiáng)度分布的差異明顯，不同粒徑無(wú)機(jī)顆粒對(duì)壓力差產(chǎn)生的擾動(dòng)效應(yīng)響應(yīng)各異，對(duì)模擬結(jié)果的可靠性與精度具有不同程度影響。
　?、鄹鶕?jù)湍流模型優(yōu)選研究結(jié)果，針對(duì)不同粒徑 ISS，分別采用 RNG模型、Real模型進(jìn)行Pista沉砂池去除效能的單因素影響分析

6、，探討水力停留時(shí)間、攪拌槳轉(zhuǎn)速、攪拌槳傾角以及攪拌槳距池底高度對(duì)不同粒徑范圍ISS去除效果的影響。
　　研究表明：
　　1）實(shí)驗(yàn)條件下的各單因素試驗(yàn)中，Pista沉砂池中各粒徑分級(jí)ISS去除率最大時(shí)，水力停留時(shí)間為30s，攪拌槳轉(zhuǎn)速為25r/min（d<100μm）、20r/min(100μm≤d≤200μm)、15r/min（d>200μm），攪拌槳傾角為60°，攪拌槳高度為60mm；
　　2）確定回歸正交試驗(yàn)各因素

7、的取值范圍如下：水力停留時(shí)間為20s~50s、攪拌槳轉(zhuǎn)速為10r/min~30r/min、攪拌槳傾角為45°~75°、攪拌槳距池底高度為40mm~80mm。
　　④結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了四個(gè)因素的回歸正交分析，通過(guò)數(shù)值模擬，獲得不同粒徑分級(jí)條件下，ISS去除率與因素之間的回歸方程，ISS最佳去除率的適宜運(yùn)行參數(shù)如下：
　　1）粒徑d<100μm時(shí)，運(yùn)行參數(shù)為35s、30r/min、60°、60mm， ISS理論最佳去除率

8、為16.57%；
　　2）100μm≤粒徑d≤200μm時(shí)，運(yùn)行參數(shù)為27.5s、20r/min、60°、60mm時(shí)，ISS理論最佳去除率為84.26%；
　　3）粒徑d>200μm時(shí)，運(yùn)行參數(shù)為27.5s、15r/min、60°、60mm時(shí)，ISS理論最佳去除率為96.99%。
　　⑤不同粒徑分級(jí)ISS去除效能的研究結(jié)果中，單因素試驗(yàn)與回歸正交試驗(yàn)各因素取值存在差異。說(shuō)明水力停留時(shí)間、攪拌槳轉(zhuǎn)速、攪拌槳傾角、攪拌槳距

9、池底高度等，對(duì)Pista沉砂池ISS去除率的影響存在關(guān)聯(lián)交互作用。
　　我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)進(jìn)水中ISS粒徑分布、ISS濃度各異且無(wú)機(jī)顆粒粒徑細(xì)微，加上城鎮(zhèn)污水處理工藝中旋流沉砂池設(shè)計(jì)參數(shù)欠明確，導(dǎo)致旋流沉砂池ISS去除率較為低下。本論文創(chuàng)新性通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證不同湍流模型的模擬結(jié)果與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取不同粒徑范圍的最適湍流模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行單因素試驗(yàn)確定正交試驗(yàn)各因素的范圍，進(jìn)而獲得特定 ISS粒徑下的回歸方程、最優(yōu)工況。此研究方法對(duì)