1 引言
氧化溝是活性污泥法的一種改良技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，依靠表面曝氣機(jī)械和水下推動裝置對混合液進(jìn)行充氧、攪拌和推流(Rittmann and McCarty， 2004)，混合液在溝道中不斷循環(huán)流動的過程中完成有機(jī)物的去除和脫氮除磷，具有污染物去除率高、出水水質(zhì)好、運(yùn)行工況穩(wěn)定等優(yōu)點，已成為國內(nèi)外城鎮(zhèn)污水處理廠的主選工藝之一. 實際上，氧化溝的上述性能與其獨特的流場特性密切相關(guān)(許丹宇等，2010).隨著計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)技術(shù)的快速發(fā)展，已有許多學(xué)者將其用于氧化溝水力學(xué)特性模擬與優(yōu)化研究，并取得了一定的進(jìn)展.陳志瀾和楊人衛(wèi)通過流場數(shù)值模擬指出導(dǎo)流墻偏置距的合理布設(shè)可優(yōu)化氧化溝工藝的溝道流場分布，并可有效防止反應(yīng)器內(nèi)污泥淤積，同時提供了合理的偏置距參數(shù).Yang等(2010)借助滑移壁面模型仿真了氧化溝工藝內(nèi)部溝道的流場分布，并指出滑移壁面模型可有效定義轉(zhuǎn)碟的水力學(xué)行為.陳威和柳溪(2011)則以氧化溝中導(dǎo)流墻的長度、偏置距和半徑為研究對象，借助CFD技術(shù)確定了各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)取值范圍.劉玉玲等基于計算流體力學(xué)理論與工具提出了一種新型結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)流墻，并指出其可有效減小氧化溝隔墻背后回流區(qū)的范圍.梁延鵬等采用三維紊流模型對氧化溝進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)增加墻體光滑度和導(dǎo)流墻的曲率半徑可改善氧化溝的水力特征.Chen等基于CFD數(shù)值方法構(gòu)建了氧化溝的固液、氣液兩相流模型，對傳統(tǒng)氧化溝的水力學(xué)優(yōu)化提供有效工具.
然而，傳統(tǒng)的氧化溝工藝仍存在占地面積大、能耗高等問題.為此，國內(nèi)有劉俊新和夏世斌(2002)率先提出了一種新型的立體循環(huán)一體化氧化溝(Integrated Oxidation Ditch with Vertical Circle，簡稱IODVC).與傳統(tǒng)氧化溝的平面循環(huán)結(jié)構(gòu)不同，IODVC為上下溝道的立體循環(huán)結(jié)構(gòu)形式，并與固液分離器一體化，實現(xiàn)沉淀污泥自動回流，因此具有占地面積小、能耗低等特點(Xia and Liu， 2004).IODVC的立體循環(huán)結(jié)構(gòu)使其流場特性與傳統(tǒng)氧化溝的流場特性有所不同，為其進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計與工藝放大，有必要開展基于CFD的IODVC工藝流場模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究.
由前期研究可知，加裝導(dǎo)流板可以提高IODVC溝道內(nèi)混合液整體流速，改善下溝道靠近隔板處混合液的流態(tài)分布，但有關(guān)導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)形式對IODVC流場的影響尚缺乏深入的研究.為此，本文利用CFD理論與技術(shù)，借助Fluent軟件平臺對IODVC進(jìn)行二維流場模擬，探究加裝雙導(dǎo)流板及延長導(dǎo)流板末端長度對IODVC內(nèi)部流場的影響.
2 數(shù)值模型的建立
?????? ?2.1 計算域及網(wǎng)格劃分
運(yùn)用Fluent前處理軟件GAMBIT根據(jù)實驗中IODVC建立1 ∶ 1數(shù)學(xué)模型，單導(dǎo)流板IODVC結(jié)構(gòu)示意圖和幾何模型如圖 1和圖 2A所示.裝置溝長7 m，溝深1.5 m，有效水深1.4 m;隔板安裝高度0.7 m.曝氣轉(zhuǎn)刷1個，共12枚葉片，每片直徑0.4 m，葉片浸沒深度0.12 m，工作轉(zhuǎn)速為30 r · min-1.底部推流器1個，葉片直徑0.2 m，安裝高度0.1 m.曝氣轉(zhuǎn)刷及底部推流器電機(jī)功率均為0.75 kW.半圓形導(dǎo)流板半徑0.34 m.設(shè)置A-A、B-B斷面分別作為兩側(cè)彎道出口流速監(jiān)測斷面.加裝雙導(dǎo)流板及延長其末端的IODVC幾何模型如圖 2B和圖 2C所示，在彎道兩側(cè) 各加裝一道半圓形導(dǎo)流板，半徑為130 mm，圓心位置不變;并以雙導(dǎo)流板半徑大小的50%為基準(zhǔn)，10%為遞增單元，依次增加導(dǎo)流板末端的長度至其半徑的130%，然后進(jìn)行后續(xù)建模與結(jié)果分析.IODVC模型中流體所在部分為數(shù)值模擬的計算范圍，轉(zhuǎn)刷葉片只取浸入混合液中部分納入計算域.此外，本文采用單相流模型模擬混合液在IODVC內(nèi)流動行為.
?圖1 IODVC結(jié)構(gòu)示意圖
?圖2 IODVC幾何模型(A. 單導(dǎo)流板; B. 雙導(dǎo)流板; C. 延長雙導(dǎo)流板)
有關(guān)網(wǎng)格劃分，許丹宇等(2007)研究認(rèn)為在氧化溝的不同計算域上應(yīng)該采用不同類型和密度的網(wǎng)格.本文采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格對IODVC不同區(qū)域進(jìn)行了不同密度的網(wǎng)格劃分.其中，轉(zhuǎn)刷轉(zhuǎn)動區(qū)域內(nèi)流場變化較為劇烈，采用Interval Size=4 mm的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，靜止區(qū)域采用分塊網(wǎng)格劃分方式，在包絡(luò)轉(zhuǎn)刷轉(zhuǎn)動的區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)加密，采用Interval Size=8 mm的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，推流器附近區(qū)域采用Interval Size=5 mm的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，其余靜止區(qū)域采用Interval Size=10 mm的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，全尺度IODVC網(wǎng)格劃分在精度意義上滿足計算和實際要求.
2.2 湍流模型
在氧化溝數(shù)值模擬中應(yīng)用較多的湍流模型有k-ε雙方程模型和Reynolds應(yīng)力模型，其中
k-ε雙方程模型有3種，分別是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型.根據(jù)4種湍流模型各自的應(yīng)用特點，以及前期對IODVC采用不同湍流模型與實驗的對比，本文選擇RNG k-ε模型進(jìn)行數(shù)值模擬.
2.3 邊界條件
IODVC入口邊界根據(jù)質(zhì)量守恒定律和無旋假設(shè)，假定流速、湍動能k以及耗散率ε在入口截面上均勻分布.出口邊界采用壓力出口邊界，出口壓力設(shè)置為當(dāng)前一個大氣壓水平.自由液面采用剛蓋假定，液面近似為水平面，不考慮液面的波動，壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)值，液面垂向流速為零，其它變量的法向梯度為零.底面和壁面使用Launder和Spalding(1974)提議的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，垂向壁面的水平流速的法向梯度為零，底部壁面的垂向流速的法向梯度為零，滿足壁面質(zhì)量通量為零的條件.曝氣轉(zhuǎn)刷采用多重參考系模型，在轉(zhuǎn)刷葉片半徑范圍內(nèi)的流體區(qū)域建立獨立的旋轉(zhuǎn)參考系并定義轉(zhuǎn)軸原點、旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，葉片與該轉(zhuǎn)動區(qū)域內(nèi)流體的相對速度為零，轉(zhuǎn)動和靜止區(qū)域重合的兩個邊界設(shè)置為interface.推流器借助風(fēng)扇模型，定義為無限薄的理想推流器，主要作用是使流體獲得軸向速度，對其引起的混合液旋轉(zhuǎn)運(yùn)動不作考慮.
2.4 離散方法和求解算法
對控制方程組的離散方法采用有限體積法，差分格式采用二階迎風(fēng).求解方法采用Fluent提供的壓力基隱式算法對IODVC流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，壓力-速度耦合方法采用SIMPLE算法.計算中考慮重力影響，重力加速度設(shè)置為9.81 m · s-2.收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為所有方程的殘差絕對值小于10-4.
3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析
?????? ?3.1 單導(dǎo)流板IODVC流場模擬與問題分析
在氧化溝工藝中，為了獲得良好的混合和處理效果，氧化溝中混合液體循環(huán)流動的最小流速應(yīng)該是0.15 m · s-1，而為了防止溝道中污泥的沉積，則溝道中混合液平均流速應(yīng)該大于0.25 m · s-1(De Clercq et al.，1999).本文借助FLUENT對IODVC進(jìn)行全溝道模擬后，利用后處理模塊將IODVC計算域劃分為4個不同流速大小的區(qū)域(<0.05、0.05~0.15、0.15~0.25、>0.25 m · s-1)，進(jìn)而統(tǒng)計各區(qū)域比例，得到單導(dǎo)流板IODVC的溝道中混合液的流速分布圖(圖 3).由圖可見，混合液流速小于0.15 m · s-1的區(qū)域占總計算域的比例較高，達(dá)到41.53%，而相應(yīng)流速大于0.25 m · s-1的區(qū)域占比較低，約為總計算域的32%.由此可見，在此流速分布情況下IODVC溝道內(nèi)部混合液的整體混合效果不理想，低流速區(qū)域的大范圍存在可能導(dǎo)致活性污泥的沉降和淤積，從而影響IODVC反應(yīng)器的處理效果.圖 4是單導(dǎo)流板IODVC的速度分布云圖.由圖可見，在IODVC兩側(cè)導(dǎo)流板的凹凸側(cè)、左側(cè)彎道出口處(隔板左側(cè)上方)以及下溝道的上部區(qū)域(隔板下方)存在大范圍的低速區(qū)，這是由于彎道出口處的混合液會由于慣性作用有向外擴(kuò)散的趨勢所致.
?圖3 單導(dǎo)流板時IODVC速度分布圖
?圖4 單導(dǎo)流板時速度分布云圖(m · s-1)
由于IODVC采用上下溝道的結(jié)構(gòu)設(shè)置，雖然導(dǎo)流板凹凸側(cè)及下溝道的污泥沉降到底部會被高速循環(huán)的混合液沖擊而不發(fā)生淤積，但大范圍的低速區(qū)勢必會造成回流現(xiàn)象，導(dǎo)致混合液逆向流動而造成動力消耗.為此，本文嘗試通過加裝雙導(dǎo)流板及延長導(dǎo)流板末端長度來解決上述問題.
3.2 加裝雙導(dǎo)流板對IODVC流場的優(yōu)化研究
雙導(dǎo)流板的流場速度分布結(jié)果如圖 5所示.對比圖 3可知，雙導(dǎo)流板使IODVC溝道中混合液低流速區(qū)域占比明顯下降，相應(yīng)高流速區(qū)域占比有較大幅度提高，其中混合液流速小于0.15 m · s-1的區(qū)域占比由41.53%下降至34%，流速大于0.25 m · s-1的區(qū)域占比由32%增加至41.5%，IODVC溝道中整體混合效果明顯改善.通過圖 6(雙導(dǎo)流板IODVC速度分布云圖)和圖 4對比可知，雙導(dǎo)流板可以有效提高下溝道特別是靠近隔板下方處混合液的流速，使下溝道內(nèi)混合液流速分布更加均勻，減小了此處回流區(qū)范圍，而且導(dǎo)流板凹凸兩側(cè)的低速區(qū)域較單導(dǎo)流板有明顯改善，特別是在右側(cè)導(dǎo)流板凹凸兩側(cè)處，由于高速液流的沖擊，使IODVC彎道斷面的流速分布更加均勻，混合液在上下溝道的過渡更加平穩(wěn)，有利于整體流場的穩(wěn)定.此外，在左側(cè)彎道出口處(隔板左側(cè)上方)，由于雙導(dǎo)流板的存在，回流區(qū)幾乎全部消失.由此可見，雙導(dǎo)流板減小了凹側(cè)流道的寬度，改變了彎道處的流場特性，加劇了水流的紊流程度，增大了流速.
?圖5 雙導(dǎo)流板時IODVC速度分布圖
?圖6 雙導(dǎo)流板的速度分布云圖(m · s-1)
3.3 延長導(dǎo)流板末端長度對IODVC流場的優(yōu)化研究
圖 7是導(dǎo)流板末端不同長度時混合液流速大于0.25 m · s-1的區(qū)域占比.由圖可見，當(dāng)導(dǎo)流板末端延長至導(dǎo)流板半徑的50%~100%時，溝道中混合液流速大于0.25 m · s-1的區(qū)域占比隨導(dǎo)流板長度增加而增大;繼續(xù)增加導(dǎo)流板長度，則占比呈減小趨勢.其中，當(dāng)導(dǎo)流板延長的長度等于導(dǎo)流板半徑時，流速大于0.25 m · s-1的區(qū)域占比達(dá)到最大44.21%.圖 8為導(dǎo)流板末端延長的長度等于導(dǎo)流板半徑時的IODVC速度分布云圖.由圖可見，當(dāng)導(dǎo)流板末端延長時，下溝道上部(隔板下方)及右側(cè)彎道出口處的混合液流速較不延長(圖 6)時有所提高，低速區(qū)范圍明顯縮減.可見，導(dǎo)流板末端延長的長度等于導(dǎo)流板半徑時，IODVC內(nèi)部流場更加趨于均勻，相應(yīng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化更加趨于完善.
?圖7 導(dǎo)流板不同延長長度時流速>0.25 m · s-1 區(qū)域占比
?圖8 導(dǎo)流板延長長度等于導(dǎo)流板半徑速度分布云圖(m · s-1)
在上述研究基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步分析單導(dǎo)流板、雙導(dǎo)流板和延長導(dǎo)流板(其長度等于導(dǎo)流板半徑)等3種結(jié)構(gòu)情況下彎道出口A-A、B-B斷面流速分布，其結(jié)果見圖 9.由圖 9A可知，與單導(dǎo)流板相比，雙導(dǎo)流板的斷面流速分布更加均勻，在垂向坐標(biāo)0.7~0.88 m范圍內(nèi)，流速明顯升高，流速最大達(dá)到0.2 m · s-1，可有效防止此處形成回流;而延長導(dǎo)流板可使流速進(jìn)一步提高.隨著垂向坐標(biāo)繼續(xù)增加，雙導(dǎo)流板及延長導(dǎo)流板的流速分布均接近直線上升趨勢，其中在垂向坐標(biāo)1.05 m附近，延長導(dǎo)流板使流速曲線有所波動，可能是導(dǎo)流板的末端和所取斷面A-A比較靠近所致.由圖 9B可知，在垂向坐標(biāo)0~0.35 m范圍內(nèi)，三者流速分布相似，但在垂向坐標(biāo)0.35~0.7 m范圍內(nèi)，對比3條曲線可知，雙導(dǎo)流板和延長導(dǎo)流板可使此區(qū)域流速均值保持在0.15 m · s-1以上，整個斷面流速分布優(yōu)于單導(dǎo)流板的情況.具體參見 污水處理技術(shù)資料或污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。
?圖9 監(jiān)測斷面速度分布(a. A-A斷面;b. B-B斷面)
由此可見，雙導(dǎo)流板可改變彎道寬度的比例分布，從而減小了彎道水力半徑，顯著加強(qiáng)了對彎道處混合液的導(dǎo)控作用，而且延長導(dǎo)流板可進(jìn)一步加強(qiáng)導(dǎo)控，使彎道出口處流場向內(nèi)側(cè)收攏，從而達(dá)到提高區(qū)域流速及使流場分布更加均勻的目的，有利于IODVC溝道中混合液達(dá)到良好的混合效果.
4 結(jié)論
1)模擬結(jié)果表明，在IODVC的彎道處加裝雙導(dǎo)流板可使混合液高流速區(qū)域占比增加9.5%，特別是改善了彎道斷面和彎道出口斷面的混合液流態(tài)，從而有效減小此處回流區(qū)范圍，有利于斷面流速的均布.
2)將導(dǎo)流板末端適當(dāng)延長可以進(jìn)一步加強(qiáng)對水流的導(dǎo)控作用，使彎道出口斷面的混合液流態(tài)向內(nèi)側(cè)收攏，提高了隔板附近區(qū)域混合液流速，降低了此處形成回流區(qū)的可能性.當(dāng)導(dǎo)流板延長的長度等于導(dǎo)流板的半徑時效果最佳.
