往复隔板絮凝池流场数值模拟及混凝效果分析.pdf

往复隔板絮凝池流场数值模拟及混凝效果分析 祝皎琳 林建国 大连海事大学环境科学与工程学院, 大连 116026 摘要 对往复隔板絮凝池内的流场进行了数值模拟, 并根据絮凝池的工作特征分析了水流状态对混凝效果的影响。 结果表明絮凝池转弯处过水断面面积 A1与廊道过水断面面积 A2的比值 AA1 A2, 这一影响流场紊流动能的设计参 数的最佳范围是 1. 2～ 1. 5。 按此设计参数设计的往复隔板絮凝池模型的混凝反应效率是比较理想的。 关键词 往复隔板絮凝池 流场 A1 A2 ANSYS 1 引言 混凝反应设备即絮凝池, 分为推流型 简称 PF 型 和完全混合连续流型 简称 CSTR 型 。接近推流 型的絮凝池有隔板絮凝池、折板絮凝池等 ; 接近完全 混合连续流型的絮凝池有机械搅拌絮凝池 。比较这 两类絮凝池的特性可知, 在理想情况下 , 从絮凝速度 考虑 ,采用 PF 型絮凝池比用 CSTR型絮凝池效果好。 虽然 ,按反应器原理 ,串联数越多絮凝池效果越好 ,但 考虑到造价及机械设备的增加会使操作复杂化并给 维修带来不便等因素, 在实际工程中, 串联数一般不 超过 4 个 [ 1] 。相比较 ,还是PF 型絮凝池更经济实用。 而PF 型絮凝池可分为隔板式絮凝池和折板式絮凝 池,隔板絮凝池的构造比折板絮凝池简单 ,进水流量 大,能承受突然的水量变化,施工管理方便,目前广泛 应用于大 、 中型水厂 。 本研究选择了隔板絮凝池中的往复式为研究对 象,对其内部的流场进行数值模拟 。 2 絮凝动力学机理 为使水流中的颗粒相互碰撞, 就必须使其与水流 产生相对运动。 水中的颗粒与水流产生相对运动最好的办法是 改变水流的速度。改变速度的方法有两种 1 改变 水流速度时而造成的惯性效应来进行凝聚; 2 改变 水流方向。在湍流中充满着大大小小的涡旋。涡旋 的加速度 单位质量惯性力 随涡旋尺度的减小而增 大,即涡旋越小其惯性力越强 [ 2] 。由此可见湍流中微 小涡旋的离心惯性效应是絮凝的重要动力学致因 。 要达到好的絮凝效果除有颗粒大量碰撞之外 ,还 需要控制颗粒合理的有效碰撞 ,使颗粒聚集起来。湍 流剪切力是絮凝过程中的控制动力学因素 。湍流剪 切力是由湍流涡旋造成的, 显然涡旋尺度越小, 涡旋 强度越大, 涡旋对矾花的剪切作用越强。涡旋尺度主 要取决于流动空间尺度与流动速度两个因素。流动 空间越大, 涡旋尺度越大 ; 在同一空间尺度下流动速 度越大,涡旋尺度越小。由此可近似认为湍流剪切力 与流动空间尺度成反比, 与流动速度成正比。而涡旋 强度与流动速度成正比, 其关系式如下 湍流剪切力≈υ 2 L 式中 υ 水流的特征速度; L 流动空间特征尺度 。 这样湍流剪切力的大小可用上面两个宏观物理 量组成的佛鲁德数 Fr υ 2 gL近似确定 。实际上 Fr 是 相似准数, 表明水流中惯性力与重力之比 ,显然,在一 个固定的空间中惯性力越大其湍流剪切力越大,所以 Fr 也表明湍流剪切力的大小 。 因此,本研究按照佛鲁德相似准则 Fr υ 2 gL来设 计往复隔板絮凝池模型。 3 往复隔板絮凝池模型系统简介 假设实际工程的设计水量 Q 100 m 3 h ,废水在 絮凝池中的停留时间 t 30 min, 忽略絮凝池底面坡 度,设计采用佛鲁德相似准则 Frυ 2 gL ,比例尺取 λ 10。往复隔板絮凝池原型与模型尺寸及参数如附表 所示 。 72 环 境 工 程 2005年 4 月第23 卷第2 期 附表 往复隔板絮凝池设计参数及关系式 参数名称及符号比尺名称及符号比尺关系式原型模型 池长度 l mm平面比尺 λlλ1λ 105 . 55 103555 池宽度 b mm 平面比尺 λ b λ bλ 10 3 . 6103360 池高度 h mm 平面比尺 λ h λ hλ 10 3103300 管道直径 d mm 平面比尺 λ d λ dλ 10 0 . 25 10325 进水流量Q m3 h- 1 平面比尺 λ q λqλ 5 2316. 228 1000 . 316 23 进水流速 v ms- 1 平面比尺 λ v λvλ 1 23 . 162 28 0. 570 . 18 水流时间 t min 平面比尺 λ t λtλ 1 23 . 162 28 309. 5 往复隔板絮凝池二维平面各部位尺寸如图 1 所 示。在一个矩形水池内设置许多隔板, 水流沿隔板之 间的廊道往复前进。在反应池起端设置了 4 格穿孔 隔板, 使得初期的混凝反应更为强烈, 提高了颗粒的 碰撞几率 。隔板间距 廊道宽度 从进水端至出水端 逐渐增大 ,从而使水在廊道内的流速逐渐减小 。通过 水流在廊道间往返流动, 造成颗粒碰撞聚集。水流的 能量消耗来自絮凝池内的水位差, 即水头损失 。廊道 内的流速逐渐减小是为了避免逐渐增大的絮凝体在 水流剪力下破碎 。为此, 在往复隔板絮凝池设计中要 考虑, 尽可能使絮凝池前部紊流程度大些 ,增加颗粒 碰撞机率; 而后部紊流程度小些, 避免已形成的大絮 凝体破碎 ,特别是在水流转弯处。 图 1 往复隔板絮凝池模型尺寸示意图 图 1 中的 A1是絮凝池水流转弯处过水断面面 积, A2是廊道过水断面面积, 它们的比值 A A1 A2 对混凝反应效果有很大影响。絮凝池板厚为 5 mm 。 4 往复隔板絮凝池流场数值模拟 本研究采用工程有限元软件 ANSYS , 对不同 面积比 A 分别为 1. 0,1. 2,1. 5, 1. 8, 2. 0 的往复隔板 絮凝池模型内流场进行分析。 由于往复隔板絮凝池池内的水流状况比较复杂 , 如忽略池底部摩擦及池顶部自由液面的影响 ,池内部 各水平层的流动情况基本一致。因此 ,建立絮凝池水 平剖面直角坐标系下的二维水流数值模型并对其进行 数值模拟, 即可近似反映絮凝池内三维流场的情况 。 另外,由于絮凝池中水流的紊动作用较强,特别是在水 流转弯处,所以本研究采用标准 k- ε 紊流模型 。 5 数值模拟结果与分析 从实验中得到的往复隔板絮凝池内流场速度矢 量图可以看出, 在水流转弯处 ,速度变化比较剧烈 ,反 应池起端的 4 格隔板间及廊道中都存在回流区。水 流在廊道内的流速, 从进水端至出水端逐渐减小。整 个流场中存在大量的大大小小的涡旋,由前面的絮凝 动力学机理分析可知 ,这样的水流状态对絮凝反应是 极其有利的 。 不同面积比 A 的往复隔板絮凝池流场紊流动能 试验显示,在反应池起端的 4 格隔板 ,穿孔处紊流动能 很大,使得混凝反应的初期更为强烈,提高了颗粒的聚 集效率。廊道中水流转弯处的紊流动能也比较大 。 比较不同面积比 A 的紊流动能, 可以看出 A 1. 0 时, 絮凝池水流转弯处紊流动能很大, 尤其在絮 凝池后部。这会造成已形成的大絮凝体的破碎,不利 于在后面的沉淀池中去除; A 1. 2、 1. 5 时, 絮凝池前 部紊流动能较大 ,而后部较小, 有利于形成大且密实 的矾花; A 1. 8 时, 虽然絮凝池前部紊流动能较大, 而后部较小 ,但絮凝池相邻廊道相接处的流速过低, 水流无法带走絮体, 易造成絮体在絮凝池中过早沉 淀,阻碍水流通道,降低混凝效果,也给日常维护和管 理带来麻烦 。A 2. 0的情况与 A1. 8 相近, 相邻廊 道相接处的流速更低 。上述分析表明,往复隔板絮凝 池水流转弯处过水断面面积 A1与廊道过水断面面积 A2的比值的最佳范围是 1. 2～ 1. 5。 6 往复隔板絮凝池混凝效果分析 本研究采用物理模拟法的实验手段研究了往复 隔板絮凝池模型的混凝效果。按照图 1 的尺寸制作 了絮凝池模型, 面积比 A 取 1. 2。用白陶土分别配制 不同浊度的废水, 调节进水流量为 0. 32 m 3 h。室温 下, 在废水进入絮凝池前投加 Al2 SO43溶液 浓度 为10 g L ,投加量分别为 5、 10、15、 20、25 和 30 mg L mg 混凝剂 L 废水 。往复隔板絮凝池混凝实验开 始,絮凝池出水静置 30 min,测定剩余浊度。 根据实验数据可以计算得出往复隔板絮凝池对 不同高、 中 、 低浊度废水的浊度去除率。对高 、 中浊度 废水, 浊度去除率在 90以上 ; 对低浊度废水, 浊度 去除率在 50 左右。而一般水处理工程一级处理中 的混凝沉淀处理效率是 70～ 80 [ 3] 。在实际工程 处理低浊度废水时, 如在混凝沉淀过程后增设过滤工 艺,则浊度去除率可达到 70 [ 4] 。 73 环 境 工 程 2005年 4 月第23 卷第2 期 7 混凝反应混凝剂的最佳投量及理论分析 根据往复隔板絮凝池模型的混凝效果试验的数 据,以混凝剂投量为横轴 ,混凝反应出水剩余浊度为 纵轴, 可以得到不同废水浊度-混凝剂最佳投量曲线, 如图 2 所示 。由图2 可见,不同废水浊度对应的曲线 最低点即为所求的最佳投药量 。最佳投加量如图 3 所示 。 图2 废水浊度 -混凝剂最佳投量曲线 图3 最佳投量 -废水浊度关系曲线 由图 3 可见, 当废水浊度 80 JTU 时, 其最佳投 药量较高, 一般在 20～ 25 mg L 之间。随着废水浊度 的不断增加,其最佳投药量逐渐减小。当废水浊度增 加到约 160 JTU 时 , 最佳投药量达到最小值。之后, 最佳投药量又随着废水浊度的升高而不断变大,整个 变化过程形成一个V 形特性的曲线图 。 混凝剂的最佳投量由两个部分组成 1 保证水 中悬浮颗粒被水解聚合物包围并发生凝聚反应所需 要的混凝剂投量 F1; 2 保证微小絮凝体进一步形成 矾花的絮凝反应所需要的混凝剂投量 F2。混凝反应 所需混凝剂的最佳投量就可以表示为 F F1F2。 理论分析与实践表明 , F1是随着废水浊度的增 加而增加的 。而 F2的情况恰恰相反, 即 F2是随着 废水浊度的增加而减少的 。 通过以上分析可以得出混凝剂最佳投量与废水 浊度关系曲线, 如图 4 所示。F1和 F2合成 F ,可以 看出 F 是一个拥有临界浓度Ck的V 形曲线, 随着废 水浊度的不断增加, 混凝剂最佳投量逐渐减小 。当废 水浊度增加到 Ck时 ,最佳投量达到最小值 。之后, 最佳投量又随着废水浊度的升高而不断变大 。 由此可见 , 对于低浊度废水, 即 C Ck, 混凝剂的最佳投量主要 由用于凝聚反应的 F1所决定。要提高混凝效果, 混 凝剂就必须充分水解 ,同时要增加悬浮颗粒被水解产 物覆盖的程度。因此 ,快速搅拌是影响高浊度废水混 凝效果的主要因素。 8 结论 1 混凝反应设备的水力特性是影响混凝反应效 果的重要因素, 控制矾花的合理有效碰撞是提高混凝 反应效果的重要手段 。 2 往复隔板絮凝池水流转弯处过水断面面积 A1与廊道过水断面面积 A2的比值的最佳范围是 1. 2～ 1. 5。 3 与一般水处理工程的混凝过程相比较 ,往复 隔板絮凝池的混凝试验效果是比较理想的。 4 混凝反应中混凝剂的最佳投量与悬浮物浓度 有关 。存在一个悬浮物临界浓度,低于此浓度混凝剂 的最佳投量随悬浮物浓度的增加而减少 ,高于此浓度 混凝剂的最佳投量随悬浮物浓度的增加而增加。 参考文献 1 詹咏. 水流对混凝沉淀影响研究, 博士论文. 河海大学, 2001. 2 祝皎琳, 林建国. 往复隔板絮凝池内流场的数值模拟. 第十七届全 国水动力学研讨会学术论文集, 2003. 861～ 866. 3 国家环境保护总局科技标准司编著. 城市污水处理及污染防治技 术指南. 北京 中国环境科学出版社, 2001. 4 R. L. 卡尔普, G. M.魏斯纳,G. L. 卡尔普合著. 张中和译. 城市污水 高级处理手册. 1986. 14～ 33. 作者通讯处 林建国 116026 辽宁省大连市 大连海事大学环科 与工程学院 电话 0411 82931948 2004- 04-06 收稿 74 环 境 工 程 2005年 4 月第23 卷第2 期 and abroad. The fly ash of CFB is not utilized effectuarlly at the present time. This paper introduces the s of exciting the activity of CFB fly ash and experimental study on producing masonry cement by CFB fly ash. Keywords CFB flyash, alkali excitation, activity and masonry cement UATION ON POTENTIAL ECOLOGICAL RISK OF HEAVY METAL POLLUTION OF SEDIMENTS IN HAIHE RIVERWang Shengqiang et al 62 Abstract Through analyzing the contents of typical heavy metal pollutants Cu, Pb, Zn, Cd and Cr in sediments of Haihe River, adopting the index number techniques of single factor andHakanson ecological risk, the quality statusof these sedimentswere uated; the pollution of the sediments by heavy metals and the potential ecological risk of Haihe River were determined quantitatively . Keywords Haihe River, sediment, heavy metals and ecological risk RESEARCH ON MODEL OF RELATION BETWEEN THE UTILIZATION OF COAL RESOURCES AND SO2POLLUTION OF ATMOSPHERE IN THE URBAN AREA OF JIAOZUO CITY Wang Hailin et al 64 Abstract Firstly the relation between the utilization of coal resources and SO2pollution of the urban area atmosphere of Jiaozuo City was researched. The diffusing model of SO2pollution applying to the urban area atmosphere of Jiaozuo City was set up. In the model the contribution from area pollution sources was calculated by transing it to the background concentration, so the model was greatly simplified. By which SO2 concentrations from 1996 to 2000were also calculated and compared with the monitoring data, it is found that the model is suitable for the actual conditions of the test zone.Based on which, SO2concentrations in this area were forecasted. Keywords pollution sources of coal utilization, SO2pollution, diffusing model of atmosphere pollution and prediction of atmosphere pollution MODEL DEVELOPMENT AND IDENTIFICATION OF RAPID FILTRATION PROCESSES Tong Qingyuan et al 67 Abstract This paper is part of a national framework for systematically assessing water safety risks, yet with focus only on the simulation of the rapid filtration process. The filtration process is described by a dynamic and conceptual model, represented by partial differential equations, and the simulated components include CODMn, NH3-N,turbidity and microorganisms.The simulated sub -processes included diffusion, biodegradation, sediment, adsorption, desorption and backwash. The model is calibrated by a set of field data from a large waterworks in the south of China,where contamination of drinking water resources is notable. The results reveal that the model fits the observed data quite well and is satisfactory for its future application. Keywords simulation, rapid filtration process, CODMn, turbidity and NH3-N A NEW BIOLOGICAL PROCESSSTUDY ON NITROGEN REMOVAL MECHANISM OF BI- CYCLIC TWO-PHASE BICT PROCESSPan Yang et al 69 Abstract Under the operational condition, synthetic wastewater was used in the experiments to investigate the perance of nitrogen removal by the BICT of the reactor. The results of the experimental study can be concluded as follows. The nitrogen removal mechanism of BICTP is sequential nitrification and denitrification. A separte attached-growth reactor was adopted to enhance the function of nitrification and increase the efficiency and the stability of nitrogen removal process. Under suitable conditions, the removal rate of TN total nitrogencan reachover 80, and the effluent concentration of TN can be controlled below 15 mg L. Keywords activated sludge, nitrification, denitrification and nitrogen removal NUMERICAL SIMULATIONANDCOAGULATIONEFFICIENCYOFFLOWFIELDFOR RECIPROCATING BAFFLED FLOCCULATION TANKZhuJiaolin et al 72 Abstract In this paper, the numerical simulation is applied to the flow field for a reciprocating baffled flocculation tank. Based on the characteristic of flocculation tank an analysis of the influence of the flow field on flocculation is carried out. The conclusion indicates the optimum value of A1 A2is from 1. 2 to 1. 5,where A1is the area of the wetted cross-section in the corner and A2is the area of the wetted cross -section in the gallery. The coagulation efficiency in the tank is relatively perfect if designed it according to the optimum value of A1 A2. Keywords reciprocating baffled flocculation, flow field, A1 A2andANSYS SYNTHESIS OF CIRCULATING COOLING WATER TREATMENT AGENT FIT FOR FRIENDLY ENVIRONMENTZhang Yanhe et al 75 Abstract A newly biodegradable copolymer was synthesized by aconitic acid and a small quantity of acrylic acid, and citric acid was 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23, No. 2,Apr. ,2005