基于不同粒径的Pista沉砂池ISS去除效果数值模拟

基于不同粒径的Pista沉砂池ISS去除效果数值模拟
废水处理单元构筑物(设备)及其操作运行过程机制的明确,对提升污染物的去除效能具有显著实际意义。

沉砂池是城镇污水处理流程中以去除无机悬浮固体(Inorganic suspended solids,ISS))为主要功能的预处理构筑物,无机悬浮颗粒的高效去除是维持生化单元污泥活性与剩余污泥资源化处理的关键环节。

旋流沉砂池是预处理单元普遍采用的池型,作为国外引进的专利技术,其关键参数未有公开,加之我国城镇污水处理厂进水中无机颗粒细微,与设计规范或手册内容相差甚远,导致旋流沉砂池对ISS的总体去除能力极低,城镇污水处理厂生化单元普遍淤沙严重,设备运行效率低下。

因此,针对城镇污水中无机砂的粒度特征,探讨旋流沉砂池的的除砂过程机制,对单元设备开发、工程设计以及构筑物的科学运行管理具有重要意义。

本论文采用数值模拟与物理模型实验相结合的研究方法,针对不同粒径分级ISS特性,基于湍流模型的优选,进行了旋流(Pista)沉砂池流态特征、ISS去除效能影响因素的数值模拟研究,运用回归正交方法得出了ISS去除效率与各影响因素的数学关系,进而确定Pista沉砂池最佳运行参数条件。

本论文的主要研究内容与结论如下:(1)基于《给水排水设计手册5——城镇排水》(《城镇排水》)中Ⅱ型旋流式沉砂池(12),根据流动相似原则,构建了Pista沉砂池的数值模拟几何模型,同时设计了验证实验物理模型。

(2)基于欧拉-拉格朗日方法模拟Pista沉砂池内的固液两相流动,粒子相采用非稳态离散相模型(UnSteady Discrete Model),流体相则通过采用RNG k-ε模型(RNG模型)、Realizable k-ε模型(Real模型)、SST k-ω模型(SST模型)与验证实验对比进行优选。

结果表明:1)ISS粒径小于200μm,RNG模型能够更好
地匹配验证实验结果,ISS粒径d<100μm、100μm≤d≤200μm的平均误差分别为7.10%、6.87%;ISS粒径大于200μm,Real模型与验证实验的平均误差最小(4.16%)。

2)不同粒径分级ISS在沉砂池中呈现推移质或悬移质运动特征,是导致ISS
去除效率差异的重要原因。

3)三种湍流模型条件下,Pista沉砂池内压力梯度与
湍流强度分布的差异明显,不同粒径无机颗粒对压力差产生的扰动效应响应各异,对模拟结果的可靠性与精度具有不同程度影响。

(3)根据湍流模型优选研究结果,针对不同粒径ISS,分别采用RNG模型、Real 模型进行Pista沉砂池去除效能的单因素影响分析,探讨水力停留时间、搅拌桨转速、搅拌桨倾角以及搅拌桨距池底高度对不同粒径范围ISS去除效果的影响。

研究表明:1)实验条件下的各单因素试验中,Pista沉砂池中各粒径分级ISS去除率最大时,水力停留时间为30s,搅拌桨转速为25r/min(d<100μm)、
20r/min(100μm≤d≤200μm)、15r/min(d>200μm),搅拌桨倾角为60°,搅
拌桨高度为60mm;2)确定回归正交试验各因素的取值范围如下:水力停留时间为
20s~50s、搅拌桨转速为10r/min~30r/min、搅拌桨倾角为45°~75°、搅拌桨距池底高度为40mm~80mm。

(4)结合单因素试验结果,进行了四个因素的回归正交分析,通过数值模拟,
获得不同粒径分级条件下,ISS去除率与因素之间的回归方程,ISS最佳去除率的适宜运行参数如下:1)粒径d<100μm时,运行参数为35s、30r/min、60°、
60mm,ISS理论最佳去除率为16.57%;2)100μm≤粒径d≤200μm时,运行参数为27.5s、20r/min、60°、60mm时,ISS理论最佳去除率为84.26%;3)粒径d>200μm时,运行参数为27.5s、15r/min、60°、60mm时,ISS理论最佳去除率为96.99%。

(5)不同粒径分级ISS去除效能的研究结果中,单因素试验与回归正交试验各因素取值存在差异。

说明水力停留时间、搅拌桨转速、搅拌桨倾角、搅拌桨距池底高度等,对Pista沉砂池ISS去除率的影响存在关联交互作用。

我国城镇污水处理厂进水中ISS粒径分布、ISS浓度各异且无机颗粒粒径细微,加上城镇污水处理工艺中旋流沉砂池设计参数欠明确,导致旋流沉砂池ISS去除率较为低下。

本论文创新性通过对比验证不同湍流模型的模拟结果与验证实验结果,选取不同粒径范围的最适湍流模型,在此基础上进行单因素试验确定正交试验各因素的范围,进而获得特定ISS粒径下的回归方程、最优工况。

此研究方法对旋流沉砂池优化设计、构型研发与运行管理具有良好的理论与实际意义。