沉淀池固液两相流数值模拟

在实际工程应用中，沉淀池内的流体是水和活性污泥的混合物，活性污泥随污水在池内流动并伴随着沉淀，属于固－液耦合的复杂两相流。而在以往沉淀池的模型实验中，常常用示踪剂来代替活性污泥，或者在实验室中利用烧杯来研究活性污泥的沉淀过程，这样必然与工程实际有所出入。为了与实际的沉淀池的运行情况更为吻合，现对一实际平流式沉淀池进行固液两项流模拟。

9.5.1 模型假设

在沉淀池模拟中，由于池内流态复杂，影响因素众多，为研究方便，对沉淀池进行了简化处理。主要采用以下几点假设：①在初始时刻，沉淀池内部充满清水，活性污泥浓度为零；②不考虑沉淀池内生物化学反应对流场的影响；③沉淀池底部污泥通过静水压力排出；④活性污泥的重力沉降速率与悬浮物颗粒浓度无关；⑤对整个研究系统不考虑进水温度的变化，以及外界的温度、风力等影响；⑥不考虑机械排泥时对沉淀池内部流场和浓度场的影响。

9.5.2 模型尺寸

该平流式沉淀池的具体尺寸如图9－25所示。沉淀池总长25.5m，有效水深为3.5m，入口宽度为0.5m，清水出口宽度为0.3m，泥斗深3m、宽4m，池底坡度为0.02，挡板布置在距进水口0.5m处，挡板淹没深度为1m。为了和实际情况相符，在污泥斗底设置排泥口，靠静水压力法排泥。

图9－25 计算区域图

9.5.3 网格划分

利用Gambit软件对该沉淀池模型进行网格划分，采用非结构网格进行划分，比较多种网格布置方案后，最终选取其中一套最优方案作为计算网格，最终得到8280个节点和16040个三角形单元体。具体网格划分如图9－26所示。

图9－26 网格图

9.5.4 边界条件

1）进口边界：进水口采用速度进口边界条件，进口流速为0.025m／s，入流污水悬浮物质量浓度为3450mg／L。紊动能k与耗散率ε由以下公式求出：

式中：α和Cμ为经验系数，分别为α＝0.02，Cμ＝0.09；lin为混合长度，lin＝Cμ（0.5hin）；hin为进水口高度。

2）出水口和出泥口边界：均采用自由出流。

3）固体壁面：在流体近壁区域采用标准的壁面函数法处理。

4）自由液面：假设自由液面是水平的。根据刚盖假定，自由液面上的流速、紊动动能、紊动动能耗散率和固相体积分数的法向梯度为零，因此将自由液面近似为对称平面处理，采用对称边界条件。

9.5.5 模拟结果分析

监测清水出口和排泥口的污泥平均体积浓度，当两出口浓度不再随时间变化时，检查进、出口的流量，进、出口流量差值为4.9591×10－6kg／s，小于进口流量的0.02％，此时可近似认为已达到流量平衡，沉淀池的流场已达到稳态。

为直观地反映沉淀池内的流场分布规律，现提取流线图和流速矢量图（见图9－27和图9－28）。可以看出：达到稳态后，沉淀池内的流态比较复杂，在挡板附近、污泥斗内及沉淀池底部存在数个形态各异的漩涡。进口处和挡板附近流速较大，但在水流绕过挡板后流速迅速减小，在沉淀区流速分布较为均匀。池底污泥沿底坡向污泥斗运动。

图9－27 流线图

图9－28 流场图

为直观地反映沉淀池内的紊动规律，现提紊动动能图和紊动动能耗散率图（见图9－29和图9－30）。可以看出：在沉淀池内泥斗底部和出口处紊动动能较大，而在其他区域紊动动能较小，可以忽略不计，紊动动能耗散率只是在泥斗底部很小的一部分区域有分布。

图9－29 紊动动能图

图9－30 紊动动能耗散率图

为更好地描述沉淀池内的流场状态，我们对各个断面的水平流速和垂直流速进行了定量分析，现选取距进水口距离为0.2m，4m，10m，15m，20m，24m处的断面水平速度分布图和垂向速度分布图，详见图9－31和图9－32所示。

从图9－31可以看出，进口和挡板附近的水平流速分布很不均匀。0.2m断面上部流速较大，向下流速正负交替，在底部流速基本为零。4m断面由于挡板的作用，上部水平流速几乎为零，向下流速分布规律与0.2m处基本相同。在沉淀区，水平流速存在着明显的正负交替，这说明在沉淀池底部存在回流区，且越靠近出水口，上部清水的水平流速越大，底部回流区的水平流速较小。

图9－31 不同断面水平速度分布图

从图9－32可以看出：在所有的断面垂向流速分布中，除0.2m断面外，其他断面的垂向流速都很小，上部的沉速基本为零（因为此区域为沉淀池的清水区）。清水区以下垂向流速分布规律性不强，在靠近池底50cm的区域，垂向流速迅速减小至零。

图9－32 不同断面垂向速度分布图

初始状态下，假设沉淀池内充满清水，当污水进入沉淀池后，被清水稀释，同时活性污泥在池中沉降，沉淀池内不同时刻污泥体积浓度分布变化如图9－33所示。可以看出，污水在水平进入池内后，由于密度大于清水以及挡板的作用，向下流动进入泥斗，随后沿池底斜坡向清水出口流动，在流动的过程中伴随着扩散和沉降。图中不同颜色表示不同的活性污泥浓度。池内活性污泥浓度随着运行时间而增大，越靠近池底，活性污泥浓度越大。在运行一定时间后，在池底有一层污泥浓度较大部分，这是压缩沉降所产生的压缩层。待运行至稳态时，清水区和沉淀区有明显的分界线。

图9－33 不同时刻污泥的相位分布图

当计算达到稳态后，为了更加详细地描述沉淀池内的浓度分布，我们对沉淀池内不同位置的断面浓度分布进行了考察。由于挡板与进水口间距为1m，在挡板左右各取一个截面，在清水出口前取一截面，其余截面均匀分布，分别选取距进水口距离为0.2m，4m，10m，15m，20m， 24m的位置。各个断面的垂向浓度如图9－34所示。

图9－34 不同断面污泥的浓度分布图

通过对图9－34中各个断面垂向浓度分布进行分析可知，除0.2m断面外，其余断面自液面向下约0.5m的区域活性污泥浓度为零，然后向下，活性污泥浓度迅速增大。这说明该区域为清水区，且清水区与沉淀区有明显的分界面。在此界面以下，有一段区域活性污泥浓度沿垂向变化剧烈，这一区域可以看作是凝絮区，因此浓度变化较大。随后曲线近乎垂直，活性污泥浓度基本保持不变，对应沉淀池理论，该区域属于成层沉淀区。在最底层约20cm的区域，活性污泥浓度迅速增大。这是由于颗粒集合成团块，颗粒间相互接触、互相支撑，在重力的作用下颗粒间的间隙水被挤出，使污泥被压缩，且越向下密度越大。

图9－34中显示曲线有3个明显的拐点，分别对应清水区、凝絮沉淀区、成层沉淀区、污泥区之间的分界面。这与沉淀池理论吻合良好。