分析废水污染物在二次沉淀池中的去除过程

Thomas Forrister 2018年 4月 24日

污水中通常含有不可生物降解,甚至是有毒的有机和无机物质。为了实现废水再循环,污水处理厂利用物理法、化学法和生物法来去除这些污染物。沉淀池通过沉淀过程来分离颗粒物,借此实现污水处理,但它的澄清效果会受诸如沉降、湍流、颗粒外表面与质量比值、流动方向突然变化以及速度分布等因素的影响。为了设计有效的污水处理沉淀池,工程师可以使用流体流动仿真。

从国会立法到污水处理厂,全面保障水资源可持续性

气候变化越来越受到大众的关注,水的保护和再利用一直是相关的热门议题。美国环保署曾发布水资源管理的最佳实践指南,各国正在通过立法保证循环用水更加安全。美国国会于 2015 年签署了“无微珠水域法案”(加拿大,新西兰和英国很快效仿),禁止生产和销售含有微珠的清洁护肤品。常出现在磨砂沐浴啫喱中的塑料微珠属于不可生物降解物质,它们会通过排水管流入污水中。

A photo of various kinds of microbeads, a wastewater contaminant, scattered on a surface.
2015 年美国禁用法案生效之前,沐浴产品中常出现的微珠和其他微塑料。图片来源于美国俄勒冈州立大学。获得 CC BY-SA 2.0 许可,通过 Flickr Creative Commons 分享。

即使采取措施禁止排放有害污染物,处理厂仍然需要依靠物理、化学和生物过程来清洁污水。负责污水处理和污染物去除工艺的工程师可以使用仿真来研究和设计沉淀池。

污水处理过程是如何运作的?

污水处理涉及两个主要阶段:

  1. 物理方法,例如利用沉淀池将固体与油同水分离
  2. 污染物细菌降解,例如化学氧化法,这是一种先进的曝气技术

作为基本处理方法,沉淀池依赖于利用重力从水中去除悬浮固体的沉降过程。污水的物理处理通过沉淀去除固体颗粒,辅以絮凝和过滤。凝结剂可以促进絮凝,使非常小的颗粒聚集形成絮团。之后再次通过沉淀去除这些絮凝物。

二次圆形沉淀池的特写图。
二次圆形沉淀池的特写图。图片来自 Annabel。获得 CC BY-SA 3.0 许可,通过 Wikimedia Commons 分享。

在沉淀过程中,絮团在重力作用下沉入沉淀池底部。但是沉淀池设计还应该考虑许多其他发挥作用的因素。

进水井位于沉淀池正中间,其入口位于井底。入口喷出污水后,体积大而质量重的颗粒几乎立刻落在沉淀池的中心区域,这是因为它们的质量与外表面的比值很大。体积小而质量重的颗粒(这些颗粒不足以形成絮团)随主要水流移动,直到流动方向发生急剧变化。举例来说,如果沉淀池的水流主方向从向下变成向上,较重的颗粒将继续下降并集聚在沉淀池底部,然后缓慢地通过排污口排出。澄清的水则从外围出口排出。

湍流可以阻止絮凝物的形成,还会冲散在向池底沉降的过程中形成的絮凝物,导致很小的颗粒随水流通过外围出口排出。由于湍流迅速地将微小颗粒从水池中心输送到边缘,颗粒根本就来不及沉淀(或者形成絮凝物后沉降)。为了避免混入颗粒,所以常规沉淀池的外围出口非常大。半径越大,流速明显降低,湍流和湍流混合也随之减少,通过沉淀池出口的每条水流可以停留更长时间(为颗粒提供充足的沉降时间)。

二次沉淀池模型的三维计算模型。
二次沉淀池模型的三维视图。蓝色流线表示澄清水可能流经的路径,深黄色流线表示分散固相的路径,它由体积小、质量重的颗粒组成。水流裹挟颗粒向前运动,但水流向上急转后,较大的密度迫使质量重的颗粒从池底流向排污口。

通过使用 COMSOL Multiphysics® 软件附加的“CFD 模块”对圆形二次沉淀池进行建模,我们可以研究不同因素如何影响废水污染物的去除过程。

使用 COMSOL Multiphysics® 对二次沉淀池中的流动建模

二次沉淀池的模型几何的直径为 24 m,深度在 3.3~4 m 之间。由于模型呈轴对称,我们可以将三维几何模型简化为二维轴对称模型(见下图)。如下图所示,入口位于沉淀池中心的进水井底部。固体与水的混合物通过入口以喷射的形式进入沉淀池。池内有两个出口:底部的污泥出口和供澄清水流出的外围出口。因为流速非常缓慢,我们可以假设水面为水平平面。

带标注的二次沉淀池模型二维图。
二维圆形沉淀池的几何形状。

我们假设包括絮凝物在内,颗粒均为球形,大小相同,且形成了所谓的分散相。我们将 k-ε 湍流模型与两相流混合物模型结合使用,后者使用重力作为体积力。初始条件是整个沉淀池的速度、相对压力和固相体积分数均为零。

边界条件设定如下:

  • 入口:
    • 速度为 1.25 m/s
    • 分散相体积分数:0.003
    • 湍流强度:5%
    • 长度尺度:0.07*rin(其中 rin = 0.2,表示入口的半径)
  • 污泥出口处的速度为 0.05 m/s
  • 外围出口的相对压力为零
  • 对自由表面设置“滑移”条件
  • 对壁设置“无滑移”条件
  • 对称轴处采用“轴对称”边界条件

评估仿真结果

12 小时之后,沉淀池中的水流达到稳定状态。下图表明如预期所料,底部的分散相体积分数更高,但是湍流混合可以推动颗粒扩散,促使形成平滑的体积分数分布。此外,我们可以看到,距离中心越远,混合程度越低,分散相体积分数的分布也更加清晰,这是因为当混合物离入口越来越远时,流速会降低,湍流也因此减少。

在外围出口(下图右上方),颗粒和絮凝物充分沉淀,我们得到了澄清的出水(澄清水)。值得注意的是,在整个沉淀池中,分散相(颗粒和絮凝物)的最大体积分数小于 1%,这证明了混合物模型的准确性。

污水澄清池二维模型显示了12 小时后的混合物速度和固相体积分数。
12 小时后的混合物速度流线和固相体积分数。

入口、外围出口和污泥出口处的分散相质量流率如下图所示。根据这些结果,我们可以计算出颗粒去除率。计算结果表明,沉淀池每秒去除 0.52 – 0.10 = 0.42 kg 的固体颗粒。因此,二次沉淀池的分离效率为 81%。

一维绘图展示了沉淀池各个位置的分散相质量流率。
入口(蓝色)、外围出口(绿色)和中心出口(红色)处的分散相质量流率。

最后,我们将研究 12 小时后分散相的体积分数,以及分散相与连续相的流线。可以看到,当流动到达沉淀池的外壁后,分散相的流线大幅下滑,而连续相(水)则朝向周边出口大幅上升。

靠近表面有两个大片再循环区。第一个区域靠近入口射流上方的中心。第二个是由于混合物沉降到第一个区域的边缘底部,澄清水向沉淀池外围出口移动而形成的。分散相主要沿层第二个再循环区的下层路径运动,而且在第二个再循环区内与流向表面的流线分离。

沉淀池三维模型展示了再循环区。
旋转生成的三维速度场绘图,其中切面处的蓝色和白色线条分别表示分散相和连续相的流线。

我们还可以通过下列方式轻松修改二级沉淀池模型,从而进行更高级的分析:

  • 在几何结构中增加挡板
  • 改变入口和出口速度
  • 增加污泥的分散相体积分数
  • 改变分散颗粒的密度和大小

后续操作

您可以点击下方按钮,动手尝试二次沉淀池建模。您将跳转至“案例下载”页面,如果您拥有 COMSOL Access 帐户和有效的软件许可证,则可以下载 MPH 文件。

延伸阅读

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