小红门污水处理厂二沉池改造

1、计算流体动力学在污水厂二沉池改造中的应用刘培勇1郝二成2张晓红2周军2甘一萍2（1.厦门中联环环保工程有限公司，厦门，361004）（2.北京城市排水集团有限责任公司科技研发中心，北京，100124） 绪论随着生活水平的提高，污水水量在日益增加，许多污水处理厂的负荷已经超 出了设计标准，给污水处理厂的运行带来了困难。一般在设计时，预处理构筑物 的设计均考虑了安全系数1.3,因此在水量增大时其运行不会受到严重影响。但 生物处理以及二沉池均按设计流量进行设计，水力负荷的加大势必会给运行带来 不良影响，生物处理段的运行可以提高MLSS来应对水力负荷的提高，这样相 当于给二沉池增加了固体负荷。因此，为

2、了应对水力负荷的增加，可以相应提高 二沉池的水力和固体负荷，保证出水水质稳定达标。二沉池的主要作用为澄清和 浓缩，澄清即保证出水SS稳定达标；浓缩是为了提高回流污泥浓度，保证生物 反应器的污泥浓度。为了改善二沉池的这两种作用，在中国北方某污水厂开展了 本项研究。1.计算流体动力学在二沉池中的应用1.1计算流体动力学简介计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是流体力学的一 个分支，它通过计算机模拟获得流体在特定条件下的相关信息，实现了用计算机 代替试验装置完成“计算试验”，为工程技术人员提供了实际工况模拟仿真的操作 平台，已广泛应用于航空航天、热能

3、动力、汽车工程、化学工程、流体机械、环 境工程等。为了完成CFD计算，过去用户多是自己编写计算程序，自1981年以来，出 现了如 PHOENICS、STAR-CD、FIDIP、FLUENT 等过个商用 CFD 软件，这些 软件的显著特点是：功能比较全面，适用性强；具有比较易用的前后处理系统； 具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高；可在多种计算机、多种操作系 统，包括并行环境下运行。随着计算机技术的快速发展，这些商用软件在工程界 发挥着越来越大的作用。其中FLUENT软件应用最为广泛。Fluent是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。Fluent软件分为三部分：前处理模块

4、、解算模块和后处理模块。前处理模块有专 门的建模及网格划分软件Gambit，它提供流体区域内面、体的网格划分和边界 条件类型的设置。Fluent解算模块有许多模型可以选择。Fluent的后处理模块， 可以给出所有迭代变量，如速度、压力、温度、体积浓度场等各种可视图来分析 处理。Fluent具有较强的计算通用性与丰富的显示功能，可以灵活方便地用来模拟 污水处理厂的沉淀池。利用Fluent软件的各种强大功能，就可以不必花费太多的 精力去编制这类程序而将重点放在针对沉淀池的优化上面来。可以说，利用现成 的商业软件进行数值模拟在工程应用领域具有很好的发展前景，它将成为越来越 多研究者解决实际工程问题的

5、一个有效手段。1.2计算流体动力学在二沉池中的应用目前，国内有部分研究人员已经成功利用FLUENT对二沉池进行模拟，但 利用模拟对实际运行二沉池进行改造在国内少有报道。郑迪和王涛等人用Fluent 软件对平流式二沉池内的流态进行模拟，分析在各种情况下的流态，说明现有平 流式二沉池内水流流态不理想。提出改善流态的关键装置一一月牙形导流板。通 过模拟得出：在进水挡板下适当位置加设月牙形导流板能够较好地改善流态，改 善后的流态与“理想沉淀池呻提到的流态较为吻合。肖尧等以FLUENT为工具， 用用欧拉一拉格朗日和欧拉一欧拉方法对辐流式二沉池的流态，尤其是固相行为 和分布进行了模拟研究。结果表明，固相颗

6、粒在二沉池中的行为和分布受颗粒的 粒径、密度等自身属性以及漩涡等特殊流动现象的影响，呈现出不同于理想沉降 理论的轨迹；颗粒粒径及密度越小，颗粒则越易受漩涡等的影响，沉淀池的泥水 分离效果也就越差。2.二沉池改造2.1改造的必要性示范研究的污水处理厂自运行以来，一直面临着进水水量和水质超负荷的困 境。另外，由于水温的变化，以及污泥沉降性能的改变（SVI最高能到350mL/g）， 每年二沉池有一段时期泥位非常高，面临膨胀的危险，因此有必要对其进行优化 研究。2.2二沉池改造1）方案比选影响二沉池沉淀效果的因素包括：运行条件，如进泥水力负荷、固体负荷等; 污泥沉降性能，其主要取决于进水水质、水温、反

7、应池DO、工艺运行泥龄以及 生物反应过程等；水力条件，如进水导流筒的设置、水力挡板的设置等。运行条 件及污泥沉降性能在运行中可以进行优化，但随着水力负荷的增加，其优化能力 已不能解决问题，此时只能依靠改善池内水力条件来进行优化。水力条件中导流 筒的设置高度及直径对二沉池也有影响，但根据目前的设置其改善的空间很小， 因此研究主要考虑增加水力挡板。2）水力模拟该污水厂二沉池为中心进水、周边出水辐流式沉淀池，出水槽为双边堰出水， 池中安装全桥式刮吸泥机。二沉池设计平均流量为37500m3/d，沉淀池直径为55 米，池边水深为4.5米，平均表面负荷为0.658 m3/m2 h。沉淀池采用双侧出水堰，

8、单体堰为90三角堰。辐流式沉淀池的池体结构属于中心对称结构，其内部水流流动是三维的。由 于模拟更多的是考虑垂直截面速度对悬浮物的影响，因此可将辐流式沉淀池简化 成二维轴对称模型进行计算；进水从中心筒流出，按照导流筒的方向流入池中， 因此，简化的模型左端从中心筒边壁开始；由于从曝气池进入二沉池的活性污泥 的含水率大于99%，因此污泥与水有很好的跟随性，二者可看成进水速度相同的 二相流处理。由于本研究主要是针对污泥沉降及流态研究时为保证二沉池的轴对 称性且避免额外的计算，模拟时忽略刮吸泥机的作用。二沉池简化情况见图1 的网格图。图1二沉池网格图二沉池内水流速度通常很慢，但由于体积大，水力半径很大，

9、池内水流处于 湍流（紊流）状态。由于模型本身并不复杂，因此采用具有稳定性、经济性和计算精度比较高的标准k8模型作为湍流模型。将活性污泥设为污水和颗粒两相， 分别进行模拟。求解器采用二维非耦合求解，算法为隐式算法。本研究计算的问 题要求考虑重力影响，因此在运行条件中设置重力加速度为9.81m/s2。模拟结果见图2和图3。136e-0：58.89e-038.42c-037.964-037.494-037.02.1-036.55e-036.08c-035.624-035.15c-034-.6；5e-i：i：54.21e-033.744-033.24-032.81.-032.34.C-031.8?c-

10、031.404-03K36c-：44-.6i5e-O4-O.OOc+OO9.36e-038.89t-038.42e-037.96e-037.49(-037.02t-036.5 知 036.i：i：3t-035.63-2-O：35.15c-03*.66c-034.21C-033.7+4-033.28t-033.314-033.34-031.87-i-：51.4-0e-039.364-044-.6E：u-O4-0.00i+00图2未加水力挡板模拟的颗粒百分比分布图3加水力挡板后模拟的颗粒百分比分布对比图2和图3,可知增加水力挡板后澄清效果变好，因此决定在池壁增加 水力挡板以改善二沉池沉淀效率。3）

11、施工方案及改造由于二沉池池壁为无粘结预应力混凝土结构，不能直接在池壁上进行打孔安 装。技术方案制定后，经过仔细研究对比各种施工方案，最后确定采施工方案。 施工方案确定后，在直径55米的二沉池进行了施工改造。3.3改造效果改造完成后，检测出水SS、回流污泥MLSS以及二沉池内的透明度等。未 改造池的透明度平均为2m，改造池平均2.5m，透明度提高了 0.5m。改造池与一未改造池出水SS数据对比见图4，回流污泥MLSS对比见图5。改造池出水SS未改造池出水SS16.0014.0012.0010.008.006.004.002.000.001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

12、14 15 16 17 18 19 20 21 22 23图4 出水SS对比1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 改造池回流污泥MLSS未改造池回流污泥MLSS9500900085008000750070006500图5回流污泥MLSS对比以上数据是在二沉池进泥MLSS平均为3600mg/L, SVI平均为160mL/g工 况下的检测数据。其中，改造池出水SS比未改造池平均减少了 1.5mg/L,未改 造池出水SS平均为11.35 mg/L，改造池出水平均为9.83mg/L；改造池回流污泥 MLSS比未改造池平均升高了 241mg/L，证明安装水力挡板也有助于污泥浓缩。 4.小结由于污水厂面临进水水质和水量双重超负荷的困境，因此决定对