Page 179 - 《环境工程技术学报》2022年第5期

第 5 期 李自改等：污水处理厂二沉池数值模型研究进展 · 1535 ·

二沉池是污水生物处理工艺中最后一个环节， 固相处理方法的不同，又分为欧拉-欧拉（E-E）模型、
其处理效果决定着整个工艺的出水水质，现有二沉 欧 拉- 拉 格 朗 日 （E-L ） 模 型 、VO F 模 型 和 混 合
池的运行与操作往往通过经验进行管理，相对比较 （Mixture）模型等。
粗糙。二沉池由于操作简单、运行成本低等显著优 1.1 单相模型
点被广泛应用于污水处理厂固液分离，在二沉池泥 将污泥和水看成拟单相流体，可极大地降低模
水混合物固液分离过程中，由于液态水与污泥颗粒 型对计算资源的要求，有利 于 CF 模型在学术研究
D
之间存在密度差，污泥在重力作用下不断下沉分 上进行推广利用。因此，单相模型是早期应用较为
离。计算流体动力学（computational fluid dynamic， 广泛的方法，该模型计算方法通过耦合单独的污泥
CFD）是流体力学的一个分支，随着许多商 用 CF 软 输运方程 ，同时还需要包括密度状态和污泥沉降速
[4]
D
件（ 如 Fluent、CFX、FLOW-3D、PHOENICS、STAR- 度 [5-6 ] 相关的附加方程。
CD、XFLOW、COSMOL、OPENFOA M 等）的出现， 污泥输运方程：
( )
− →
近年来，CF D 模型模拟开始用于二沉池流体动力学 ∂C ∂ρ u i +v s C ∂ ( ν t ∂C )
理论研究、内部结构的优化等方面，数值模型模拟方 ∂t + ∂x i = ρ ∂x i σ c ∂x i （1）
法已成为研究二沉池流场特性、固相颗粒分布和运 式中： 为污泥浓度，mg/L； 为时间，s； − →
u i 为水流运动
C
t
行参数优化的有力工具。例如，有研究者把污泥和 产生的向上速度，m/s； x i 为 t 时刻 在 i 层测得的污泥
水看作拟单相流体建立单相模型；也有其他研究者 浓度，mg/L； v s为污泥沉降速度，m/s； ρ为固-液混合物
将污泥和水看成单独的两相，通过两相流的方法建 密度，kg/m ； v t 为t时刻污泥沉降速度,m/s。
3
立多相流模型，如欧拉-欧拉模型、欧拉-拉格朗日模 其中密度状态方程:
型、VO 模型和混合模型等。由于大多数环保工作 ( ρ r )
F
ρ = ρ r +C 1− （2）
者对计算流体力学模型并不熟悉，在实际研究和应 ρ p
3
用过程中存在较多复杂的影响因素，极大地限制 了 CFD 式中： ρ 为参考密度（清水），kg/m ； ρ 为颗粒密度，
p
r
3
在实际污水处理厂中的应用。因此，系统地对现有 kg/m 。
]
[7
n
污水处理厂二沉池数值模型进行梳理、归纳和总结， Wicklei 等 定量比较了单相模型与混合多相
对 CF D 在二沉池实际设计和运行管理中的应用推 模型在辐流式二沉池中的预测精度，结果表明，多相
广尤为重要。 模型虽然可以通过定义模型和固体颗粒属性模拟污
污泥混合液属于非牛顿流体，受流变性质影响， 泥的沉降，但是在沉降过程中固体颗粒尺寸和浓度
流体动力学信息处于瞬态变化的过程，所以关于二 发生变化，输入单一的颗粒尺寸计算精度较低，单相
沉池流场数值模拟较为复杂。影响二沉池运行效果 模型在预测二沉池中的污泥浓度分布方面优于多相
的因素有很多，如池体结构、二沉池运行参数、二沉 模型。
池运行的环境温度、表面气流风速 [1-2 ] 以及活性污泥 1.2 多相模型
的自身理化性质等 ，因此有必要对影响模型模拟结 实际上二沉池中的污泥沉降过程是一个典型多
[3]
果的因素进行归纳和论述。针对上述问题，笔者主 相问题，对污泥沉降过程的数值模拟依赖于对污泥
要分析了二沉池不同数学模型的原理、适用性和优 输运现象和相间相互作用特征的准确描述， 表 1 总
缺点，概述了现有二沉池沉降速度模型的研究现状， 结了用于二沉池建模多相模型原理的概述及其在二
并对影响二沉池精确模拟的设计变量和环境等因素 沉池中的应用。
进行了讨论，最后指出不同数值模型在二沉池应用 Karpinsk 等 [10 ] 指出，E- 模型是计算工作量最
a
L
中的不足，并对未来的研究方向进行展望，以期为污 大的多相模型，E- 模型不能准确地描述二沉池中的
L
水处理厂二沉池的运行管理、设计和优化提供理论 固相分布，这也是它较少用于二沉池流场研究的重
参考。 要因素 [11] ；Mixtur 模型是一种简化的多相模型，对
e
复杂混合流体仅使用一个动量方程，不考虑两相的
1 二沉池 的 CF 数学模型
D
相间关系，采用代数方程求解两相之间的滑移速度
根据模型对固相污泥和液相水处理方法的不 来描述离散相。通常把二沉池内流场看作固-液两相
同，二沉池 的 CF D 模型可分为单相模型和多相模 流动，水流当作连续相，污泥颗粒为离散相；VO 模
F
型。单相模型将污泥和水看做拟单相流体，多相模 型旨在追踪多相流体之间自由表面的位置和运动，
型将污泥和水分别看成固-液两相。多相模型根据对 该模型可用于模拟分层与自由表面流动、填充、晃