Page 180 - 《环境工程技术学报》2022年第5期

· 1536 · 环境工程技术学报 第 12 卷

表 1 二沉池建模多相模型概述
Table 1 Overview of the multiphase model for modelling secondary sedimentation tanks
模型 原理 计算方法 优缺点
通过欧拉方法处理液相，拉
E-L模型 格朗日方法标记并追踪固 用NS方程求解液相，计算NS方程和牛顿第二定 没有考虑悬浮物（SS）颗粒间的相互作用，追踪大
律方程中的动量传递项
量颗粒的计算成本较高
体颗粒
连续相和离散相均采用NS方程求解，两相的方程 计算工作量大，只能考虑有限数量且尺寸较小的
两相被当作单独的流体介
E-E模型 由相体积分数耦合，且考虑两相的质量、动量、能 颗粒；界面力通常是非线性的，因此有时迭代收
质处理
量交换 敛会很困难 [8]
对复杂混合流体仅使用一个动量方程，不考虑多 二沉池污泥沉降过程建模中未考虑存在大量粒
Mixture模型 两相被当作单相处理 相模型中的相间关系，采用代数方程求解两相之 径相差较大的固体颗粒，并且颗粒形状随着在二
间的滑移速度来描述离散相 沉池流动过程中发生变化 [9]
通过连续性方程跟踪相间界面，并定义单相区
两相被当作单独的流体介
VOF模型 域。对于每个域，求解一组带有动量交换项的特 在研究二沉池上方风场的影响方面具有优势
质处理，相间界面被追踪
定相位NS方程
动和大气泡运动，二沉池表面与上方风场交界面为 中 的 污 泥 层 高 度 (SBH) 。 其 中 以 早 期 Vesilind [5]
自由表面，VO 模型多应用于地面风对二沉池流场 提出的单指数模型最为典型，该模型在低浓度下偏
F
影响的研究。 差较大，具体如式（3）所示：
v s = v 0 e −aC （3）
2 污泥沉降过程中速度及浓度场分布
式中： v 0 为最大理论沉降速率，m/h；a 为指数模型
根据二沉池中污泥絮体颗粒的浓度、性质及其 参数。
絮凝性能的不同，沉淀可分为自由沉淀、絮凝沉淀、 为了克服低浓度造成的模拟偏差，Takác 等 [6]
s
成层沉淀和压缩沉 淀 4 种类型。固体通量理论由 提出了双指数修正模型，如式（4）所示：
Kync 在 195 年提出 [12] ，该理论利用污泥浓度来描 ( ( ′ [ −r h (C−f ns x a ) −r p (C−f ns x a ) ]))
2
h
v s = max 0,min v ，v 0 e −e （4）
0
述污泥运动（沉降速度），认为污泥沉降速度是其浓
式中： v 为最大实际沉降速率，m/h； 、 为沉淀参
′
度的函数 [13-14] （ 图 1）。随着二沉池中污泥浓度的增 0 r h r p
数，m /g； f ns 为进水污泥中的不可沉降参数； 为进水
3
加，污泥沉降逐渐从自由沉淀过渡到压缩沉淀，对于 x a
层固体浓度，mg/L。
沉降效果不佳的污泥可通过加入化学药剂进行絮
自 195 年污泥固体通量理论提出以来，学者们
2
凝沉淀，以更好地去除水中不易去除的杂质颗
对活性污泥的沉降行为进行了大量研究 [17-19] ，沉降
粒 [15-16] 。此外，絮凝过程中形成的絮凝物形状不规则
模型往往利用批量试验对污泥沉降流动截面监
且具有渗透性，其沉降速度与污泥初始浓度和离子
测 [20-21 ] 进行验证，如放射性示踪试验等，但该方法很
强度有关。整个沉降的过程是一个清水区高度逐渐
难应用于污水处理厂二沉池中。目前研究大多基于
增加、浑液表面逐渐下降的过程，当上层清水区消失
Vesilin 的 单 指 数 模 型 建 立 的 新 沉 降 模 型 [22-23] ，
d
后，浑液表面的沉降速度就会有所减慢，进入到压缩
Vesilin 公式的参数可以直接通过活性污泥的沉降
d
沉淀的阶段。
[6
d
s
试验得到。Takác 等 在 ] Vesilin 单指数模型的基
础上提出一个新的污泥沉降模型，该模型不仅可以
描述成层沉降，而且也适用于描述低污泥浓度范围
的沉降行为；此 外 Renko [24 ] 也 对 Vesilin 模型进行
d
了改进，提出了一种描述成层沉降速度 与 SV 关系
I
的新模型，该模型可用 于 SV 和污泥浓度变化较大
I
l
注： 表示自由沉淀； 表示絮凝沉淀； 的沉降过程；Dieh 等 [25 ] 考虑了受阻沉降和压缩沉降
B
A
C 表示成层/区域沉淀； 表示压缩沉淀。 导致压缩区的通量容量变化，并对二沉池稳态运行
D
图 1 污泥沉降过程示意 时固体浓度、固体停留时间、损耗流量比与回流比
Fig.1 Sludge settling process 之间的关系进行了分析；Zhan 等 [26-27 ] 提出的污泥沉
g
为了准确地描述污泥沉降过程，数值模型首先 降模型也包含污泥受阻和压缩沉降，并改进了固体
需要评估沉降速度和沉降特性，其中应用较广泛的 通量理论，研究结果表明，SV 低的污泥形状较紧密，
I
是指数模型，作为污泥体积指 数 (SVI 和污泥絮体特 从 而 导 致 污 泥 沉 降 和 压 缩 速 度 的 提 高 ；Ramin
)
性函数的沉降速度模型，可较好地用于预测二沉池 等 [28 ] 通过间歇式沉降柱试验，结合贝叶斯优化方法