二沉池硝态氮分布的CFD模拟

北极星环保网讯:摘要：建立了基于k-ε湍流模型的非稳态拟单相流模型，该模型考虑了分散相体积分数以及分散相与连续相间密度差的影响;并在源项中考虑了反硝化反应中硝态氮的去除速率，以及悬浮物在二沉池内的下沉作用，并以此对垂直速度进行修正，引入了双指数沉降速度方程。应用计算流体力学软件STAR-CD对模型进行了求解，分析了不同位置处硝态氮的浓度分布，得到污泥斗上方回流区内硝态氮的浓度较低、污泥斗底部的硝态氮浓度偏大、沉淀区内从池底至水面硝态氮的浓度逐渐增大的结论。以邹亮的辐流式二沉池内硝态氮实验结果进行验证，表明数值模拟结果是比较成功的。

二沉池是活性污泥系统中不可分割的部分，占有至关重要的地位[1]。二沉池模型研究和应用已取得了相当的进展，一维模型主要是基于Kynch沉淀理论，二维、三维模型主要针对计算流体力学(Computational  Fluid  Dynamics，CFD)的研究。随着计算流体力学和计算机技术的飞速发展，可以用数值模型模拟水流在沉淀池内具体的流动情况，从而为沉淀池的设计和运行管理提供参考依据。

国外对沉淀池流场的研究比较早，始于20世纪80年代。随着计算机技术与实验水平的提高，对沉淀池数值模拟仿真能力也逐渐加强，国内近年来也积极地开展了相关的研究工作。目前单相流模型应用比较广泛，但在水流模型中(Imam等[2]、郭生昌[3，4])未考虑悬浮物的影响，在悬浮物模型中(Imam等[5]、曾光明等[6、7]、Adams等[8]、Lyn等[9]、Zhou  Siping等[10]、Mazzolani等[11]、蔡金傍等[12、13]、Kim等[14])假设悬浮物在水流的夹带下与水流同步运动，仅考虑悬浮物颗粒因自身重力产生的沉降、由浓度差导致的扩散或者絮凝物的影响;随着计算机技术的发展，采用两相流模型(Krebs等[15]、郭生昌[3])进行计算已成为可能，使数学模型得到进一步的完善。

二沉池中的生化反应主要是反硝化反应，王少坡等[16]研究发现，随着污泥浓度的增高，短程内源反硝化速率逐渐增加。反硝化一方面可以去除水体中的硝酸盐和亚硝酸盐，减少其对人体和环境造成的危害;另一方面也会引起浮泥现象，不利于悬浮固体的去除。因而将反硝化反应考虑到二沉池模型中对二沉池的设计、运行优化有着指导意义。目前基于CFD的反硝化模拟报道还比较少，故本文围绕反硝化速率对二沉池中硝态氮浓度的影响进行讨论，采用拟单相流模型对二沉池内反硝化反应进行模拟计算，并与邹亮[17]的实测值进行了对比。

1 数学模型

1.1控制方程

建立了三维、非稳态、不可压缩牛顿型流体的拟相流模型，不考虑温度的变化，方程中的液相体积分率αL的应用考虑了二沉池固相相含率对液相的影响。因此，固相对液相的影响除了在源项中体现外，还应在对液相速度分量的影响上体现出来。这较以往拟单相流模型有所改进，并且本文模型首次较完整地考虑了相间动量传递的主要项：阻力、Magnus力及虚拟质量力的影响。并在源项中充分考虑了反硝化反应中硝态氮的去除速率以及悬浮物在二沉池内的下沉作用，对垂直速度进行修正，引入了双指数沉降速度方程。

2模型应用

2.1模型建立

本文为了计算二沉池的脱氮效果，选取邹亮[2]用于模拟和实验的反硝化反应的二沉池进行模拟研究，某污水处理厂最大处理污水量为12  500m3/d。活性污泥系统工艺如图1所示。其中活性污泥反应池由3个串接的反应池组成，总容积为1  812.5m3，单个容积为604m3，其中，厌氧池容积为总容积的1/3。污泥停留时间STR为7.5d。在旱季，污水流量为9 000m3/d，回流污泥量为16  400m3/d;在雨季，污水流量为11500m3/d，回流污泥量为20  000m3/d。回流污泥采用间歇式排泥方式，每隔30min从二沉池中抽空1次。辐流式二沉池尺寸如图2所示。污水各组分如表1所示。

本文主要是为了计算二沉池的脱氮效果，并与实验值进行比较验证硝态氮传质方程的准确性。由于相对污泥总量来说，污泥增量很少，可以忽略不计。为了减化计算，采用二维模型拟单相流模型进行计算，反硝化中的硝态氮饱和常数KNO取0.5gN/m3  [17]，计算网格的划分如图3所示。

2.2模拟结果与分析

由于厌氧池前部分为进水和回流污泥混合区，所以邹亮[17]将二沉池假设为2个等分的独立池体，分别考虑。本文则是将二沉池作为整体考虑，采用旱时的进水条件进行模拟，模拟结果如图4所示。由图4可知，进水硝态氮浓度较大，而在二沉池的沉淀区域底部，由于活性污泥的存在，硝态氮的浓度相对较低。邹亮经过实验测量得到的硝态氮在活性污泥二沉池回流污泥中的硝态氮浓度为4.3mg/L，进水与回流污泥充分混合后的浓度为1.5mg/L，进入二沉池的污水中的浓度为8.6mg/L。从图4中可以看出，模拟得到的进水与回流污泥充分混合后的浓度为2.54mg/L左右，进入二沉池的污水中的浓度大概为8.63mg/L，和邹亮实验得到的结果基本一致，只是模拟得到的硝态氮在活性污泥二沉池回流污泥中的浓度比较高。这是因为模拟没有考虑污泥的停留时间，而污泥斗距离进水口较近，反硝化还没来的及进行，污泥就被排出了;另外模拟中假设连续排泥，而实际二沉池运行是采用间歇排泥方式。

为了更清楚的了解硝态氮在池中的分布状况，应用STAR-CD软件分别对应图4中的I-I、II-II、III-III、IV-IV断面位置按模型计算的网格数提取硝态氮的浓度数据进行分析，得到图5~8。由图5可知，由于计算模型中假设入口速度的方向向下，所以池子上部靠近挡板附近的硝态氮浓度较低，只有4mg/L左右;从进口处开始，随池深的增加，硝态氮浓度逐渐增大，到达污泥斗底部时，硝态氮的浓度达到9.3mg/L。对应图4和图6可知，由于污泥斗上部存在一个较大的回流，位置II-II处硝态氮浓度呈现中部低，两端高的趋势，水面处硝态氮浓度接近5mg/L，随池的深度增加硝态氮浓度开始减小，减到1.6mg/L时硝态氮浓度又开始增大，到达污泥斗底部时，达到8.6mg/L。由图7可知，在二沉池的沉淀区域，硝态氮浓度随池深的增加呈现下降趋势，这是由于反硝化反应发生在底部污泥层处。由图8可知，在污泥斗上部的位置处，进水口附近硝态氮浓度最大，有9.5mg/L，进而受污泥斗上部回流的影响，沿池长方向硝态氮的浓度先减小后增大，在泥斗和沉淀池底交接的位置(如图4中虚线框所示)硝态氮的浓度出现一个高峰值7mg/L，随后很快降到3mg/L，然后硝态氮浓度沿池长方向缓慢增加，到达二沉池边缘时，浓度为2.4mg/L。

3小结

采用只考虑硝态氮的反应速率的二维模型来模拟二沉池中的脱氮过程，与邹亮[47]的实验结果比较，结果表明是模拟比较成功的。通过分析二沉池中不同位置处硝态氮的浓度分布，发现由于污泥斗上方回流区的存在，硝态氮的浓度呈现周围高中间低的趋势;沉淀区域池底附近池底活性污泥的存在使得硝态氮的浓度降低，从池底至水面硝态氮的浓度逐渐增大;模型设为连续排泥，没有考虑污泥的停留时间，因此得到的污泥斗底部的硝态氮浓度偏大。本文所作的工作只是一个初步的尝试，模拟实际的反硝化反应还需要考虑很多因素，有待进一步研究。