通過多相流仿真指導污水處理廠設計

多梅爾河(Dommel)發源於比利時南部邊境,途經荷蘭埃因霍溫市(Eindhoven),一路向北匯入寬闊的馬斯河。流域中的污水處理廠以及十多個城市的 200 多道合流式污水溢流(combined sewer overflows,簡稱 CSO)都會向多梅爾河排放污水,日均污水排放量接近 17 萬立方米。

多梅爾河水務委員會負責監測河流的水質狀況,並致力於實現人類生活、環境保護和經濟發展之間的最佳平衡。水務委員會為達成這一目標啟動了 KALLISTO 項目,這個綜合研究項目旨在通過制定一套最具經濟效益的措施,盡可能地減少由污水處理廠的生物水處理與合流式污水溢流共同造成的河水氧含量下降和氨含量上升等問題。通過實現上述目標,水務委員會不僅能有效實施《歐盟水框架指令》(Water Framework Directive),更有利於維持多梅爾河生態系統的穩定。

多梅爾河水務委員會的水處理技術高級顧問 Tony Flameling 表示:“我們一直嚴格控制着多梅爾河水中的磷酸鹽、氮和懸浮物含量。為改善河流的水質狀況、擁有更健康的河流,此類物質含量的標准將會更加嚴格。”為了實現目標,水務委員會引進了一套曝氣系統(將空氣中的氧強制加入水中),希望在將生物處理廢水排入河流前,提高水中的氧氣含量。“引進曝氣系統的目的是為了避免多梅爾河的生態系統因水中氧含量過低而遭到破壞。”Flameling 解釋道。

在進行曝氣處理之前,需要先對污水進行預沉澱、污泥活化和澄清處理,以去除營養物質和固體物質。為了盡量降低處理過程中的能耗,需要使水位維持在一定的高度,以確保水能夠流經整個處理廠(圖 1)。

圖 1. 埃因霍溫污水處理廠鳥瞰圖。

為了研究引入曝氣系統對水體的影響,Flameling 與荷蘭 TAUW 公司的水處理技術和水資源管理顧問 Ronnie Berg 進行了深入的交流。

Berg解釋道:“如果污水管道中的水位過低,氧氣將無法有效傳遞;但如果水位過高,臟水又可能會從曝氣池中溢出,流入沉澱池,污染出水。”(圖 2)。

圖 2. 埃因霍溫污水處理廠的水處理流程圖。在將處理後的污水重新注入多梅爾河之前,對污水進行曝氣處理。 圖註:Presetttlement – 預沉澱;Pumping station – 污水泵站;Activated sledge tank for biological nutrient removal – 用於去除營養物質的活性污泥池;Clarifier – 澄清池;Aeration – 曝氣;Dommel – 多梅爾河

另一個潛在問題是,水位過低會導致污水處理流程無法正常進行。通過分析污水通道及與之相連的外流通道中的流體形態,水務委員會可以確定系統的最佳設計方案,最大限度地提升曝氣效果。

氣泡:魚類的朋友,水流的敵人?

為了充分認識曝氣系統和出水堰(圖 3)對水流和水位的影響,Berg 使用COMSOL Multiphysics® 軟件建立了多相流仿真。

圖 3. 曝氣通道出口處的可調出水堰。

引入曝氣池後,需要對現有通道進行改造,為此,Berg 為出水通道創建了一個幾何模型(圖 4),其中包含通道壁、已有的導流板以及曝氣元件的計劃安裝位置。

圖 4. 曝氣通道的幾何布局。曝氣單元以黃色表示。 圖註: Adjustable dam – 可調出水堰; Guide baffles – 導流板; Aeration units – 曝氣單元; Inlet – 入口; Outlet – 出口

Berg 詳細設定了曝氣單元的布局、可調出水堰不同閘門的高度以及多梅爾河的水位。通過對系統進行分析,Berg 能夠判斷導流板的位置是否合理,以及流體形態如何隨曝氣、季節和多梅爾河的水位而變化。

Berg 建立了一個含有強湍流和分散氣泡的流體流動模型。藉助軟件中內置的 “氣泡流,k-ε”接口,Berg 能夠捕捉曝氣過程對流體形態的影響。此外,通過模擬氣泡引起的湍流以及追蹤有效氣體密度,他還分析了氣泡產生的附加阻力和通道內的螺旋流。

Berg 利用一組 CFD 仿真結果研究了多梅爾河的水位對流體形態的影響。他能清楚地了解通道內任意位置的氣體體積佔比,用於判斷曝氣系統的有效性(圖 5)。

圖 5.CFD 仿真分析結果顯示了多梅爾河處於高水位時的氣相體積分數(即氣體在水中的體積佔比)。

除此之外,Berg 還評估了曝氣單元在旱季多梅爾河的水位較低時的表現。當河水流量較小時,在調節出水堰的所有壩段高度後,河水在壩下會產生部分迴流
(圖 6)。

圖 6. CFD 仿真結果顯示了在氣候乾燥河水流量較小時,處理後的污水在曝氣系統中的速度場。

Berg 通過分析水位、出水堰高度和曝氣變量對流體形態的影響得出了多項結論。他了解到,如果出水流量較大,曝氣對水體基本沒有影響。而在乾旱時節,河水流量減少,曝氣則會影響流體形態。然而,由於曝氣產生的阻力相對較小,所以水流因阻力流回澄清池並污染出水的風險比較低。

Berg 還研究了只打開兩個出水閘門時的情況。此時,外側彎道的水流量明顯更高,這將導致內彎附近形成積水,從而降低曝氣過程的效率。總體而言,在三個閘門全部打開通水時,才能得到最佳的水流形態。

仿真指引設計之路

Berg 根據詳細的 CFD 分析結果,向多梅爾河水務委員會提議不要拆除導流板。他還建議將上游的曝氣組件按照線性布局進行排列,因為這種布局不僅有利於改善水質,還能將施工成本降到最低。

“仿真軟件讓我們能夠以一種可控的方式來調整參數,幫助我們靈活地找到了最佳施工設計方案。”Berg 表示,“我們成功地以低成本、高收益的方式提高了埃因霍溫污水處理廠出水的水質。”圖 7 為運行中的曝氣系統。Flameling 補充說:“為了保護河流的生態系統,我們目前正在觀察曝氣系統是否能達到預期效果。”在未來的許多年裡,這個性能優異的曝氣裝置將為多梅爾河的生態系統和周邊居民提供長期可靠的保障。

圖 7.工作狀態下的埃因霍溫污水處理廠的曝氣通道,它有效增加了注入多梅爾河河水中的含氧量。左:曝氣通道出口處的可調出水堰。右:從曝氣通道的入口觀察曝氣通道。


本文內容來自《COMSOL News》2018,點擊“

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