輻流式沉淀池過水孔洞形狀對沉淀效果的影響研究

劉宏偉

合肥工業大學設計院（集團）有限公司 安徽 合肥 230009

前言

輻流式沉淀池是水處理系統中重要的處理構筑物，廣泛應用于大中型水廠，其工作性能直接決定著出水水質的好壞。近年來，越來越多的學者通過計算流體力學數值模擬的方法研究輻流式沉淀池內部的流場水力特性，進而通過對輻流式沉淀池內部構造的合理設計來優化沉淀池的水力條件[1-2]。這些研究主要涉及了輻流式沉淀池進水擋板位置、進水擋板淹沒水深、浮渣擋板、集水槽布置形式和位置等對輻流式沉淀池沉淀效果的影響，而對過水孔洞的研究則沒有涉及，在實際工程運行中發現輻流式沉淀池沉淀效果與其配水井過水孔洞的形狀關系較大，我國現行設計規范和設計手冊中均未對輻流式沉淀池過水孔洞形狀提出明確的規定，因此本研究以輻流式沉淀池為研究對象，通過改變過水孔洞形狀，利用數值模擬的方法對其內部流場流態進行分析研究，以優化沉淀池的水力條件。

1 模型的建立

以安徽省蕪湖市某水廠中輻流式沉淀池為原型，進水采用中心管淹沒式潛孔進水，單池處理能力為1225m3/h，沉淀時間為1.5h，池體直徑為28m，有效水深為3m。根據相關規范及要求，結合工程實際中的相關參數設置，本研究中配水井過水孔洞的形狀分別設計為正三角形、長方形、正方形、正六邊形、圓形。輻流式沉淀池的池體屬于對稱結構，為節省計算機處理量，將其簡化為一半進行模擬計算，由于本研究只考慮輻流式沉淀池內部的水流運動，因此未考慮污泥斗部分，模型中未建立。

圖1 輻流式沉淀池的數值模擬模型

模型結構如圖1所示：

2 邊界條件及模擬分析方法

2.1 邊界條件

根據輻流式沉淀池設計參數，進水中心管流速大于0.4m/s，模擬時，輻流式沉淀池水流進口條件為速度進口，速度大小為0.433m/s；出口邊界條件為自由出口；水面為自由界面，沒有剪切和滑移速度，池底和邊壁為固體壁面，壁面上流速為0，使用標準壁面函數。

2.2 模擬方法

輻流式沉淀池內部流場主要為紊流形態，選用標準k-ε雙方程模型進行模擬。該模型基于湍動能k方程引入一個湍動耗散率，是由k方程、ε方程和Kolmogorov-Prandtl表達式共同構成的一種完整的湍流模型，在工程實際應用中較為成熟，可以充分反映輻流式沉淀池內部的紊流特性。

2.3 數值求解方法

模擬中運用有限體積法進行離散方程；速度場和壓力場采用PISO算法進行計算。假定初始時刻沉淀池內懸浮物濃度為零，采用出水斷面的懸浮物體積分數作為判斷沉淀池沉淀效果依據。

3 模擬結果與分析

3.1 過水孔洞形狀對沉淀池內速度流場的影響

①當過水孔洞的形狀不同時，沉淀池內污水流速并沒有較大差別。②當過水孔洞形狀為正方形、正六邊形、圓形時，流體在沉淀池內的停留時間較長，懸浮顆粒沉淀時間較長，池體容積利用率相對較高；過水孔洞形狀為正三角形、長方形時，流體在池體內停留時間較短，池體內部回流區較大，池體容積利用率較低。

3.2 過水孔洞形狀對出水效果的影響

表1 不同過水孔洞形狀懸浮物去除率結果

①當過水孔洞形狀分別為正三角形、長方形、正方形、正六邊形、圓形時，沉淀池內懸浮物去除率會逐漸增大；②從表1中可以得出，孔洞形狀由正三角形到圓形，孔洞的水力半徑是逐漸增大的，造成池體內液體湍流強度的減小，從而越有利于懸浮物的沉淀，使得沉淀池的沉淀效果越好，這與3.1章節分析結果相吻合。

4 結束語

通過對過水孔洞的五種形狀不同輻流式沉淀池的數值模擬，分析其流場以及懸浮物的去除率可知：當過水孔洞形狀為正方形、正六邊形、圓形時，池體容積利用率較大，懸浮物去除率較高；過水孔洞形狀為正三角形、長方形時，池體容積利用率較小，懸浮物去除率較低。該研究從計算流體力學數值模擬的角度分析了不同過水孔洞形狀的輻流式沉淀池內部流態，為研究輻流式沉池內部的流場流態特性提供了一種可行、有效的方法，所得到的結論對于輻流式沉淀的構造優化設計具有一定的實際指導意義和工程實用價值。