基于旋流分離技術(shù)的城鎮(zhèn)污水處理項目探究

代佳鑫　高娜

摘? 要：隨著人口城鎮(zhèn)化比率的增長，城市人口大幅度增多，城鎮(zhèn)污水處理成為當今城市發(fā)展過程亟待解決的問題。針對城鎮(zhèn)污水處理技術(shù)落后，處理效率低問題，以城鎮(zhèn)污水為研究對象，研究應(yīng)用旋流分離技術(shù)提高處理污水效率，基于計算流體力學和數(shù)學建模方法，對城鎮(zhèn)污水一級處理泥沙分離過程的流體分離機理進行研究。根據(jù)對污水處理分離器進行數(shù)值模擬，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高污水一級處理中泥沙的分離效率。

關(guān)鍵詞：旋流分離技術(shù);污水處理;數(shù)學建模;數(shù)值模擬

1.項目研究目的、意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與存在問題

城鎮(zhèn)污水處理需要先進的水處理技術(shù)和設(shè)備作為支撐，現(xiàn)階段的城鎮(zhèn)污水處理硬件設(shè)備更新?lián)Q代緩慢，從國外引進諸多污水處理技術(shù)，缺乏對城鎮(zhèn)污水處理核心技術(shù)的掌握與研發(fā)，只是盲目的抄襲國外的水處理技術(shù)，導致與我國城鎮(zhèn)的污水處理現(xiàn)實不相符。城鎮(zhèn)污水處理問題成為當今城市發(fā)展過程亟待解決的問題，我國城鎮(zhèn)污水處理在不斷發(fā)展，但仍然任重道遠。

經(jīng)調(diào)研哈爾濱市文昌污水處理廠和群力污水處理廠，哈爾濱市每年約有2.1多億立萬米的污廢水未經(jīng)城市綜合處理直接排入松花江（年污廢水量3.3億立萬米，其中經(jīng)處理的污廢水約有1.2億立萬米）。加上上游轉(zhuǎn)來的污水，松花江市區(qū)段呈Ⅲ-IV類水體，水體中含有污染物質(zhì)多達276種，其中哈爾濱市排放有176種。因而松花江哈爾濱段的水體己被嚴重污染。所以解決城市污水處理問題已迫在眉睫。

目前，國外已有大型污水處理廠在升級改造、工藝設(shè)計、優(yōu)化工況及過程控制等諸多方面采用污水處理數(shù)學建模。20世紀80年代末，國際水協(xié)會提出的活性污泥1號模型取得了較大的成功，是早期較為完善的污水處理數(shù)學模型研究之一。通過模擬計算，使污水處理的設(shè)計和運行更加系統(tǒng)與理論化，提高了人們對污水處理過程的認識，節(jié)省經(jīng)濟成本且提高污水處理效率。隨著時間推移，多種污水處理數(shù)學模型不斷出現(xiàn)，并且被應(yīng)用于不同的研究工程。與國外發(fā)達國家相比，我國的污水處理數(shù)學模型研究和應(yīng)用稍顯落后，由于起步晚，模型推廣在實際應(yīng)用方面相當滯后。對于污水處理過程中的數(shù)值模擬也有很多學者應(yīng)用在污水處理分離器中，但是通過數(shù)學建模從根本上明確分離效率提高的機理還有待研究。

本項目基于流體動力學理論應(yīng)用旋流分離技術(shù)研究處理污水分離機理，通過數(shù)學建模采用微觀的處理方法，將質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和牛頓第二定律直接運用于流體的分子和原子，再利用統(tǒng)計平均定義導出流體性質(zhì)，求解流體流動控制方程數(shù)值解，確定合適的黏性流動物理邊界條件，自由來流條件，利用計算流體力學軟件模擬流場變化，模擬結(jié)果與數(shù)值解相互驗證，從而明確流體流動分離機理，進而研發(fā)新型分離器結(jié)構(gòu)，提高污水分離效率。提高水的利用效率，恢復城市乃至流域的良好水環(huán)境，降低由于污染物排放對環(huán)境的危害，為水源緊缺、供需矛盾突出的城市具有重要的經(jīng)濟價值和社會意義。

2.已開展的前期研究

目前在旋流分離技術(shù)方向發(fā)表論文1篇，論文對旋流分離器結(jié)構(gòu)的軸向入口與切向入口進行了比較，引出軸向入口旋流器的優(yōu)勢。進行導流式旋流器結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)值模擬及實驗研究。首先對旋流器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用UG三維軟件進行建模及計算流體力學（CFD）軟件進行模擬，通過模擬旋流器流場進行分析，對旋流器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，優(yōu)化內(nèi)容包括旋流腔長度、半錐角、溢流口直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)。進行樣機加工，實驗驗證結(jié)構(gòu)的合理性。

3.研究內(nèi)容和解決的關(guān)鍵問題

本研究基于流體動力學理論應(yīng)用旋流分離技術(shù)研究處理污水分離機理，旋流分離技術(shù)處理污水的流體流動過程采用微觀的處理方法，最終明確分離機理，提出分離器優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，提高污水一級處理中泥沙分離效率。

分離器分離過程數(shù)學建模和CFD中的物理邊界條件的確定是難點，流體流動控制方程的數(shù)值解的求解過程是研究的重點，通過數(shù)學建模求解控制方程數(shù)值解，利用數(shù)值模擬來研究城鎮(zhèn)污水分離機理成為研究的創(chuàng)新之處。

4.項目研究方法及可行性分析

4.1研究方法：

首先對污水分離器流體流動的分離過程進行數(shù)學建模，建立流體流動控制方程并求數(shù)值解。其次確定合適的黏性流動物理邊界條件，自由來流條件，根據(jù)數(shù)值對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，應(yīng)用Solidworks軟件進行三維實體建模。最后利用CFD對旋流分離過程進行數(shù)值模擬，利用微觀的處理方法，將質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和牛頓第二定律直接運用于流體的分子和原子，利用統(tǒng)計平均定義導出流體性質(zhì)，明確流體的流動機理，進行優(yōu)化分離器結(jié)構(gòu)，提高污水一級處理階段的泥沙分離效率。

4.2可行性分析：

旋流分離技術(shù)是利用離心力場的作用來分離非均相物系的一種方法，本項目應(yīng)用旋流分離技術(shù)優(yōu)化分離器結(jié)構(gòu)，提高污水的處理效率，該方向已有前期的工作成果，發(fā)表論文1篇，發(fā)明專利1項，在已有成果基礎(chǔ)上進行理論機理研究，對于應(yīng)用在一級污水處理階段分離器分離過程建立數(shù)學模型，求解流動控制方程組的數(shù)值解，再利用計算流體力學軟件進行數(shù)值模擬，與數(shù)學建模中的流動控制方程組數(shù)值解進行相互驗證，最終明確分離機理，優(yōu)化分離器結(jié)構(gòu)提高污水一級處理中泥沙分離效率。

5.項目學術(shù)思想及創(chuàng)新之處

本項目是基于旋流分離技術(shù)解決城鎮(zhèn)污水處理中效率低問題，目前城鎮(zhèn)污水一級處理泥沙的效率是70%左右，效率提高有很大空間，預期分離效率提高到90%以上。城鎮(zhèn)污水屬于非均一系混合物，對于非均一系混合物的分離，一般采用機械方法，其基本原理是將混合物置于一定的力場之中，利用混合物的各個相在力場中受到不同的力，從而得到“相重差”使其分離，其力學過程是宏觀的外力場作用過程，而基于旋流分離技術(shù)處理就是加外力場離心力場，原有的污水一級處理時應(yīng)用沉降原理，而沉降式在自然引力場中的分離，由于自然引力場較弱，對固體微粒很小或液相粘度很大的懸浮液，分離過程進行很慢，甚至不能進行，此時，必須外加力場，而比較理想的就是離心力場，基于旋流分離技術(shù)就是利用外加離心力場對混合物進行分離，對污水一級處理環(huán)節(jié)進行泥沙分離，提高一級處理效率。對分離過程進行數(shù)學建模，求解流動方程組的數(shù)值解，再利用計算流體力學模擬流動，模擬流動與數(shù)值解相互驗證，明確分離機理，對分離器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高分離效率。

創(chuàng)新的利用數(shù)學建模和數(shù)值模擬的方法明確分離機理，解決分離效率低的問題。數(shù)學建模的理論基礎(chǔ)：流體動力學基本方程連續(xù)方程、歐拉方程、納維-斯托克高數(shù)據(jù)支撐。數(shù)值模擬基于計算流體力學理論。

6.項目預期應(yīng)用前景或產(chǎn)業(yè)化前景

基于旋流分離技術(shù)對城鎮(zhèn)污水進行物理處理，利用外加離心力場作用于污水混合物，由于污水混合物中不同相物質(zhì)具有不同的密度，所受的離心力不同從而進行分離。該設(shè)備具有體積小、密封可靠、分離效率高等優(yōu)點。目前污水處理被廣泛應(yīng)用于建筑、農(nóng)業(yè)、石化、環(huán)保等領(lǐng)域，目前大部分的處理廠由于資金不足、成本高、效率低，所以提高污水處理效率，降低成本，是當前污水處理面臨的問題。本項目預期明確分離機理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而有效提高污水處理效率，節(jié)能減耗，解決城鎮(zhèn)污水處理問題，恢復城市乃至流域的良好水環(huán)境，降低由于污染物排放對環(huán)境的危害。為水源緊缺、供需矛盾突出的城市具有重要的經(jīng)濟價值和社會意義。

參考文獻

[1]? 熊瓊.城市污水環(huán)境治理措施與治理方法[J].四川水泥，2018（09）：291.

項目基金：哈爾濱石油學院科學研究基金項目資助課題“基于計算流體力學的城鎮(zhèn)污水處理研究”（HIPJJ201923）