斜管沉淀池的沉淀效果与悬浮物颗粒直径的关系

涂有笑 杨 杰 贾如升 王 军

(1.皖西学院建筑与土木工程学院， 安徽 六安 237012； 2.合肥工业大学土木与水利工程学院， 合肥 230009)

在传统的给水处理工艺中，斜管沉淀池是一种常见的净水设备。斜管沉淀池是指在沉淀区内设置了斜管的沉淀池，它对水中悬浮物颗粒的去除效果，既与悬浮物的密度和浓度相关，也与悬浮物颗粒的大小有直接关系。近年来，一些学者运用计算流体力学方法来研究沉淀池内的水流流态及流场特性，从而实现对沉淀池尺寸的优化设计[1-2]，但有关研究很少涉及悬浮物颗粒的大小对池内浓度场的影响。悬浮物颗粒的直径不同，其沉降速度也必然不同[3]。因此，我们运用计算机软件，采用标准k-ε模型和多相流Mixture模型，模拟分析了水中悬浮物颗粒直径的大小与沉淀池的沉淀效果之间的关系。

1 实体模型

在异向流斜管沉淀池，沉淀区内放置了大量的与水平面成一定倾角的斜管[4]。沉淀池运行时，水流从穿孔花墙进入到配水区，沿着斜管自下向上缓慢流动。在水的流动过程中，其中的悬浮物颗粒逐渐下沉，到达积泥区；而向上流动的水则从清水区流出，汇集于集水槽，然后进入下一道工艺。斜管沉淀池的池体结构自下而上依次分为积泥区、配水区、沉淀区、清水区4个部分。

以安徽某自来水厂的异向流斜管沉淀池为例。该厂的水处理规模为1 000 m3d。斜管沉淀池参数：池长为2.8 m，池宽为2.8 m，池高为 4.17 m，斜管倾角为60°，斜管内切圆直径为 40 mm。斜管沉淀池的纵断面示意图如图1所示。

图1 异向流斜管沉淀池纵断面示意

根据该厂的实际运行资料，确定研究的进水条件：进水流速为0.1 ms，进水中的悬浮物含量为295 mgL，悬浮物颗粒密度为1 050 kgm3，动力黏度取0.020 01 pa·s。

2 数学模型

斜管沉淀池内的水流运动属于湍流运动[5]，一般采用标准k-ε模型[6]进行模拟。该模型是在湍流动能k方程的基础上引入了一个湍动耗散率ε[7]。沉淀池内的流场，可以看作是悬浮物颗粒与水混合流动的较为复杂的两相流运动场。因此，采用Mixture混合模型模拟沉淀池内固液两相具有不同速度矢量的多相流[8]。

3 数值模拟结果

3.1 悬浮物颗粒大小对浓度场的影响

悬浮物颗粒的直径不同，其沉降速度也不同。因此，改变水中悬浮物颗粒直径的大小，必然对沉淀池的运行效果产生影响。模拟考察了悬浮物颗粒直径分别为30、50、80、100、120 μm时，沉淀池内悬浮物纵向分布的情况。图2所示为沉淀池不同高度对应的横断面悬浮物的平均体积分数曲线，即不同高度的横断面中悬浮物在溶液中的占比。

模拟结果显示，悬浮物颗粒的直径虽然大小不同，但它们在沉淀池Z断面的分布趋势整体上是基本一致的。观察在池高为1.5～2.4 m区间即沉淀区内，颗粒直径不同的悬浮物的平均体积分数，发现在池高为1.5 m左右时(即斜管进口处)，随着颗粒直径的增大，该断面附近的悬浮物浓度出现了陡增的趋势。这是因为在斜管进口的一定范围存在一个过渡段，在该区间内，因为水流条件发生改变，流态紊乱，泥水混杂。在过渡段悬浮物浓度较大，有利于颗粒之间的接触絮凝[9]，对泥水分离有促进作用。在池底，随着悬浮物颗粒直径的增大，悬浮物的平均体积分数也在逐渐增加。在出水断面，悬浮物颗粒直径增大，其平均体积分数则随之逐渐减小。这说明增大悬浮物颗粒的直径，斜管沉淀池的沉降效果将更明显。

图2 不同高度的横断面悬浮物的平均体积分数曲线

3.2 悬浮物颗粒大小对去除率的影响

以去除率作为沉淀效果的评价指标。式(1)为去除率的计算公式。

(1)

式中：η—— 去除率，%；

C进口—— 进水口水中悬浮物的浓度，kgm3；

C出口—— 出水口水中悬浮物的浓度，kgm3。

根据数值模拟结果，在确定的进水条件下，斜管沉淀池对5种颗粒直径的悬浮物的去除率如图3所示。从图中可以看出，悬浮物颗粒直径为30～80 μm时，沉淀效果不明显；颗粒直径大于80 μm以后，随着颗粒直径的增大，去除率的增加幅度也比较大。

图3 悬浮物去除率曲线

4 结 语

根据安徽某自来水厂的异向流斜管沉淀池的实际运行资料，在设定悬浮物颗粒直径分别为30、50、80、100、120 μm的情况下，利用多相流Mixture模型和标准k-ε模型，对斜管沉淀池的浓度场进行了数学模拟，同时计算了悬浮物去除率。模拟结果表明，随着悬浮物颗粒直径的增大，沉淀池中悬浮物的去除率也随之逐渐增加。悬浮物颗粒直径在80 μm以内时，颗粒直径的增加对去除率的影响不明显；当悬浮物颗粒直径大于80 μm以后，随着颗粒直径的继续增大，去除率的增加幅度则较大。因此，可以说针对颗粒直径大于80 μm的悬浮物，异向流斜管沉淀池具有比较好的沉淀效果。