给水厂高密度沉淀池沉淀区流态模拟及优化设计
高密度沉淀池设计手册
高密度沉淀池设计手册
设计高密度沉淀池需要考虑多个因素，包括池的尺寸、流体力学特性、沉淀物的处理和清理等。
以下是设计高密度沉淀池的一些建议：
1. 池的尺寸和形状，高密度沉淀池的尺寸和形状应该根据处理的水量和沉淀物的特性来确定。
一般来说，池的深度应该足够以确保沉淀物沉积在底部，而池的宽度和长度应该能够容纳流经的水量并提供足够的停留时间。
2. 流体力学特性，设计时需要考虑流体在池内的流动情况，以确保水流能够均匀地分布并使沉淀物沉积在底部。
通常会采用不同的结构和设备来改善流体力学特性，比如设置分流板、倾斜板或者采用慢速搅拌器等。
3. 出水口和进水口的位置，出水口的位置应该考虑到沉淀物的沉积情况，以避免将搅动的沉淀物重新搅动到出水口。
进水口的位置和设计也应该考虑到池内水流的分布情况，以确保水能够均匀地进入池内。
4. 沉淀物的处理和清理，设计时需要考虑如何有效地处理和清理沉淀物。
这可能涉及到设置底部清洁装置或者定期清理沉淀物的计划。
5. 材料选择，高密度沉淀池的材料选择应该考虑到处理的水的性质，比如是否含有腐蚀性物质或者高温水。
常见的材料包括玻璃钢、不锈钢和混凝土等。
总的来说，设计高密度沉淀池需要综合考虑流体力学、水质特性、沉淀物的处理和清理等多个因素，以确保池能够有效地去除悬浮物和沉淀物。
希望这些建议能够对你有所帮助。
高效沉淀器的设计与模拟分析
高效沉淀器的设计与模拟分析概述：高效沉淀器是一种重要的固液分离设备，广泛应用于化工、环保、食品等工业领域中。
它的设计与模拟分析对于提高设备的分离效率和降低能耗具有关键作用。
本文将重点介绍高效沉淀器的设计原理、常见结构和参数选择，并通过模拟分析探讨几种常见设计方案的性能优化。
一、设计原理高效沉淀器的设计原理基于重力沉降和液固分离原理，利用离心力将悬浮物分离出来，达到固液分离的目的。
设计高效沉淀器需要考虑以下几个方面的因素：1. 确定理想的沉降速度：沉淀器需要维持一定的沉降速度，过快或过慢都会影响分离效率。
根据悬浮物的性质和要求的分离效果，确定合适的沉降速度是设计的首要问题。
2. 设计合适的沉降区域：沉降区域的尺寸和形状对沉淀器的性能有很大影响。
一般来说，增大沉降区域可以提高设备的分离效率，但同时也会增加设备的体积和成本。
因此，需要在经济和技术可行的范围内进行合理的设计。
3. 设计合理的出口管道：出口管道的设计应考虑排出悬浮物的速度和流动阻力，以确保滞留时间足够长，使悬浮物充分沉降。
二、常见结构和参数选择1. 圆筒形沉淀器：圆筒形沉淀器是最常见的结构，它的几何形状使得沉降区域均匀分布，可以实现高效的沉降效果。
参数选择方面，需要根据流量、悬浮物的性质和分离要求来确定沉降器的尺寸和高度。
2. 锥形沉淀器：锥形沉淀器通过锥形设计在底部形成一个深而狭窄的沉降区域，提高了沉降效果。
参数选择方面，需要考虑锥体的角度、高度和直径等因素，以实现最佳分离效果。
3. 椭圆形沉淀器：椭圆形沉淀器利用椭圆形的特点，使得流体在沉降过程中可以沿着椭圆形流动路径形成旋涡，促进悬浮物的沉降。
参数选择方面，需要考虑椭圆的长轴和短轴长度、流速等因素。
4. 螺旋式沉淀器：螺旋式沉淀器通过螺旋形的构造，在流体内形成离心区和沉降区，提高了沉降效率。
参数选择方面，需要考虑螺旋的形状、线圈间距和螺旋角度等因素。
三、模拟分析与性能优化为了评估和优化高效沉淀器的性能，可以通过数值模拟分析的方法，考虑了流体性质、沉淀器结构和操作参数等因素。
高效沉淀池设计方案
高效沉淀池设计方案一、设计概述高效沉淀池是一种广泛应用于污水处理领域的设施，其设计目标是通过优化池体结构、水流流态和污泥沉淀等方面的因素，提高沉淀池的沉淀效果和污水净化效率。
本设计方案将围绕这一目标，提出一种高效、稳定且易于维护的沉淀池设计方案。
二、设计要点1、池体结构：为了提高沉淀池的沉淀效果，我们将采用平流式沉淀池结构。
这种结构简单、稳定，且在实际应用中表现良好。
同时，我们将使用钢筋混凝土材料来增强池体的耐久性和稳定性。
2、进水口设计：进水口的设计需考虑均匀分配进入沉淀池的污水，以避免流速不均对沉淀效果产生影响。
我们将采用宽堰进水方式，并在堰口设置挡板，以实现污水均匀分配。
3、出水口设计：为了防止已沉淀的污泥被水流带出，我们将设置虹吸出水口。
通过虹吸作用，出水口可以有效地控制水流速度，避免已沉淀的污泥被带走。
4、排泥口设计：排泥口的设计需考虑排泥的及时性和均匀性。
我们将设置多个排泥口，分布在沉淀池的底部，并使用旋转式排泥阀，以实现均匀排泥。
5、曝气系统：为了提高污泥的活性，我们将设置曝气系统。
曝气系统将通过均匀布置在沉淀池底部的曝气管进行曝气，以提高污泥的生物活性。
6、控制系统：为了实现自动化控制和监测，我们将设置控制系统。
控制系统将包括液位传感器、流量计、pH计等设备，以实现对沉淀池运行状态的实时监测和控制。
三、具体实施方案1、施工准备：在施工前，需做好场地平整、测量放线、基础处理等工作。
2、池体施工：按照设计图纸进行池体施工。
先进行钢筋混凝土基础施工，然后安装池壁和顶板。
在施工过程中应注意保证池体的密实性和稳定性。
3、进水口施工：在池体一侧设置宽堰进水口。
进水口应保持与水平面垂直，以保证污水能够均匀分配。
在堰口设置挡板，以避免水流直接冲击沉淀池底部。
4、出水口施工：在池体另一侧设置虹吸出水口。
虹吸出水口应保持与水平面平行，以避免对已沉淀的污泥产生扰动。
在出水口处设置挡板，以防止已沉淀的污泥被水流带出。
规模化城市污水处理厂沉淀池模拟优化
规模化城市污水处理厂沉淀池模拟优化规模化城市污水处理厂沉淀池模拟优化一、引言城市污水处理是解决城市生活污水排放问题的重要环节。
而污水处理厂的沉淀池是处理过程中的关键单元，起到了去除悬浮物、沉淀污泥的作用。
为了提高污水处理的效率和质量，需要对沉淀池进行优化，以提高处理效果。
二、沉淀池工作原理沉淀池是将进入的原水通过流态工艺，使其中的悬浮物在重力作用下分离沉淀，最终达到净化水质的目的。
沉淀池的设计和优化对于提高沉淀速度和沉淀效果具有重要意义。
三、沉淀池模拟优化方法1. 基于计算流体力学模拟通过利用计算流体力学（CFD）模拟方法，对沉淀池内的流动和混合过程进行模拟。
CFD可以预测流态参数的分布情况，如流速、浓度等，通过模拟分析不同的流态参数对沉淀效果的影响，从而指导设计和优化。
2. 数值模拟和优化算法利用数值模拟和优化算法对沉淀池进行优化。
通过黏性流体力学数值模拟，对流体流动进行计算和分析，结合多目标优化算法对沉淀池的形状、尺寸等参数进行优化。
通过不同的约束条件和目标函数，确定最佳设计方案。
四、沉淀池模拟优化技术应用案例1. 沉淀池形状优化利用CFD模拟技术和优化算法，对沉淀池形状进行优化设计。
通过改变沉淀池的形状，增加接触面积，提高沉淀效果。
通过数值模拟和优化算法的迭代，得到一个更佳的沉淀池形状设计。
2. 流态参数优化通过CFD模拟方法，模拟不同流态参数对沉淀效果的影响。
例如，改变进水流速、悬浮物浓度等参数，通过模拟分析得出最佳参数组合，使沉淀效果最大化。
3. 多目标优化设计通过建立多目标优化模型，考虑不同的约束条件和目标函数，综合考虑沉淀池的处理效果、经济成本等因素。
通过优化算法得到一个满足多个目标的最佳设计方案。
五、结论通过沉淀池模拟优化技术，可以准确预测沉淀池中的流态参数分布，指导优化设计。
同时，多目标优化设计可以综合考虑不同的因素，得到性能更好、成本更低的沉淀池设计方案。
沉淀池模拟优化技术在规模化城市污水处理厂中有着重要的应用前景，可以提高污水处理的效率和质量，减少对环境的影响。
高密度沉淀池运行存在问题及解决措施
高密度沉淀池运行存在问题及解决措施摘要：高密沉淀池是集混凝、絮凝、沉淀澄清、污泥浓缩于一体的紧凑型污水处理系统，污水首先通过混凝、絮凝区与投加药剂充分混合，药剂通过加药泵投加到混凝区，在絮凝区充分反应形成大颗粒絮体，在高密区由于污泥与水密度差进行自然分离，污泥下沉，清水从出水堰流至下一处理单元。
关键词：高密度沉淀池运行管理一、高密度沉淀池工艺原理高密度沉淀池是通过投加混凝剂、絮凝剂、液碱、碳酸钠等药剂，在混凝、絮凝区利用搅拌器与投加药剂充分混合，投加药剂同时在反应稳流器内部设置提升设施，在提升设施推动下形成内循环流态，利用严格的水力条件保持一定的流速，以利于絮体的逐渐长大，同时又不打破形成的絮体，絮体进入到沉淀区后实现快速分离，从而去除水中的硬度、悬浮物等杂质。
处理水量：100m3/H澄清区表面负荷：11.2 m3/m2·h混合搅拌停留时间：2min絮凝反应停留时间：10min运行方式：2组，并联运行高密度沉淀池结构图二、高密度沉淀池进、出水水质指标三、高密度沉淀池运行存在问题及解决办法1、悬浮物沉降性能差高密度沉淀池投运初期，在反应区、絮凝区、沉淀区均有絮体上浮，导致产水悬浮物指标不合格，后续水处理设施污堵。
反应区气泡絮凝区污泥上浮解决措施：①降低进水压力。
高密进水压力达0.6mpa以上，导致水中溶解气体在反应区瞬间释放，气体上浮。
通过增加进水分布管，增加过流面积，反应区气泡减少，浮渣明显降低。
②降低搅拌器频率。
絮凝区搅拌器频率由40Hz降低为32Hz,使絮体不被打碎，增加沉降性能。
③加强回泥、排泥管理。
沉淀区泥位太高时容易导致出水带泥，要求操作工加强巡检，不允许沉淀区泥位高出“高位检测口”，要求在“中位检测口”时及时排泥20-30min，并保证“低位检测口”始终有泥。
④调整絮凝区回泥量。
絮凝区回泥量大小影响絮凝反应效果。
调试初期因为高密沉淀区泥量少，再加回泥泵出口阀开度控制，导致回泥量不足絮凝效果差。
某地净水厂高密度沉淀池工艺设计图
80吨每小时高密度沉淀池方案
80吨/小时高密度沉淀80吨/小时高密度沉淀池技术方案项目名称：方案编制：日期：目录1. 工艺设计 (3)1.1. 进出水水质水量 (3)1.2. 工艺选择 (3)1.3. 高密度沉淀池示意图 (4)1.4. 高密度沉淀池工艺示意图 (4)1.4. 高密度沉淀池工艺示意图 (5)1.5. 高密度沉淀池配置目的 (5)1.6. 高密度沉淀池优点 (5)1.7. 设备规格 (5)1.8. 技术参数 (6)1.9. 设备清单 (8)2. 运行成本 (8)2.1. 运营支出明细 (8)2.2. 运营支出汇总表 (9)3. 商务报价 (9)1.工艺设计1.1.进出水水质水量1.2.工艺选择根据业主提供进水水质，采用高密度沉淀池工艺段主要去除钙镁离子。
高效沉淀池设计非常紧凑，它把混凝池、絮凝池、沉淀池和污泥浓缩集合于一体。
1)PH调节区：原水进入PH调节区，加碱使得镁离子生成氢氧化镁。
反应区设置搅拌器，使得原水和碱液能快速并充分地进行反应，形成絮体，以便在后续处理中进一步沉淀去除。
2)混合反应区：混凝反应混合过程中应使混凝剂水解产物迅速地扩散到水体中的每一个细部，使所有胶体颗粒几乎在同一瞬间脱稳并凝聚，这样才能得到好的絮凝效果。
该过程是靠搅拌器的提升混合作用完成泥渣、药剂、原水的快速凝聚反应，然后经叶轮提升至推流反应区进行慢速絮凝反应，以结成较大的絮凝体。
混凝反应区投加碳酸钠生成碳酸钙，去除水中钙离子。
投加PAC生成污泥絮体。
3)絮凝反应区絮凝反应区也就是慢混区，由可调速搅拌机控制加药后混合水的搅拌速度，以促进矾花的增大，使矾花密实均匀。
絮凝反应区中污水在助凝剂和回流污泥的作用下，形成高浓度的悬浮泥渣层来增加颗粒碰撞机会，有效吸附胶体、悬浮物、乳化油、COD及金属离子等污染物。
污泥回流，不仅可以节省药剂投加量，而且可使反应区内的悬浮固体浓度维持在最佳水平，从而达到优化絮凝反应的目的。
絮凝区通过投加PAM使絮体更紧密。
超大型周进周出式沉淀池优化设计中的水力性能数值模拟
超大型周进周出式沉淀池优化设计中的水力性能数值模拟王磊磊;许光明;陈俊;周奇;王国华【摘要】为改善超大型周边进水、周边出水沉淀池的水力性能,利用计算流体力学的方法对工程初步设计方案进行水力性能模拟.针对南方某污水处理厂直径为60m 的周边进水、周边出水沉淀池,借助FLUENT 6.3软件包提供的realizable k-ε模型,运用交错网格有限体积法计算分析沉淀池的流场特征,提出了相关的优化设计参数.计算结果表明:竖向流进水并设置双向挡板的沉淀池,其内部环流的半径可增大至26 ～ 28 m;径深比θ宜在8.0～ 10.0范围内选择；坡降i应控制为0.050.通过适宜的工程优化措施,可提升该沉淀池的内部环流性能.%To improve the hydraulic performance of a super sedimentation tank with peripheral inflow and peripheral effluent, the computational fluid dynamics method was used to simulate the hydraulic performance in a preliminary design scheme for a sedimentation tank. A case study was conducted in a sedimentation tank (with a diameter of 60 m) with peripheral inflow and peripheral effluent in a wastewater treatment plant in the south of China. The optimal design parameters were determined through analysis of the flow field characteristics of the sedimentation tank calculated by means of the staggered-grid finite volume method, with the help of the realizable k-∈ model provided by the FLUENT 6.3 software package. The results show that the radius of circulation increased to 26 to 28 m in the sedimentation tank with vertical flow and a two-way baffle, the appropriate ratio of diameter to depth (θ) ranged from 8.0 to 10.0, and the gradient (I) shouldbe set at 0.050. The performance of circulation in the sedimentation tank could be improved by taking proper optimization measures.【期刊名称】《河海大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(040)002【总页数】5页(P168-172)【关键词】污水处理厂;泥水分离;重力沉淀池;径深比;流场;有限体积法;数值模拟【作者】王磊磊;许光明;陈俊;周奇;王国华【作者单位】上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司研发中心,上海200092;同济大学环境科学与工程学院,上海200092;常州市排水管理处,江苏常州213017;常州市排水管理处,江苏常州213017;河海大学水利水电学院,江苏南京210098;上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司研发中心,上海200092【正文语种】中文【中图分类】X703.3污水处理厂的泥水分离主要靠重力沉淀方式完成.重力沉淀池的形状大多采用圆形池，有效池深为3～5m，直径一般为3～60m.为了提高沉淀池的有效利用率，周边进水、周边出水(以下简称周进周出)式沉淀池替代了传统的辐流式沉淀池[1]，并在2000年后得到了普遍应用，目前已成为国内污水处理厂中常见的一种池型.实际运行表明，周进周出水系统易在池子中上部形成驻流或慢流区，特别是当沉淀池直径较大(＞50m)时，这种现象尤为突出，造成中上部已澄清的水无法及时排出，影响效率.通常在1.5～2.0h的沉淀时间里，悬浮颗粒的去除率一般只有50%～60%[2]，远低于设计水平.据报道，沉淀池内的水力性能[3]、流场条件较差[4-5]，是造成这一问题的重要原因.目前在我国主要城市的污水处理系统中尚没有直径超过55m的周进周出式沉淀池，设计时该如何考虑这种超大型沉淀池的水力特性也未见报道，因此有必要对超大型圆形沉淀池内的流态和悬浮物浓度分布进行研究，从而精确地确定沉淀池的尺寸和沉淀效率.周进周出式沉淀池主要用于水解酸化池厌氧污泥的泥水初步分离，并将沉淀污泥回流至水解池，以提高水解池污泥浓度[6].笔者以南方某污水处理厂直径60 m的周进周出式沉淀池为研究对象，该沉淀池设计规模为10万m3/d，初始设计方案为:直径 60 m，有效水深 5.2 m，底坡坡降 0.05，设计水力表面负荷1.7m3/(m2◦h)，圆周侧向进水，145个配水孔.拟利用数值模拟的方法模拟水流在沉淀池内的流动情况，以得到水流在沉淀池内的流速分布和停留时间分布，据此优化沉淀池的结构，为其设计和运行管理提供依据.1 数学模型1.1 控制方程沉淀池内的流场本质上属于固液两相流，但已有研究[7-8]表明，进水活性污泥混合液固体质量分数不超过0.3%，固体颗粒的密度在1.015～1.034g/cm3之间，粒径在10～70μm之间，由于固相与液相密度接近，固体含量很低、直径很小，具有很好的跟随性.从流体力学的角度看，低加载率使得两相之间的耦合作用呈单向，即作为载体的流体介质可以通过推流和涡漩影响粒子的运动，但是粒子对流体运动却没有影响，因此可以简化为单相流场计算.通用计算流体力学软件包FLUENT 6.3中提供了多种湍流模型，其中realizablek-ε模型[7-8]在k-ε标准模型的基础上增加了湍流黏性公式和耗散率输运方程，因此在流动分离和二次流方面有很好的模拟性能.笔者在研究中选择realizable k-ε模型进行计算，其紊动能k和紊流动能耗散率ε的运输方程分别为式中符号含义同文献[7-8].计算时假定进入沉淀池的清水密度为1000.35kg/m3，动力黏度为1.005e-3Pa◦s.考虑进水口对沉淀池的影响较大，因此按原设计方案取145个进水口.沉淀池的主要设计参数见图1.计算采用非结构网格，网格节点为30万个.图1 周进周出式沉淀池主要设计参数(高程单位:m;尺寸单位:mm)Fig.1 Main design parameters for sedimentation tank with peripheral inflow and peripheral effluent(Units:elevation in m，and sizein mm)1.2 边界条件进口为速度边界条件，出口压力为敞开大气压，水面为自由界面，没有剪切和滑移速度，池底和边壁为固体壁面，壁面上流速为零，使用标准壁面函数.用交错网格有限体积法(CVM)求解微分方程，压力与速度耦合方程用SIMPLEC方法进行求解，对湍动能、湍流耗散、动能均采用QUICK离散格式.2 沉淀池内部环流的优化利用已建立的沉淀池数值模型模拟计算周进周出式沉淀池内部环流区域的流场特征.辐流式沉淀池的内部环向流速受池底、边壁、进口挡板及出口溢流堰影响较大[9]，与假设切向速度为零的理想沉淀池存在很大差异.为改善内部环流，拟分别讨论进水方式、挡水裙板、径深比和坡降对沉淀池内流场的影响.2.1 进水方式的比选针对初始设计方案中侧向进水的方式计算沉淀池内的速度矢量分布，分析沉淀池内的流场特点.计算结果见图2.尽管沉淀池内流态复杂，但如果忽略池底部及池顶自由液面的影响，池内各纵断面的流动情况基本一致，表明进水处水流的分配基本均匀.如图2所示，侧向进水时进口流速较大，水流未直接从挡板上方的溢流堰流出，而是在配水槽后10～20m范围后形成一股旋流，但在同一断面内流速衰减较快，半径20m的断面靠近池底处流速已接近1.00×10-2m/s.为了增加水流动力效应对悬浮污泥颗粒的裹挟作用并促使污泥均匀沉降，进一步增大池内水力环流的半径，将沉淀池进水方式改为竖向流，使断面上不同深度的流速增大.进口处局部放大的流速矢量显示，竖向进水时沉淀池中间水位的流速有所增加，一般在2.00×10-2～4.50×10-2m/s，与设计流速基本吻合.2.2 挡水裙板的优化设计沉淀池挡水裙板的设置一方面可以起到消能和稳定水流的作用，且挡板浸入水下深度宜大些;另一方面，由配水槽下向流进水时，入口段挡板后方出现了一个较大的旋涡区，随着挡板相对淹没深度的增加，旋涡的回流区域也在增大，即淹没深度越大则池内死水区也越大，不利于沉淀[10].因此，挡板的相对淹没深度存在一个合理范围.根据设计方案，建模时选择3种方案(图3)进行比选.3种方案分别如下:方案b1，即原设计方案，无挡水裙板，沉淀池侧面进水;方案b2，沉淀池底部挡板旁边设置裙板，沉淀池上部进水;方案b3，进水口与方案b2的布置形式相同，但裙板的位置不同.分别对3种方案建立模型，并计算相应的流场特性参数.流速分布计算结果见图4.图2 进水方案不同断面的流速分布Fig.2 Inflow velocity distributions at different cross-sections图3 挡水裙板布置示意图(高程单位:m;尺寸单位:mm)Fig.3 Layout of water-retaining baffle(Units:elevation in m，and size in mm)对比局部断面的流线(图略)可知，方案1流线最短，可能是水流从侧面进入沉淀池后直接从上部的溢流堰流出，内部形成短流的可能性较大.因此，侧面进水时无挡板和裙板方案的水力条件较差.试验结果及图4表明，沉淀池进口无挡板时，起端流速较大，但未在纵断面上形成明显的环流中心，池内流速的梯度差只有0.002m/s，至池中心时流速偏于混乱，易造成已经形成的污泥颗粒沉降不均匀.方案b2与方案b3的进水方式相同，但裙板布置方式不同，2种方案中水流先从进水口进入，然后通过挡板和裙板折流至底部，再从溢流堰流出.加设垂向挡板后，池内流速的梯度差增大至0.007m/s，纵断面上形成明显的环流中心，并且随着2块挡板垂向间距的缩小，起端流速和环流半径均略有增加，池内沉降区流速分布较合理，悬浮污泥颗粒既能被带走又不至于破裂.这2种方案的流线均较长，基本可至沉淀池中心位置，内部环流明显，形成短流的可能性较小.2.3 径深比的影响理论上，圆形沉淀池的径深比θ(其直径与有效水深h e之比)越大，对污染物的去除越有利，但沉淀池占地面积随径深比的增加而增加，相应的工程费用也增加，且会对水厂的整体布局造成困难;当径深比达到一定数值时，随着径深比的增大，沉淀池对污染物去除率的增加程度很小，因此有必要提出合理的径深比范围.根据GB50014—2006《室外排水设计规范》的推荐范围及设计方案，模拟计算时选择8种不同径深比方案(表1)建模，以考察径深比对沉淀池内部环流的影响.建模时，将中沉池进水及出水部分简化，并考虑对称建立半圆周的模型.由于仅考察沉淀池径深比对内部环流的影响，因此建立二维模型、比较中心断面流场分布即可[11-12].环流半径R c和雷诺数Re计算结果见表1.图4 沉淀池不同裙板的纵向速度分布(h=3.2m)Fig.4 Longitudinal flow velocity distributions in sedimentation tank with different layouts of baffle(h=3.2 m) 试验结果得到的8种有效水深时沉淀池内速度矢量的分布情况表明:θ由8.6增至12.0时，沉淀池内部低压力区域由池周向中心移动，而速度分布显示内部环流逐渐缩小，环流半径由28.6m降至15.4m;θ由8.6增至10.0时，紊流有所减弱;θ由10.0增至12.0时，池内紊流程度略有升高，压力变化很小.由此可见，设计时θ宜不小于8.0，当其值大于12.0时沉淀池内基本上无环流产生，死水区域过大.为节约用地、保证悬浮物的沉降，建议设计时取θ=8.0～10.0.2.4 池底坡降的影响根据污泥颗粒的沉降特性，沉淀池底的坡度有益于沉积污泥的刮除或吸出.坡度越大，沉淀池排泥越顺畅.另一方面，沉淀池底坡度的增加要求机械排泥设备相应地提高传动深度.以本工程为例，每增加0.010的坡降，污泥斗的深度需增加0.3m，同时沉淀池的工程造价也相应提高.因此，按照GB50014—2006《室外排水设计规范》和工程经验，辐流式沉淀池的坡降一般宜选择为0.050.以下通过建模和数值计算，分析沉淀池坡降适当增加对池内流态的影响.根据设计方案，模拟计算时采用不同坡降i及中心深度h，选择4种坡降方案建模.方案d1，i=0.050，h=6.70m;方案d2，i=0.050，h=7.50m;方案d3，i=0.075，h=8.25m;方案 d4，i=0.100，h=9.00m.其中方案d1的有效水深为5.2m(初始设计方案)，方案d2～d4的有效水深为6.0m.建模时，将中沉池进水及出水部分简化，并考虑对称建立半圆周的模型.由于仅考察坡降对池内环流的影响，因此建立二维模型、比较中心断面流场分布即可.计算结果见图5.计算结果表明，沉淀池底坡的坡降对池内流场有一定的影响.图5显示了3种坡降(0.050，0.075，0.100)的紊动能变化情况，说明随着池底坡度的增大，池内流场的紊动半径向着中心有所减小，但整体紊动强度的减弱并不明显.坡度0.050时沉淀池内部的环流明显，死水区域相对较小;坡度0.100时沉淀池内部的环流几乎消失，只在池中心形成一定的环流区域，对集水不利，同时死水区域相对较大.另外，3种坡降的总压等值线(图略)说明随着坡度的增大，高压区域逐渐分散，并向池中心移动，这与计算的速度矢量结果一致.因此，在0.050～0.100的范围内增加沉淀池的坡降，对沉淀池内部的整体流态改善有限.由于坡降增加对工程造价及设备要求的影响较大，因此沉淀池底坡降的设计应综合考虑工程造价等经济指标.经数值计算后，建议本工程的沉淀池坡降选择0.050.表1 不同径深比方案的环流半径和雷诺数比较Table 1 Circulation radiuses and Reynolds numbers of options with different ratios of diameter to depthc1 10.0 6.0 19.8±1.4 477863 c2 8.5 7.1 22.0±1.2 419847 c3 7.5 8.0 24.1±1.0 409924 c4 7.0 8.6 27.7±0.9 428626 c5 6.5 9.2 27.5±1.6 424809 c6 6.0 10.0 26.9±0.9 413359 c7 5.5 10.9 25.3±1.3 482824 c8 5.0 12.0 16.1±0.7 5072523 结论图5 沉淀池不同坡降的湍动能强度分布Fig.5 Turbulent kinetic energy intensity distributions at different gradientsa.南方某污水处理厂直径为60m的周进周出式沉淀池采用竖向流的进水方式较优，有利于提高沉淀池纵断面不同深度的流速分布，增大沉淀池内部的环流区域.b.改进周进周出式沉淀池内部环流的措施包括:设置互为垂向的挡板和裙板，但挡板高度及边距对沉淀池运行效率影响不大;沉淀池的径深比θ宜控制在8.0～10.0范围内;在i=0.050～0.100范围内，增加沉淀池的坡降对整体流态改善有限，沉淀池坡降宜选择0.050.参考文献:【相关文献】[1]BAJCARA T，GOSARB L，ŠIROKA B，et al.Influence of flow field on sedimentation efficiency in a circular settling tank with peripheral inflow and central effluent[J].Chemical Engineering and Processing，2010，49(5):514-522.[2]EKAMA G，MARAIS P.Assessing the applicability of the 1D flux theory to full-scale secondary settling tank design with a 2D hydrodynamic model[J].Water Research，2004，38(3):495-506.[3]LÓPEZ P R，LAVÍN A G ，LÓPEZ M M M，et al.Flow models for rectangular sedimentation tanks[J].Chemical Engineering and Processing，2008，47(9/10):1705-1716.[4]MARTIN A D.O ptimisation of clarifier-thickeners processing stable suspensions for turn-up/turn-down[J].Water Research，2004，38(6):1568-1578.[5]DAVID R，SAUCEZ P，VASEL J L，et al.Modeling and numerical simulation of secondary settlers:amethod of lines strategy[J].Water Research，2009，43(2):319-330. [6]GOULAA A M，KOSTOGLOUAM，KARAPANTSIOSTD，et al.The effect of influent temperature variations in asedimentation tank for potable water treatment:a computational fluid dynamics study[J].Water Research，2008，42(13):3405-3414.[7]GOSARL，STEINMAN F，ŠIROK B，et al.Phenomenological sedimentationmodel for an industrial circular settling tank[J].Journal of Mechanical Engineering，2009，55(5):319-326.[8]SBRIZZAIA F，LAVEZZOAV，VERZICCO R，et al.Direct numerical simulationof turbulent particle dispersion in anunbaffled stirredtank reactor[J].Chemical Engineering Science，2006，61(9):2843-2851.[9]何国建，汪德.矩形沉淀池内悬浮物沉降模拟[J].清华大学学报:自然科学版，2005，45(12):1617-1620.(HEGuo-jian，WANG De-guan.Modeling of suspended solid transportin rectangular settling tanks[J].Journal of Tsinghua University:Science and Technology，2005，45(12):1617-1620.(in Chinese))[10]王晓玲，曹月波，张明星，等.辐流式沉淀池固液两相流三维数值模拟[J].工程力学，2009，26(6):243-249.(WANG Xiao-ling，CAO Yue-bo，ZHANG Ming-xing，et al.Three-dimensional simulation of solid-liquid two-phaseflow in a circular secondaryclarifier[J].Engineering Mechanics，2009，26(6):243-249.(in Chinese))[11]屈强，马鲁铭，王红武，等.折流式沉淀池流态模拟[J].中国给水排水，2005，21(45):58-61.(QUQiang，MA Lu-ming，WANG Hong-wu，et al.Simulation of flow pattern in baffled sedimentation tank[J].China Water&Wastewater，2005，21(45):58-61.(in Chinese)) [12]蔡金傍，段祥宝，朱亮.沉淀池水流数值模拟[J].重庆建筑大学学报，2003，25(4):64-69.(CAIJin-bang，DUANXiang-bao，ZHU Liang.Numerical simulation of flow in sedimentation tanks[J].Journal of Chongqing Jianzhu University，2003，25(4):64-69.(in Chinese))。
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基金项目：重庆交通大学研究生教育创新基金资助项目
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万方数据
ｗ ｗ ｗ ． ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｇ ａ ｓ ｈ ｅ ａ ｔ ． ｃ ｏ ｍ
雷晓玲， 等： 给水厂高密度沉淀池沉淀区流态模拟及优化设计
第２ ７卷 第 ３期
淀池沉淀区的实际流态并提出设计优化建议具有重 要意义。 笔者以重庆市某拟建大型给水厂的高密度沉淀 池设计为原型， 借助大型计算流体力学软件 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ对其沉淀区内的流态进行数值模拟和设计优 化。拟建给水厂的处理能力为 ６ ０× １ ０ｍ／ ｄ ， 一期 供水能力为 ２ ０× １ ０ｍ／ ｄ ， 设计时考虑 ５ ％ 的水厂 内部水损失量以及系统 ５ ％ 的抗水力冲击负荷能 力， 因此， 水厂一期工程的最大设计处理能力为 ２ ２
!"!#$%&' !(''$%&' !)&!$%&' '"*+$,&' ')-.$,&' ')/0$,&' ')0/$,&' ').-$,&' ').&$,&' ')+'$,&' ')1!$,&' ')!1$,&' ')'+$,&' ')&0$,&' *)0-$,&! -)-&$,&! /)*!$,&! /)&+$,&! 0)'0$,&! .)!-$,&! +)+&$,&! 1).!$,&! !)0+$,&! ')/0$,&! -)-+$,&1 1)0.$,&.
万方数据
第２ ７卷 第 ３期 中 国 给 水 排 水 ｗ ｗ ｗ ． ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｇ ａ ｓ ｈ ｅ ａ ｔ ． ｃ ｏ ｍ
向池尾运动， 行进中有所扩散， 随着动能的消耗， 异 重流头部开始上升， 与向下运动的异重流组成两股 方向相反的液流切应力， 形成环流。异重流的存在 影响沉淀池设计的负荷能力。一方面， 异重流产生 的环流半径过大或过小， 都会影响沉淀池的表面负 荷； 即使环流半径较为适中， 在沉淀池中心也会形成 “ 死水区” ， 这部分水体不参于交换， 会影响沉淀池 的表面负荷。另一方面， 流速较大时还会冲刷池底 的一部分活性污泥， 污泥絮体被扰动而浮起， 形成污 泥絮体短路而排出， 会降低沉淀池的负荷率， 从而影 响最终的处理效果。
连续性方程： ｕ ｖ ＋ ＝ ０ ｘ ｙ （ １ ）
ｘ 方向的动量方程： ｕ ｕ ｐ ｕ ｕ ＋ ｖ ＝－ ＋ （ ｖ ）＋ ｘ ｙ ｘ ｘ ｔ ｘ ρ ｕ （ ｖ ）＋ Ｓ ｕ ｙ ｔ ｙ ｙ 方向的动量方程： ｖ ｖ ｐ ｖ ｕ ＋ ｖ ＝－ ＋ （ ｖ ）＋ ｘ ｙ ｘ ｘ ｔ ｘ ρ （ ２ ）
颗粒只有沉积， 没有冲刷。
Ф ０ ， ｕ ， ｋ ， ， Ｃ 。 ③ 自由水面边界： ＝ Ф＝ ε ｙ 池底和边壁为固体壁面， 壁 ④ 固定壁面边界： 面上流速为零， 使用标准壁面函数。 混合有限分析法具有自动迎风效应， 对于稳态
问题 具 有 二 阶 精 度。速 度 与 压 强 场 的 解 耦 采 用 Ｓ Ｉ Ｍ Ｐ Ｌ Ｅ过程， 使用结构化四边形网格共 ５ ２０ ３ ２个。 ２ 模拟结果与分析 计算经过近 １０ ０ ０步时满足收敛条件。沉淀区 在上述设定工况下的流场分布如图 ２所示， 沉淀区 。 出水口断面的流速分布见图 ３
（ ３ ）
采用标准 ｋ － ε两方程湍流模型计算紊动粘性 系数 ｖ ， 该模型建立了紊动粘性系数与紊动动能 ｋ ｔ 和紊动耗散率 ε的关系， 即ｖ Ｃ ｔ＝ μ 由其输运方程确定。 １ ２ 边界条件的确定 进水口采用流速均匀分布的假 ① 入口边界： 定， 进水口断面的紊动动能 ｋ ｍ 及其耗散率 ε ｍ 也假 设为均匀分布。单池流量 Ｑ＝ ０ ． ２ １ ２Ｌ ／ ｓ ， 进水流速 Ｖ＝ ０ ． ０ １ ６ｍ／ ｓ 。 出水口采用充分发展边界条件。 ② 出口边界： 因为已知外面的大气压， 故采用压力出口， 并满足压 方向的偏导为零的要求， 出口 力出口的物理量在 ｘ
（ １ ．Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ ａ ｎ ｄＯ ｃ ｅ ａ ｎＥ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇＪ ｉ ａ ｏ ｔ ｏ ｎ ｇＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ４ ０ ０ ０ ７ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ．Ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ ａ ｎ ｄＳ ｏ ｕ ｔ ｈ ｅ ｒ ｎＣ ｈ ｉ ｎ ａＭ ｕ ｎ ｉ ｃ ｉ ｐ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇＤ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎａ ｎ ｄＲ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈＩ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ， Ｗ ｕ ｈ ａ ｎ４ ３ ０ ０ １ ０ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｕ ｓ ｉ ｎ ｇｔ ｈ ｅｈ ｉ ｇ ｈ ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｒｏ ｆ ａｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｓ ｃ ａ ｌ ｅｗ ａ ｔ ｅ ｒｔ ｒ ｅ ａ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｐ ｌ ａ ｎ ｔ ｔ ｏｂ ｅｂ ｕ ｉ ｌ ｔｉ ｎ Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇａ ｓ ａ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｔ ｙ ｐ ｅ ，ｔ ｈ ｅ ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｆ ｌ ｏ ｗｐ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｎｉ ｎｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ ｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｒ ｗ ａ ｓ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄｕ ｓ ｉ ｎ ｇｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｌ ｉ ｑ ｕ ｉ ｄｔ ｗ ｏ ｐ ｈ ａ ｓ ｅｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｎ ｄｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄｔ ｗ ｏ ｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｋ－εｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｃ ｅｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎＦ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ．Ｔ ｈ ｅｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗｔ ｈ ａ ｔ ｓ ｅ ｒ ｉ ｏ ｕ ｓ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ｆ ｌ ｏ ｗ ，ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙｆ ｌ ｏ ｗａ ｎ ｄｖ ｏ ｒ ｔ ｅ ｘｆ ｌ ｏ ｗｅ ｘ ｉ ｓ ｔ ｉ ｎｔ ｈ ｅｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｒ ．Ｉ ｍ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅｆ ｌ ｏ ｗｐ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｎａ ｒ ｅｆ ｕ ｒ ｔ ｈ ｅ ｒ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ ，ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｉ ｎ ｇｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎ ｇｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ ｆ ｌ ｏ ｗｒ ａ ｔ ｅｔ ｏａ ｖ ｏ ｉ ｄｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙｆ ｌ ｏ ｗａ ｎ ｄｏ ｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ｉ ｎ ｇｔ ｈ ｅｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅｏ ｆ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｒ ｅ ａａ ｎ ｄｃ ａ ｔ ｃ ｈ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｏ ｄ ｅｔ ｏｉ ｍ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅｆ ｌ ｏ ｗｐ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｎｉ ｎｔ ｈ ｅｌ ａ ｍ ｅ ｌ ｌ ａａ ｒ ｅ ａ ． Ｋ ｅ ｙｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ： ｈ ｉ ｇ ｈ ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ ｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｒ ； ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ； ｆ ｌ ｏ ｗｐ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｎｉ ｎｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｉ ｎ ｇ ａ ｒ ｅ ａ ； ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ ｆ ｌ ｏ ｗ ； ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｏ ｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ 高密度沉淀池在欧洲已经应用多年， 近几年开 始进入我国市场， 并愈来愈广泛地被使用。高密度 沉淀池的沉淀区由预沉—浓缩池和斜板分离池组 成， 理想工作过程为： 原水在反应池絮凝后进入面积 较大的预沉区， 矾花移动速度放缓， 以此避免矾花的 破裂和涡流的形成， 也使绝大部分的悬浮固体在该 区沉淀并浓缩； 预沉出水进入斜板区以进一步去除 矾花。但是， 实际的沉淀情况总是偏离理想的沉淀 假设， 沉淀池内总会存在不同程度的死角、 短流、 异 重流等影响出水水质的因素。为此， 研究高密度沉
５ ． ０ １ ３× １ ０ Ｐ ａ ； 出泥口也为压力出口， 悬浮 压力为 １ ２ ｋ ， 其中 ｋ和 ε ε
１ 数学模型及其边界条件 １ １ 数学模型的选择 由于沉淀区结构对称， 可以简化为二维计算。 图 １为本研究所采用的高密度沉淀池沉淀区二维垂 向示意图。图中构筑物尺寸与拟建给水厂高密度沉 淀池的设计尺寸完全一致， 其中： Ｌ＝ １ ７ ． ２ｍ ， Ｌ １＝ ２ ． ０ｍ ， Ｌ ０ ． ２ｍ ， Ｌ １ ０ ． ７ｍ ， Ｈ ２ ． ６ ８ｍ ， Ｈ ２＝ ３＝ １＝ ２＝ ７ ． ０ ０ｍ ， Ｈ ２ ． ０ ５ｍ ， 有效水深为 ６ ． ８ｍ 。 ３＝
４ ３ × １ ０ ｍ／ ｄ ； 共有 ４座高密度沉淀池， 单池沉淀区面 ２ 积为 ２ ５ ５ｍ 、 长为 １ ７ ． ２ｍ ， 有效水深为 ６ ． ８ｍ 。 ４ ３ ４ ３
ｖ （ ｖ ）＋ Ｓ ｖ ｙ ｔ ｙ 式中 ｕ 、 ｖ — — —ｘ 、 ｙ 方向的流速分量 ρ — — —流体密度 ｖ — — —紊动粘性系数 ｔ Ｓ 、 Ｓ — — —源项 ｕ ｖ
（ １ ． 重庆交通大学 河海学院，重庆 ４ ０ ０ ０ ７ ４ ；２ ． 中国市政工程中南设计研究总院，湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ １ ０ ） 摘 要： 以重庆市某拟建大型给水厂的高密度沉淀池设计为原型， 利用 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ软件中的固 － 对其沉淀区内的流态进行数值模拟。模拟结果表明， 液两相流模型和标准 ｋ ε两方程湍流模型， 其沉淀区内存在较为严重的短流、 异重流及漩涡现象。为此进一步探讨了沉淀区内流态的改进方 法， 提出了通过提高进水流速来消除异重流以及优化配水区结构和集水方式来改善斜板区流态等 措施。 关键词： 高密度沉淀池； 数值模拟； 沉淀区流态； 异重流； 设计优化 中图分类号：Ｔ Ｕ ９ ９ １ 文献标识码：Ｃ 文章编号：１ ０ ０ ０－ ４ ６ ０ ２ （ ２ ０ １ １ ） ０ ３－ ０ ０ ５ ２－ ０ ４