CN101244868A - 一种射流曝气污水处理反应器的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种射流曝气污水处理反应器的优化设计方法。具体步骤为：根据进出水水质水量，按照经验设计参数和公式，计算获得反应器结构尺寸和射流曝气器的型号，然后用CFD技术模拟反应器内部的水力流态，在流态优化的情况下确定反应器的结构尺寸、射流曝气器的工作水深和布水器锥体的角度等，从而实现射流曝气反应器的优化设计。本发明采用CFD数值模拟，在反应器流态优化的情况下确定结构尺寸、射流曝气器工作水深等等，具有周期短、成本低的特点。

Description

一种射流曝气污水处理反应器的优化设计方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种射流曝气污水处理反应器的优化设计方法。

背景技术

射流曝气是应用喷嘴技术，使污水经过射流器喷嘴，产生快速射流夹带和分散气相，将气-液-固混合液导入污水处理反应器，达到曝气和搅拌作用。它具有操作简单、不易堵塞、易于维修、充氧能力较强、氧利用率高等优点，因此日益应用于污水处理工艺中。

在污水处理工程中，反应器的结构、尺寸和内部流态影响到基建投资的大小、污水处理的效果等等。目前污水处理反应器的设计，基本上都是依据设计手册和相关规范中的经验参数和公式进行。这些经验参数和公式是根据大量的工程实践总结得出的，具有使用简捷、方便等优点。但是，依据经验参数和公式设计反应器的过程中也存在一些问题，如设计参数的范围较宽；参数选择的经验性较强；较少考虑到反应器内部的流动状况；一旦参数的选值略有差异，可能对污水处理反应器的水力混合过程和处理效果造成较大的影响等等。大量的研究和工程实例表明，仅仅根据经验参数和公式设计的污水处理反应器有时并不能保证良好的水力混合状态和污水处理效果，更无法实现污水处理反应器的优化设计。

在污水处理反应器中，流体是物质和能量传递的主要载体，反应器的水力特性直接影响反应器的混合过程，制约着反应器的处理效果。因此，从反应器内部的流态优化考虑，利用计算流体力学(CFD技术)的方法研究反应器的水力特性，对反应器的设计进行分析，为指导反应器的优化设计提供了一条新的途径和方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种射流曝气污水处理反应器的优化设计方法，以达到反应器结构和水力流态的优化设计。

本发明提出的射流曝气污水处理反应器的优化设计方法，是根据进出水水质水量，按照经验设计参数和公式，计算获得反应器结构尺寸，选取射流曝气器，然后用CFD技术模拟反应器内部的水力流态，在流态优化的情况下确定反应器的结构尺寸、射流曝气器的工作水深、布水器的角度等，从而实现射流曝气反应器的优化设计。具体步骤如下：

(1)根据进出水水质水量，按照经验设计参数和公式，计算获得反应器的结构尺寸和射流曝气器的型号；其中：

(A)、反应区的容积V₁：

V₁＝Qt₁

Q为进水水量，单位m³/h，t₁为反应区停留时问，单位为h；

(B)、沉淀区的表面积F₃和容积V₃：

$F_3=\frac{Q}{q},$

V₃＝Qt₂

Q为进水水量，单位为m³/h，q为沉淀区表面水力负荷，单位为m³/m².h，t₂为沉淀区停留时间，单位为h；

(C)、反应区的表面积F₁：

$F_1=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_1^2,$

D₁为反应区直径，单位为m；

(D)、导流区表面积F₂：

$F_2=\frac{\mathrm{\π}}{4}(D_2^2-D_1^2)$

D₂＝D₁+2B₁

D₁为反应区直径，单位为m；B₁为导流区宽度，单位为m，D₂为导流区直径，单位为m；

(E)反应器直径D：

$D=\sqrt{\frac{4(F_1+F_2+F_3)}{\mathrm{\π}}}$

F₁为反应区表面积，F₂为导流区表面积，F₃为沉淀区表面积；

(2)、采用CFD软件FLUENT进行反应器流态数值模拟：

根据步骤(1)得到的反应器结构尺寸，在FLUENT前处理软件GAMBIT中建立反应器二维几何模型；

建模结束后，将反应器进行网格化处理，采用非结构式三角形网格，网格大小根据计算精度与计算量平衡决定，并在进水口、出水堰口、射流器进出口等速度梯度较大的位置进行适当的网格加密，提高计算精度。

模型网格化后，对反应器进出水口、射流器进出水口进行边界设置。反应器进水口、射流器进水口设置为速度进口，流速根据： $v=\frac{4Q^{\′}}{{\mathrm{\πd}}^2},$ 计算得到，式中Q’为反应器处理水量或射流器工作流量，d为进水管直径或射流器进出水管直径。反应器出水口设置为压力出口，压力为空气大气压。

边界设置结束后用GAMBIT输出MSH文件后导入至FLUENT中进行计算。在FLUENT中，采用2D隐式解算器，湍流模型选用标准k-ε模型。

初始设置完毕后，进行迭代计算，当残差满足计算要求后认为计算结束。

导出反应器流态数值模拟图，观察数值模拟结果。

(3)、如果数值模拟结果显示反应器内部不存在死区、短流等现象，并符合设计预期，表明设计方案是合适的，不需要作修正；如果数值模拟结果显示反应器内存在死区、短流等现象，或者与设计预期有较大出入，则表明设计方案需要修正，则改变反应器结构的局部尺寸、反应器内射流曝气器的工作水深、布水器的角度等因素进行调整。修正后再次返回步骤(2)进行数值模拟，如果依然未达到设计预期，则继续修正，直到模拟结果满足设计预期；

(4)、在流态优化的情况下最终确定反应器的结构尺寸、射流曝气器的工作水深和布水器的角度等，从而实现射流曝气反应器的优化设计。

本发明的优点在于：1.传统的污水处理反应器设计方法，很少考虑反应器内部的内部流态，本发明在结合经验参数和公式的基础上，应用CFD技术模拟反应器内部的流态，可以直观地反映出反应器内部的水力特性。2.在反应器结构优化的设计中，如果采用物理模型实验研究，每一个不同的结构尺寸需建造一个反应器，则实验的成本高，周期长。本发明采用CFD数值模拟，在反应器流态优化的情况下确定结构尺寸、射流曝气器工作水深等等，具有周期短、成本低的特点。

附图说明

图1是射流曝气污水处理反应器的结构图。

图2是射流曝气污水处理反应器内部流态数值模拟图(射流器工作水深2m，尾部不设置布水器，回流缝宽度100mm)。

图3是射流曝气污水处理反应器内部流态数值模拟图(射流器工作水深2m，尾部不设置布水器，回流缝宽度25mm)。

图4是射流曝气污水处理反应器内部流态数值模拟图(射流器工作水深2m，尾部设置斜向45度布水器)。

图5是射流曝气污水处理反应器内部流态数值模拟图(射流器工作水深3米，尾部设置斜向45度布水器)。

图6是射流曝气污水处理反应器内部流态数值模拟图(射流器工作水深3米，尾部设置斜向15度布水器)。

具体实施方式

以下结合附图和发明人依本发明的技术方案所完成的具体事实例，对本发明作进一步的详细描述。

依本发明的技术方案，射流曝气污水处理反应器优化设计方法的步骤如下：

1、根据进出水水质水量，按照经验设计参数和公式，计算获得反应器结构尺寸和选取射流曝气器；

2、根据反应器的结构尺寸与边界条件，利用CFD技术对反应器内的流态进行数值模拟；

3、如果数值模拟结果显示反应器内部不存在死区、短流等现象，并符合设计预期，表明设计方案是合适的，不需要作修正；

4、如果数值模拟结果显示反应器内存在死区、短流等现象，或者与设计预期有较大出入，则表明设计方案需要修正，则改变反应器结构的局部尺寸、反应器内射流曝气器的工作水深、布水器的角度等因素进行调整；

5、修正后再次进行数值模拟，如果依然未达到设计预期，则继续修正，直到模拟结果满足设计预期。

6、在流态优化的情况下最终确定反应器的结构尺寸、射流曝气器的工作水深和布水器的角度等，从而实现射流曝气反应器的优化设计。

具体实施例1：以下是发明人以处理水量为2m³/h的中试反应器的优化设计过程为例。

一、确定反应器的结构尺寸

反应器结构如图1。设污水进水水量Q＝2m³/h，进水BOD为240mg/L，出水BOD为10mg/L，污泥浓度为4g/L。采用10t/h的射流曝气器。按照设计手册和相关规范的经验设计公式，计算得到反应器的结构尺寸。

1.反应区的容积V₁

设反应区(包括好氧区、缺/厌氧区)的水力停留时间t₁＝8h，反应区容积

V₁＝Qt₁＝2×8＝16m²

由 $V_1=\frac{24Q(\mathrm{So}-\mathrm{Se})}{1000\mathrm{LsX}}$ 得BOD污泥负荷率Ls

$\mathrm{Ls}=\frac{24Q(\mathrm{So}-\mathrm{Se})}{1000V_{1}X}=\frac{24\×2\×(240-10)}{1000\×16\×4}0.1725\mathrm{kgBO}{D}_5/\mathrm{kgMLSS}.d$

2.沉淀区表面积F₃和容积V₃

设沉淀区表面水力负荷q＝0.66m³/m².h，则沉淀区表面积F₃

$F_3=\frac{Q}{q}=\frac{2}{0.66}=3.03m^2$

取沉淀区高度h₃取为2.8m，则沉淀时间为t₂＝2.8/0.66＝4.24h。

则容积V₃

V₃＝Qt₂＝2×4.24＝8.48m³

3.反应区直径D₁和表面积F₁

设反应器水深H＝6m，取反应区直径D₁＝1.4m，则反应区表面积F₁

$F_1=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_1^2=\frac{\mathrm{\π}}{4}\×{1.4}^2=1.54m^2$

4.导流区直径D₂与宽度B₁

取导流区宽度B₁＝0.15m，则导流区直径D₂＝D₁+2B₁＝1.4+2×0.15＝1.7m，导流区表面积F₂

$F_2=\frac{\mathrm{\π}}{4}(D_2^2-D_1^2)=\frac{\mathrm{\π}}{4}({1.7}^2-{1.4}^2)=0.73m^2$

设回流比R＝400％＝4，污水在导流区下降流速v₂

$v_2=\frac{Q(1+R)}{3.6F_2}=\frac{2\×(1+4)}{3.6\×0.73}=3.8\mathrm{mm}/s$

5.反应器直径D

反应器直径D

$D=\sqrt{\frac{4(F_1+F_2+F_3)}{\mathrm{\π}}}=\sqrt{\frac{4\×(1.54+0.73+3.03)}{\mathrm{\π}}}=2.60m$

6.反应器其他主要部位尺寸的确定

取反应区直壁高h₁＝2.9m(h₁≥h₃+0.414B₁)；

反应器水深H＝6m，超高取h₅＝0.6m，则反应器总高H’＝H+h₅＝6.6m；

反应器斜壁与水平成45°角，取斜壁高h₄＝0.6m，则反应器直壁高h₂＝H-h₄＝5.4m；

反应器底部直径D₃＝D-2h₄＝2.6-2×0.6m＝1.4m。

7.反应区导流孔尺寸的确定

设污水通过导流孔的流速v₁＝100mm/s，则导流孔总面积f

$f=\frac{Q(1+R)}{3.6v_1}=\frac{2\×(1+4)}{3.6\×100}=0.028m^2$

沿圆周等角度开20个窗孔，每个孔面积为f₁

$f_1=\frac{f}{n}=\frac{0.028}{20}=14\×{10}^{-4}{m}^2=140{\mathrm{mm}}^2$

采用B×H＝30mm×50mm的窗孔。

8.污泥回流缝尺寸的确定

取反应区底直径D₄大于池底直径D₃0.2m，则D₄＝D₃+0.2＝1.4+0.2＝1.6m

取回流缝宽度b＝0.1m，顺流圈长度L＝0.424m，则回流缝过水面积为f₂

$f_2=\mathrm{\πb}(D_4+\frac{L+b}{1.414})=\mathrm{\π}\×0.1\×(1.6+\frac{0.424+0.1}{1.414})=0.62m^2$

回流缝内流速v₄

$v_4=\frac{\mathrm{QR}}{3.6f_2}=\frac{2\×4}{3.6\×0.62}=3.6\mathrm{mm}/s$

二、利用CFD技术对反应器进行数值模拟和分析

CFD软件采用FLUENT，反应器采用非结构式三角形网格，网格尺寸20mm，在进水口、出水堰口、射流器进出口等速度梯度较大的位置进行适当的网格加密。反应器进水口、射流器进水口设置为速度进口，流速根据： $v=\frac{4Q^{\′}}{{\mathrm{\πd}}^2}$ 计算得到，反应器进水口流速为0.11m/s，射流器进水口流速为0.55m/s，射流器出水口流速为1.41m/s。反应器出水口设置为压力出口，压力为空气大气压。反应器数值模拟采用单相不可压二维模型，湍流模型采用标准k-ε方程。

1、反应器局部尺寸的优化设计，以回流缝为例。设计射流器工作水深2m，尾部不设置布水器，回流缝宽度为100mm，图2为反应器内流态数值模拟图。从图2中可看到反应器下部混合情况良好，但是由于回流缝过宽，存在有短流现象，很大部分污水未经过反应区的生化处理就直接通过回流缝流向了沉淀区，这样会严重降低污水的处理效果。因此，需减小回流缝的宽度。取回流缝宽度b＝0.025m，图3为回流缝宽度为25mm时反应器内流态数值模拟图，从图3中可以看出，短流现象得到了很好的控制。

2、布水器的设置。图3中短流现象得到了很好的控制，反应器中的水力流态也较好，但是满足不了有脱氮除磷要求工艺的设计期望，因为射流曝气器的出流为直接排放，充氧的混合液直接喷入反应器底部，造成底部厌氧/缺氧区的体积减小或者根本不存在厌氧/缺氧区，从而不能有效进行反硝化脱氮处理。因此，在不改变反应器尺寸的前提下，考虑在射流器的出口设置布水器，改变喷射水流的方向。

3、射流曝气器的工作水深。图4为射流器工作水深2米，尾部设置斜向45度布水器的反应器内部流态数值模拟图。从图4中可观察到，设置布水器后，改变了下喷水流的方向，形成的漩涡增强了水力混合效果。但是反应器的下部水力混合情况较差，存在部分死区，易造成下部污泥的沉积。因此，考虑增加射流器的工作水深。图5为射流器工作水深3米，尾部设置斜向45度布水器的反应器内部流态数值模拟图。从图5看出，射流器的工作水深增加后，反应器下部的流态得到了改善，不存在死区。考虑到工艺有脱氮除磷的要求，反应器中厌氧/缺氧区不宜过小，因此不再增加射流的工作水深。

4、布水器锥体的角度。图5中虽然改善了反应器下部的流态，但是上部的水流特性相对较差，因此尝试改变布水器锥体的角度。图6为射流器工作水深3米，尾部设置斜向15度布水器的反应器内流态数值模拟图。从图6中可以看到，反应器内部流态明显改善，达到了反应器内部水力流态的优化设计。

三、实现反应器的优化设计

经过几次设计参数的调整，运用CFD技术对反应器内部流态数值模拟和对比分析，确定处理水量2m³/h的中试反应器的尺寸为：反应器池深6m，直径2.6m，回流缝宽度25mm，采用10t/h的射流曝气器，射流器的工作水深为3m，尾部设置斜向15度的布水器，其余尺寸见具体实施例1中的步骤一。

Claims (2)

1.一种射流曝气污水处理反应器的优化设计方法，其特征在于根据进出水水质水量，按照经验设计参数和公式，计算获得反应器结构尺寸和射流曝气器的型号，然后用CFD技术模拟反应器内部的水力流态，在流态优化的情况下确定反应器的结构尺寸、射流曝气器的工作水深、布水器的角度，从而实现射流曝气反应器的优化设计。

2.根据权利要求1所述的一种射流曝气污水处理反应器的优化设计方法，其特征在于射流曝气污水处理反应器优化设计的步骤为：

(1)根据进出水水质水量，计算获得反应器的结构尺寸和射流曝气器的型号；其中：

(A)、反应区的容积V₁：

V₁＝Qt₁

Q为进水水量，t₁为反应区停留时间；

(B)、沉淀区的表面积F₃和容积V₃：

$F_3=\frac{Q}{q},$

V₃＝Qt₂

Q为进水水量，q为沉淀区表面水力负荷，t₂为沉淀区停留时间；

(C)、反应区的表面积F₁：

$F_1=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_1^2,$

D₁为反应区直径；

(D)、导流区表面积F₂：

$F_2=\frac{\mathrm{\π}}{4}(D_2^2-D_1^2)$

D₂＝D₁+2B₁

D₁为反应区直径，B₁为导流区宽度，D₂为导流区直径；

(E)反应器直径D：

$D=\sqrt{\frac{4(F_1+F_2+F_3)}{\mathrm{\π}}}$

F₁为反应区表面积，F₂为导流区表面积，F₃为沉淀区表面积；

(2)采用CFD软件FLUENT进行反应器流态数值模拟：

根据步骤(1)计算得到的反应器结构尺寸，在FLUENT前处理软件GAMBIT中建立反应器二维几何模型；

建模结束后，将反应器进行网格化处理，采用非结构式三角形网格，网格大小根据计算精度与计算量平衡决定，并在进水口、出水堰口、射流器进出口位置进行网格加密；

模型网格化后，对反应器进出水口、射流器进出水口进行边界设置。反应器进水口、射流器进水口设置为速度进口，流速根据： $v=\frac{{4Q}^{\′}}{\mathrm{\π}{d}^2},$ 计算得到，式中Q’为反应器处理流量或射流器工作流量，d为进水管直径或射流器进出水管直径；反应器出水口设置为压力出口，压力为空气大气压；

边界设置结束后用GAMBIT输出MSH文件后导入至FLUENT中进行计算，在FLUENT中，采用2D隐式解算器，湍流模型选用标准k-ε模型；

初始设置完毕后，进行迭代计算，当残差满足计算要求后认为计算结束；

导出反应器流态数值模拟图，观察数值模拟结果；

(3)如果步骤(2)得到的数值模拟结果显示反应器内部不存在死区、短流现象，并符合设计预期，表明设计方案是合适的，不需要作修正；如果数值模拟结果显示反应器内存在死区、短流现象，或者与设计预期有出入，则表明设计方案需要修正，则改变反应器结构的局部尺寸、反应器内射流曝气器的工作水深、布水器的角度进行调整。修正后再次返回步骤(2)进行数值模拟，如果依然未达到设计预期，则继续修正，直到模拟结果满足设计预期；即实现射流曝气反应器的优化设计。

Images