高效磁混凝水处理设备数值分析及工程验证探究.pdf
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1、190研究与探索Research and Exploration 智能检测与诊断中国设备工程 2023.09(上)高效磁混凝水处理技术是在传统混凝沉淀工艺基础上,引入大比重、易回收的磁介质载体作为絮团内核,形成以磁混凝技术、磁沉淀技术和磁回收技术为核心的水处理工艺。但是,目前磁混凝沉淀技术还未有成熟的理论体系支撑,相关工艺和设备设计以及运维仍延用传统混凝沉淀的理论体系,而忽略了加磁沉淀水处理技术引入了大比重的磁介质而形成的絮团密度较大这一关键因素,在工程应用中出现了工艺杂乱、混凝效果不充分、磁介质性能未得到充分利用和磁介质出现沉槽等现象。为解决上述问题,本文借助混凝搅拌控制指标 G 值、混凝效
2、果控制指标分形维数 df,CFD 模拟和工程样机试验的方法,分析了高效磁混凝水处理设备池体的流态分布,提出相应的优化改造措施,并通过工程验证了高效磁混凝水处理设备的优化方案。1 高效磁混凝水处理设备系统优化设计待处理水体由泵提升至磁混凝系统,首先,进入快速预混合单元,定量加入 PAC;充分混合后自流进入磁介质混凝反应池,加入磁介质和回流污泥;经过搅拌形成微细絮体后进入絮凝反应池,加入 PAM 混合形成包裹磁介质的密实絮团。传统磁混凝水处理设备分为快速预混单元、磁介质混凝反应池和絮凝反应池,在实际运行中存在混凝不充分、加药量较大和磁介质出现沉槽等问题,优化后的设备在快速预混单元的静态混合器添加了
3、隔板和偏流多孔板;在磁介质混凝反应池中设置导流筒和分流板;在絮凝反应池中将长、短桨叶改为差速桨叶。2 CFD 流态仿真将 CFD 模拟应用在高效磁混凝水处理设备中,即利用仿真模拟的方法获得设备内部的流场信息,直观地了解设备内部的流场,从而进行设备优化设计。2.1 数学模型建立采用数值分析的方法对高效磁混凝水处理设备中的进行模拟,探究设备中布置不同形式的静态混合器、有无导流筒和分配板、调整桨叶长短后的流态变化。对该通讯作者:刘亚。高效磁混凝水处理设备数值分析及工程验证探究易洋,刘亚,陈立,唐珍建,任成全(中建环能科技股份有限公司,四川 成都 610045)摘要:在传统混凝沉淀工艺基础上,利用计算
4、流体力学(CFD),对高效磁混凝水处理设备的池体形式进行优化分析模拟,并进行工程验证。结果表明在高效磁混凝水处理设备预混单元中布置优化后的静态混合器可以有效地增强聚凝剂与水体中污染物颗粒的预混效果;在磁介质反应单元布置导流筒和分配板,改善了水流的紊动状况;同时在分配板的作用下,流体沿槽体底面循环排出,降低了磁介质沉槽率;在絮凝反应单元通过调整桨叶长短,差速桨叶絮凝效果明显优于长桨叶和短桨叶,可创造“一级池体多级强度”的絮凝条件,确保了絮凝效果。优化后的磁混凝水处理设备经工程验证,比传统设备的混絮凝剂投加量、水力停留时间、运行成本、设备能耗显著降低。关键词:CFD 模拟;静态混合器;差速桨叶;高
5、效磁混凝中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:1671-0711(2023)09(上)-0190-03模型进行四面体网格划分,并对导流筒和长短桨叶部分采取了网格局部加密和动网格设计。设备模型边界条件采取速度入口,压力出口,其中入口水流速度为1.84m/s,湍流强度为5%,当量直径为0.4m。设备中的水流为湍流,采取广泛应用的标准k-湍流模型,主要控制方程如下。2.1.1 连续性方程 (1)式中:为流体密度(kg/m3);t 为时间(s);u、v、w 为分别为 x、y、z 方向的速度(m/s)。2.1.2 动量方程 (2)式中:为流体的黏度(Pas);Fx为 x 轴方向的质量力(N);
6、为拉普拉斯算子。2.1.3 k-微分模型湍动能 k 方程:(3)湍动耗散率方程:(4)式中涡黏性;湍动能生成项 (5)设备9上.indd 1902023/8/30 14:32:41191中 国 设 备 工 程C h i n a P l a n tE n g i n e e r i n g中国设备工程 2023.09(上)各 常 数 项、C1、C2分 别 取 0.09、1.00、1.30、1.44、1.92。2.2 仿真结果分析2.2.1 快速预混合反应高效化模拟静态混合器是在管路中放置一系列结构相似的静止元件,使用这些元件并借助流体的自身动能,实现流体的不断分割、变形、位移和汇合,达到流体的充
7、分混合目的。优化后的静态混合器在传统静态混合器折板上增设了隔板。为提高快速预混模块出口水流速的均匀度,在出口增设偏流多孔板。采用优化后静态混合器的快速预混合单元,由于流道为折板式和设有隔板,改善了水流的紊动状况,反应器内紊流运动更加剧烈,能形成紊动能最大的“紊流带”,这些区域的紊动程度高于传统静态混合器,混合效果比较好,有利于絮体颗粒的碰撞黏结。且在快速预混合反应器出口处布置多孔板,有助于均匀出口水流流速,减小因快速预混器水流不均影响磁介质反应器混凝效果。2.2.2 磁介质混合反应高效化模拟磁介质混合反应是高效磁混凝水处理技术所特有的,是一个承上启下的反应单元,在其中加入磁介质和回流磁泥,同时
8、发生聚凝反应和絮凝反应:聚凝反应发生在新补加的磁介质与聚凝剂之间,用于强化聚凝反应;絮凝反应发生在聚凝反应形成的微小絮体与回流磁泥中带有的絮凝剂之间,同时使各待处理物质与药剂之间充分反应,为后续絮凝反应打下基础。2.2.3 絮凝反应高效化模拟絮凝反应单元的优化措施为通过水力搅拌改变设备内部流场,生成粒径大、密度高、分离快、沉泥含水率低的絮体。传统絮凝反应单元常采用短桨叶或长桨叶形式,优化后的絮凝反应单元采取差速桨叶搅拌,为絮凝反应单元创造了“一级池体多级强度”的絮凝条件。3 工程验证结合仿真结果优化高效磁混凝水处理设备,制造出工程样机应用到项目上开展工程试验,探究该设备的水处理能力,PAC、P
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