BAF曝气管道布置方式的数值模拟_武魏魏

文章栏目：水污染防治DOI10.12030/j.cjee.201811187中图分类号X703文献标识码A武魏魏,叶家盛,郑俊,等.BAF曝气管道布置方式的数值模拟[J].环境工程学报，2019,13(11):2668-2674.WUWeiwei,YEJiasheng,ZHENGJun,etal.NumericalsimulationonthelayoutofBAFaerationpipeline[J].ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2019,13(11):2668-2674.BAF曝气管道布置方式的数值模拟武魏魏1，叶家盛1，郑俊2，张德伟2，黄河清1，*1.安徽工业大学能源与环境学院，马鞍山2430322.安徽华骐环保科技股份有限公司，马鞍山243032第一作者：武魏魏(1993—)，男，硕士研究生。研究方向：水污染防治。E-mail：1943960036@qq.com*通信作者：黄河清(1964—)，男，博士，教授。研究方向：环境流体力学。E-mail：heqing@ahut.edu.cn摘要针对曝气生物滤池(BAF)曝气不均导致的处理效率低下的问题，基于Fluent软件，采用标准k-ε模型对BAF多种曝气管道的布置方式进行了不同维度的数值模拟研究。利用二维数值模拟，通过对单边枝状、中心枝状和环状3种曝气方式的流场分析，结果表明，单边枝状和中心枝状对应的曝气孔气量分布较均匀，而环状的4个弯角处由于相对低压造成曝气量少或无曝气；进一步就原型双边枝状曝气的三维数值模拟表明，各曝气口的曝气量都接近理论均值，标准偏差为7.67×10−5m3·s−1，可以取得较好的均匀曝气效果。本研究可以有效地助力曝气生物滤池的选型设计，以较低的成本实现高效节能的目标。关键词曝气生物滤池；曝气管道；均匀曝气；数值模拟曝气生物滤池(biologicalaeratedfilter,BAF)是将生物氧化和截留吸附结合的新型好氧污水处理工艺，具有流程简单、处理效率高等优点[1]。按照其进水方式可分为上向流和下向流[2]，其中，上向流滤池不仅布水和布气均匀、不易堵塞，而且防止了滤料的流失[3]，因而应用较广泛[4-6]。此外，BAF池型一般为长方体，这便于施工和曝气管道布置，故很多设计研究中都选用该池型[7-8]。当污水流经滤料表面时，水中的溶解氧也向生物膜内扩散，污水中的有机物在滤料表面微生物的生化作用下得到有效降解，最终转化成CO2和H2O等代谢产物[9-11]。因此，良好的曝气可有效地提高对污染物的去除效果。本研究旨在通过数值模拟探究出较好的曝气方式及曝气效果。近年来，BAF曝气方面的相关研究多以实验和数值模拟为主。在BAF反冲洗的研究方面，张杰等[1]通过BAF反冲洗特性实验研究出脉冲气冲和连续水冲的组合比气水同时反洗要好；李微等[12]采用间歇曝气/曝气生物滤池工艺探究脱氮除磷的效果，通过定量控制一级及二级曝气量达到了较好的脱氮除磷效果；杨春娣[13]采用模型实验和数值模拟结合的方法，通过控制水深纵横比及曝气孔径，使气液两相流场分布均匀、混合充分；刘玉玲等[14]对推流式曝气池进行了数值模拟研究，通过对流场结构的分析探索出提高氧气利用率、减少能耗的方法。目前，有关BAF曝气管道布置方式的直接研究较少，采用数值模拟研究方法也很少。本研究以某污水处理厂采用前置反硝化曝气生物滤池的曝气管道系统为对象，首先进行二维数值模拟，收稿日期：2018-11-29；录用日期：2019-06-05环境工程学报ChineseJournalofEnvironmentalEngineering第13卷第11期2019年11月Vol.13,No.11Nov.2019http://www.cjee.ac.cnE-mail:cjee@rcees.ac.cn(010)62941074探索中心枝状、单边枝状和环状曝气方式的优劣，然后通过三维数值模拟对拟采用的基于二维数值模拟所确定的较好曝气方式的曝气均匀性及效率进行定量确认。本研究运用数值模拟方法，将定性和定量地表达曝气系统的流场分布情况，可快速、准确地找出较好的曝气方式，从而为曝气生物滤池的选型设计提供参考。1数值模拟模型概述1.1守恒方程守恒方程包括质量守恒方程和动量守恒方程[15]，如式(1)和式(2)所示。∂ρ∂t+∂(ρu)∂x+∂(ρv)∂y+∂(ρw)∂z=0(1)式中：ρ为流体密度，kg·m−3；t为流动时间，s；x、y、z分别为直角坐标系的3个互相垂直方向的距离，m；u、v、w分别为x、y、z方向的速度，m·s−1。∂(ρui)∂t+∂∂xj(ρuiuj)=ρgi−∂p∂xi+∂∂xj((µ+µt)∂ui∂xj)(2)式中：ρ为流体密度，kg·m−3；μ和μt分别