生产建设项目中旋流沉砂池除砂率数值模拟

冷 宗

(深圳市海平峰水务技术工程有限公司，广东 深圳 518000)

沉砂池既是污水处理中的重要设备，也是生产建设项目汇水外排中重要的预处理设施，通过去除含砂汇水中密度或直径较大的砂粒，减少砂粒对后续工艺中污泥泵等机械部件的磨损，减少管道堵塞，降低污泥负荷，避免砂粒过多积累于曝气池和污泥消化池而引发曝气头淤塞，提升沉沙处理效果。常见的沉砂池形式包括曝气式、平流式和旋流式等，其中旋流式沉砂池因占地面积小、性能稳定、除砂效率高等优势，在污水处理中的应用越来越广泛。当前研究旋流沉砂池软件数值模拟和小试模型的成果较多，而对沉砂池运行过程及除砂过程的模拟则研究较少，为此，文章依托生产建设项目旋流沉砂池措施，借助CFD模拟流体流动应用软件分析除砂效率的影响因素，通过比对试验数据，为项目旋流沉砂池运行参数调整及优化提供指导[1]。

根据《深圳市生产建设项目水土保持技术规范》(DB4403/T 34-2019)，深圳市生产建设项目汇水外排前必须加强沉砂处理：对于非汛期施工且坡度<5°的施工场地，沉砂设施总容量应达到50m3/hm2；
坡度≥5°的施工场地，沉砂设施总容量应达到100m3/hm2。汛期施工时，施工场地沉砂设施总容量应达到100m3/hm2。沉砂池占地位置选择时必须充分考虑地形、岩性及施工便捷程度，最好选择地形低洼平坦，水流速度小，无裂缝、沙砾层且岩性良好，开挖工程量小、施工方便的区域。位置确定后，应采用灰砂砖、浆砌石、钢筋混凝土结构。对于场地平缓、汇流面积小的场地可采用简易沉砂池；
而当单个沉砂池承接汇流面积在1.0hm2以上，则不宜采用简易沉沙池，而应采用旋流沉砂池。简易沉砂池和旋流沉砂池可沉沙量及除砂率的计算均按照DB4403/T 34-2019执行，根据此规范，旋流沉砂池设计深度应控制在1.0～2.0m，简易沉砂池深度≤1.5m；
旋流沉砂池长度至少达到2.0m、宽度至少为1.0m；
条件许可的建设项目应适当加大加宽旋流沉砂池尺寸，且沉砂池搅拌桨高度、叶片转动速度均为可调。

2.1 数学模型

考虑到旋流沉砂池流场中旋流流态为主导形式，故应用RNGk-ε湍流模型进行旋流流态模拟，该模型改善了桨叶周围各向异性湍流测报能力，能更好地处理流线弯曲程度大且应变率高的流动，模拟结果也更为准确[2]。

将试验用离散相砂粒视为体积分数在10%～12%之间的均匀球体，且不考虑颗粒之间的互相作用以及颗粒体积分数对连续相的影响，故采用DPM离散相模型进行砂粒动态模拟；
为最大程度降低离散相对连续流场的影响，流场内离散相质量和动量载荷率均应取最小值。在系统达到稳定状态下，采用MRF多重参考系模型进行搅拌过程模拟[3]。

2.2 几何模型

试验模型包括进水口、池体、搅拌桨、集砂斗及出水口等部分，具体构成情况详见图1，搅拌桨随水流方向顺时针旋转。

2.3 边界条件

应用Rosin-Rammler分布进行试验砂粒尺寸拟合，试验砂粒密度2.5×103kg/m3，粒径在0.1～0.2mm之间。在保持计算结果不变的情况下进行旋流沉砂池结构简化，忽略沉砂池壁厚。构建旋流沉砂池三维模型并进行网格划分，池体及出水渠表面均采用自由滑移壁面边界条件；
边壁和搅拌桨叶片为固体壁面，故则采用无滑移边界条件；
通过壁面函数法处理近壁流动区；
以旋流沉砂池有效水深为池体有效高度。

3.1 进水流量与叶片转速

根据试验数据，进水流量和搅拌桨转速对旋流沉砂池除砂率影响较大，具体如图2所示。进水流量与除砂率呈反向变动关系，且进水流量一定时除砂率随搅拌桨转速的增大先升后降，进水流量越大则这种抛物线关系越明显。当进水流量在200h～500m3/h之间取值时，搅拌桨最佳转速位于15～30r/min之间，最高除砂率则在81.25～53.78%之间变化。

在水量较低的情况下，旋流沉砂池水力停留时间较长，砂粒可沉降时间较为充裕，通过增大搅拌桨转动速度，增强轴向环流强度，促使池底砂粒向池中心移动；
而在水量较高情况下，旋流沉砂池水力停留时间短，砂粒运行路径也较短，部分细砂因缺乏沉降时间而被水流裹挟带走，通过增大搅拌桨转动速度，增强轴向环流强度，池体中砂粒便会持续向池底中心沉降。以上两种工况下，搅拌桨叶片转动速度的增大都会加速池体中心水流流速，促使砂粒重新进入池体水流，影响除砂率。同时，水量较高时，较强的水平环流会影响到砂粒沉降，通过调整叶片转动速度、提升轴向环流强度，可起到提高除砂率的效果。

3.2 进水流量与搅拌桨设置高度

在搅拌桨叶片转动速度取15r/min时，分析进水流量与搅拌桨设置高度对旋流沉砂池除砂率的影响，结果见图3。进水流量不同的情况下，除砂率随搅拌桨设置高度的变化趋势基本一致，在图中前后两种抛物状曲线下搅拌桨最佳高度位于A、B处。搅拌桨设置高度为90mm时，因转动速度恒定，故所产生的强制涡旋对池底有较大影响，对砂粒沉降有阻碍作用；
随着搅拌桨设置高度的增大，强制涡旋对池底的影响也逐渐减弱，除砂率随之提升；
而当搅拌桨设置高度继续升高，会在池底形成二次环流，又会对砂粒沉降产生不利影响，造成除砂率降低。当搅拌桨设置高度超出180～210mm时，二次环流的不利影响逐渐减弱，砂粒沉降和去除效率提升；
此后随着搅拌桨高度的再次增大，池底整体轴向环流范围改变，对池底的影响也逐渐减小，池底除砂率随之降低。由此可知，在搅拌桨叶片转动速度恒定于15r/min时，应将搅拌桨设置高度确定在150mm或230mm，即先后两次抛物线的顶点处所对应的高度，以避开强制涡旋、二次环流等的不利影响，取得最佳的除砂效果。

3.3 搅拌桨叶片转动速度与设置高度

在进水流量取200m3/h时，搅拌桨转动速度对除砂率有较大影响，具体见图4。当搅拌桨设置高度既定时，除砂率随搅拌桨叶片转动速度的变化而呈抛物线变动趋势。为防止除砂率受到二次环流的不利影响，搅拌桨的最佳设置高度为140～150mm，对应的最佳叶片转动速度为15～25r/min，除砂率在60%～65%之间。这一结论与3.2节结论基本一致。

搅拌桨叶片转动速度的快慢主要与设置高度有关，见图5。结合以上分析，在图中A区域内，当搅拌桨设置高度较低时，叶片转速形成强制涡流对池底有较大影响，除砂率较低，而当设置高度增大时这种强制涡流和轴向环流对池底的影响减弱，此时应增大叶片转动速度，助推砂粒运移和除砂；
此后随着搅拌桨设置高度的继续增大，池底二次环流的形成又会影响除砂过程，若此时增大叶片转速，沉降后的砂粒会因搅拌桨中央轴向上升流速的作用而重新沉降至池底，不利于除砂。而在图中B区域内，随着搅拌桨设置高度的继续升高，二次环流的影响逐渐弱化，此时增大叶片转动速度会增强池底涡流强度，加速砂粒运移及沉降，提升除砂率；
随后设置高度进一步升高后，作用于池底的轴向环流影响范围和强度持续减弱，砂粒沉降速率降低，部分砂粒持续运动于池体水流内，此时应降低叶片转速以推动除砂。

实测情况下，以人工方式投放配砂，并借助自制取样及沉降装置测试旋流沉砂池实际除砂率；
在进水流量取200m3/h时，搅拌桨转动速度不同时除砂率模拟值和实际值对比详见图6。由图可知，当叶片转动速度较低时，实际除砂率和模拟除砂率之间存在一定差异，主要原因在于实测及模拟过程中砂粒和污水、沉砂池内壁之间的相互作用不尽相同[4]。流量低、转速低的情况下，搅拌桨对沉砂池内水体和砂粒的影响不大，而砂粒和污水及沉砂池内壁的作用较大；
而在流量大、转速高的情况下，搅拌桨叶片对砂粒影响较大，而砂粒受到其他作用力的影响较小，模拟除砂率和实测除砂率也较为接近。

最后，在文章所进行的离散相模拟过程中，砂粒形状假设为均匀球体，故在运动过程中不存在变形、磨损和破碎，同时假定砂粒进入速度与液相流速相等，且砂粒于入口处均匀分布。但是在实际运行过程中，砂粒在进水渠截面的分布情况主要取决于进水流速、砂粒粒径及形状、水体密度等因素，故造成除砂率模拟值略小于实测值的结果。

综上所述，生产建设项目旋流沉砂池去除砂粒主要基于强制涡旋流运动，压力场的压强差和速度场的水平环流、轴向环流会对沉砂池内砂粒运动产生不同影响。当搅拌桨叶片沿水流方向顺时针转动时所产生的轴向环流流场与沉砂池运动特性相符，轴向流速对砂粒沉降及池底砂粒向池心运移均有助推作用。进水流量与除砂率呈反向变动关系；
在搅拌桨叶片转动速度恒定时，除砂率随搅拌桨设置高度的变化而以前后两种抛物状形状变化；
而当进水流量和搅拌桨设置高度恒定时，除砂率随搅拌桨叶片转动速度的变化而呈抛物线变动趋势。综合文章分析结果，出于除砂效率、运行成本等方面的综合考虑，应将生产建设项目旋流沉砂池进水流量设定在200m3/h，搅拌桨叶片转动速度确定在15r/min，搅拌桨最佳设置高度确定在150mm，以便在短时间内取得最佳的除砂效果。