气浮/沉淀工艺运行特性及CFD数值模拟研究

摘要

本研究针对南水北调通水后山东受水区水源中藻类、浊度和嗅味等水质问题及现有水厂低温低浊和高藻期沉淀池运行效果不稳定等状况，进行了以下研究:
　　(1)气浮与沉淀工艺切换条件静态实验研究。气浮与沉淀工艺参数优化静态实验研究过程中，对两种工艺处理南水北调水的影响因素进行分析，主要包括:混凝剂种类、投药量、混凝条件及回流比。最终确定两种工艺运行较优参数分别为:气浮工艺最佳投药量为5mg/L（PAFC，以Al3+计），一级絮凝速度梯度(G1)为63s-1，二级絮凝速度梯度(G2)27s-1，反应时间为8min，回流比选用10％;沉淀工艺较优投药量为6 mg/L（PAFC，以Al3+计），G1为50s-1， G2为22s-1，反应时间为15min。气浮与沉淀工艺切换条件静态实验研究过程中，对比两种工艺对不同浊度区间的原水的处理效果后得出:原水浊度大于80NTU，气浮出水浊度急剧增高，气浮工艺不再适用，建议运行沉淀工艺;原水浊度小于10NTU，气浮效果优于沉淀，建议运行气浮工艺。
　　(2)气浮与沉淀工艺处理低浊高藻水试验对比。分别采用气浮与沉淀工艺处理低浊高藻水，考察两种工艺对浊度、CODMn、UV254、 TOC、颗粒物及嗅味物质等的去除情况，对比发现:气浮工艺净水效果优于沉淀工艺，对浊度、颗粒数、CODMn、 UV254、TOC、藻类和叶绿素a的去除率分别比沉淀工艺高5％、5.2％、7.8％、2.0％、3.4％、11.4％和11.5％。
　　(3)沉淀-气浮组合工艺处理低浊高藻水试验研究。考察沉淀-气浮组合工艺处理低浊高藻水的运行特性及净水效果，研究表明:组合工艺可在投药量较少、水处理负荷较大、能耗较小的条件下，达到较好的净水效果。相比于单独的气浮和沉淀工艺，沉淀-气浮组合工艺对浊度的去除率分别提高了2％和5％，对颗粒数的去除率分别提高了4％和7％，出水中有机物含量降低，对藻类的平均去除率可达96％，同时可有效去除水中的嗅味物质。
　　(4)气浮池与沉淀池CFD数值模拟研究。采用Fluent软件对斜管沉淀池进行数值模拟发现，沉淀池进、出水口形式会对沉淀池中流场造成影响，采用穿孔花墙布水，进水流速较圆管进水小，水流能量低，可减轻回流现象。采用溢流堰出水方式，可在相同的处理负荷下，减小沉淀池出水抽吸作用，控制水流回转现象，减少清水区水流紊动程度，水流条件好。颗粒在沉淀池中沉降遵循斯托克斯定律，固体颗粒的尺寸大于80μm时，在沉淀池中可以100％的去除。而当固体颗粒尺寸为50μm时，部分颗粒从出口逃逸，沉淀效率降低。颗粒尺寸为20μm时，只有少部分颗粒能够沉降，沉淀效率较低。
　　采用Fluent软件对平流式气浮池进行数值模拟发现，随着气浮池进水流量的减少，气浮池内水流流态逐渐变好，回流现象减弱或消失，综合考虑处理效果以及水处理能力，气浮池进水流量宣用0.5m3/h;随着溶气压力的增大，气浮池中的气水比随之增大，但增大程度逐渐变缓，当气水比增大到一定程度以后，释放的微气泡量可均布气浮池接触区和分离区，满足气浮工艺对气泡量的要求。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 我国水资源现状

1．1．2 南水北调山东受水区水资源现状

1．1．3 研究目的和意义

1．2 气浮／沉淀工艺研究进展

1．2．1 气浮工艺研究现状

1．2．2 沉淀工艺研究现状

1．2．3 流场分析的研究现状

1．3 研究内容

1．3．1 课题来源及意义

1．3．2 研究内容及技术路线

第2章 试验材料与方法

2．1 溶气型气浮实验装置

2．2 气浮试验装置

2．3 沉淀试验装置

2．4 沉淀-气浮组合工艺流程

2．5 试验仪器与检测方法

第3章 气浮与沉淀工艺切换条件静态实验研究

3．1 气浮与沉淀工艺参数优化静态实验

3．1．1 混凝剂投加量的优选

3．1．2 混凝条件优选

3．1．3 气浮回流比优化

3．2 气浮与沉淀工艺切换条件实验

3．2．1 浊度

3．2．2 有机物

3．3 本章小结

第4章 气浮与沉淀工艺处理低浊高藻水试验研究

4．1 原水水质

4．2 气浮工艺净水效果

4．2．1 浊度

4．2．2 颗粒数

4．2．3 有机物

4．2．4 藻类

4．2．5 嗅味

4．3 沉淀工艺净水效果

4．3．1 浊度

4．3．2 颗粒数

4．3．3 有机物

4．3．4 藻类

4．3．5 嗅味

4．4 气浮工艺与沉淀工艺处理低浊高藻水试验对比

4．4．1 浊度去除效果对比

4．4．2 颗粒数去除效果对比

4．4．3 有机物去除效果对比

4．4．4 藻类去除效果对比

4．5 本章小结

第5章 沉淀-气浮组合工艺处理低浊高藻水试验研究

5．1 原水水质特点

5．2 组合工艺装置运行条件

5．2．1 混凝剂投加量

5．2．2 进水流量

5．2．3 回流比

5．3 组合工艺除污染效能

5．3．1 浊度

5．3．2 颗粒数

5．3．3 有机物

5．3．4 藻类

5．3．5 嗅味物质

5．4 本章小结

第6章 气浮池／沉淀池CFD数值模拟

6．1 数值模拟理论基础

6．1．1 CFD特点及Fluent简介

6．1．2 基本控制方程

6．1．3 单相流数值模拟方法

6．1．4 两相流数值模拟方法

6．2 斜管沉淀池水力特征数值模拟

6．2．1 斜管沉淀池几何模型

6．2．2 边界条件与初始环境设置

6．2．3 进、出水口形式对沉淀池流场的影响

6．2．4 斜管沉淀池中颗粒运动轨迹数值模拟

6．3 平流式气浮池水力特征模拟

6．3．1 气浮池几何模型

6．3．2 边界条件与初始环境设置

6．3．3 流量对气浮池内流场的影响

6．3．4 气相体积对气浮池内气泡分布的影响

6．4 本章小结

第7章 结论及建议

7．1 结论

7．2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况