污水中通常含有不可生物降解，甚至是有毒的有機(jī)和無(wú)機(jī)物質(zhì)。為了實(shí)現(xiàn)廢水再循環(huán)，污水處理廠利用物理法、化學(xué)法和生物法來(lái)去除這些污染物。沉淀池通過(guò)沉淀過(guò)程來(lái)分離顆粒物，借此實(shí)現(xiàn)污水處理，但它的澄清效果會(huì)受諸如沉降、湍流、顆粒外表面與質(zhì)量比值、流動(dòng)方向突然變化以及速度分布等因素的影響。為了設(shè)計(jì)有效的污水處理沉淀池，工程師可以使用流體流動(dòng)仿真。

從國(guó)會(huì)立法到污水處理廠，全面保障水資源可持續(xù)性

氣候變化越來(lái)越受到大眾的關(guān)注，水的保護(hù)和再利用一直是相關(guān)的熱門(mén)議題。美國(guó)環(huán)保署曾發(fā)布水資源管理的最佳實(shí)踐指南，各國(guó)正在通過(guò)立法保證循環(huán)用水更加安全。美國(guó)國(guó)會(huì)于 2015 年簽署了“無(wú)微珠水域法案”（加拿大，新西蘭和英國(guó)很快效仿），禁止生產(chǎn)和銷(xiāo)售含有微珠的清潔護(hù)膚品。常出現(xiàn)在磨砂沐浴啫喱中的塑料微珠屬于不可生物降解物質(zhì)，它們會(huì)通過(guò)排水管流入污水中。

2015 年美國(guó)禁用法案生效之前，沐浴產(chǎn)品中常出現(xiàn)的微珠和其他微塑料。圖片來(lái)源于美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)。獲得 CC BY-SA 2.0 許可，通過(guò) Flickr Creative Commons 分享。

即使采取措施禁止排放有害污染物，處理廠仍然需要依靠物理、化學(xué)和生物過(guò)程來(lái)清潔污水。負(fù)責(zé)污水處理和污染物去除工藝的工程師可以使用仿真來(lái)研究和設(shè)計(jì)沉淀池。

污水處理過(guò)程是如何運(yùn)作的？

污水處理涉及兩個(gè)主要階段：

1. 物理方法，例如利用沉淀池將固體與油同水分離

2. 污染物細(xì)菌降解，例如化學(xué)氧化法，這是一種先進(jìn)的曝氣技術(shù)

作為基本處理方法，沉淀池依賴于利用重力從水中去除懸浮固體的沉降過(guò)程。污水的物理處理通過(guò)沉淀去除固體顆粒，輔以絮凝和過(guò)濾。凝結(jié)劑可以促進(jìn)絮凝，使非常小的顆粒聚集形成絮團(tuán)。之后再次通過(guò)沉淀去除這些絮凝物。

二次圓形沉淀池的特寫(xiě)圖。圖片來(lái)自 Annabel。獲得 CC BY-SA 3.0 許可，通過(guò) Wikimedia Commons 分享。

在沉淀過(guò)程中，絮團(tuán)在重力作用下沉入沉淀池底部。但是沉淀池設(shè)計(jì)還應(yīng)該考慮許多其他發(fā)揮作用的因素。

進(jìn)水井位于沉淀池正中間，其入口位于井底。入口噴出污水后，體積大而質(zhì)量重的顆粒幾乎立刻落在沉淀池的中心區(qū)域，這是因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量與外表面的比值很大。體積小而質(zhì)量重的顆粒（這些顆粒不足以形成絮團(tuán)）隨主要水流移動(dòng)，直到流動(dòng)方向發(fā)生急劇變化。舉例來(lái)說(shuō)，如果沉淀池的水流主方向從向下變成向上，較重的顆粒將繼續(xù)下降并集聚在沉淀池底部，然后緩慢地通過(guò)排污口排出。澄清的水則從外圍出口排出。

湍流可以阻止絮凝物的形成，還會(huì)沖散在向池底沉降的過(guò)程中形成的絮凝物，導(dǎo)致很小的顆粒隨水流通過(guò)外圍出口排出。由于湍流迅速地將微小顆粒從水池中心輸送到邊緣，顆粒根本就來(lái)不及沉淀（或者形成絮凝物后沉降）。為了避免混入顆粒，所以常規(guī)沉淀池的外圍出口非常大。半徑越大，流速明顯降低，湍流和湍流混合也隨之減少，通過(guò)沉淀池出口的每條水流可以停留更長(zhǎng)時(shí)間（為顆粒提供充足的沉降時(shí)間）。

二次沉淀池模型的三維視圖。藍(lán)色流線表示澄清水可能流經(jīng)的路徑，深黃色流線表示分散固相的路徑，它由體積小、質(zhì)量重的顆粒組成。水流裹挾顆粒向前運(yùn)動(dòng)，但水流向上急轉(zhuǎn)后，較大的密度迫使質(zhì)量重的顆粒從池底流向排污口。

通過(guò)使用 COMSOL Multiphysics? 軟件附加的“CFD 模塊”對(duì)圓形二次沉淀池進(jìn)行建模，我們可以研究不同因素如何影響廢水污染物的去除過(guò)程。

使用 COMSOL Multiphysics? 對(duì)二次沉淀池中的流動(dòng)建模

二次沉淀池的模型幾何的直徑為 24 m，深度在 3.3~4 m 之間。由于模型呈軸對(duì)稱，我們可以將三維幾何模型簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型（見(jiàn)下圖）。如下圖所示，入口位于沉淀池中心的進(jìn)水井底部。固體與水的混合物通過(guò)入口以噴射的形式進(jìn)入沉淀池。池內(nèi)有兩個(gè)出口：底部的污泥出口和供澄清水流出的外圍出口。因?yàn)榱魉俜浅＞徛覀兛梢约僭O(shè)水面為水平平面。

二維圓形沉淀池的幾何形狀。

我們假設(shè)包括絮凝物在內(nèi)，顆粒均為球形，大小相同，且形成了所謂的分散相。我們將 k-ε 湍流模型與兩相流混合物模型結(jié)合使用，后者使用重力作為體積力。初始條件是整個(gè)沉淀池的速度、相對(duì)壓力和固相體積分?jǐn)?shù)均為零。

邊界條件設(shè)定如下：

• 入口：

• 速度為 1.25 m/s

• 分散相體積分?jǐn)?shù)：0.003

• 湍流強(qiáng)度：5％

• 長(zhǎng)度尺度：0.07*rin（其中 rin = 0.2，表示入口的半徑）

• 污泥出口處的速度為 0.05 m/s

• 外圍出口的相對(duì)壓力為零

• 對(duì)自由表面設(shè)置“滑移”條件

• 對(duì)壁設(shè)置“無(wú)滑移”條件

• 對(duì)稱軸處采用“軸對(duì)稱”邊界條件

評(píng)估仿真結(jié)果

12 小時(shí)之后，沉淀池中的水流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。下圖表明如預(yù)期所料，底部的分散相體積分?jǐn)?shù)更高，但是湍流混合可以推動(dòng)顆粒擴(kuò)散，促使形成平滑的體積分?jǐn)?shù)分布。此外，我們可以看到，距離中心越遠(yuǎn)，混合程度越低，分散相體積分?jǐn)?shù)的分布也更加清晰，這是因?yàn)楫?dāng)混合物離入口越來(lái)越遠(yuǎn)時(shí)，流速會(huì)降低，湍流也因此減少。

在外圍出口（下圖右上方），顆粒和絮凝物充分沉淀，我們得到了澄清的出水（澄清水）。值得注意的是，在整個(gè)沉淀池中，分散相（顆粒和絮凝物）的最大體積分?jǐn)?shù)小于 1％，這證明了混合物模型的準(zhǔn)確性。

12 小時(shí)后的混合物速度流線和固相體積分?jǐn)?shù)。

入口、外圍出口和污泥出口處的分散相質(zhì)量流率如下圖所示。根據(jù)這些結(jié)果，我們可以計(jì)算出顆粒去除率。計(jì)算結(jié)果表明，沉淀池每秒去除 0.52 – 0.10 = 0.42 kg 的固體顆粒。因此，二次沉淀池的分離效率為 81％。

入口（藍(lán)色）、外圍出口（綠色）和中心出口（紅色）處的分散相質(zhì)量流率。

最后，我們將研究 12 小時(shí)后分散相的體積分?jǐn)?shù)，以及分散相與連續(xù)相的流線。可以看到，當(dāng)流動(dòng)到達(dá)沉淀池的外壁后，分散相的流線大幅下滑，而連續(xù)相（水）則朝向周邊出口大幅上升。

靠近表面有兩個(gè)大片再循環(huán)區(qū)。第一個(gè)區(qū)域靠近入口射流上方的中心。第二個(gè)是由于混合物沉降到第一個(gè)區(qū)域的邊緣底部，澄清水向沉淀池外圍出口移動(dòng)而形成的。分散相主要沿層第二個(gè)再循環(huán)區(qū)的下層路徑運(yùn)動(dòng)，而且在第二個(gè)再循環(huán)區(qū)內(nèi)與流向表面的流線分離。

旋轉(zhuǎn)生成的三維速度場(chǎng)繪圖，其中切面處的藍(lán)色和白色線條分別表示分散相和連續(xù)相的流線。

我們還可以通過(guò)下列方式輕松修改二級(jí)沉淀池模型，從而進(jìn)行更高級(jí)的分析：

• 在幾何結(jié)構(gòu)中增加擋板

• 改變?nèi)肟诤统隹谒俣?/p>

• 增加污泥的分散相體積分?jǐn)?shù)

• 改變分散顆粒的密度和大小