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随着铁路的高速建设及铁路沿线环保要求的日益严格,隧道废水处理问题日益凸显。目前隧道废水主流处理工艺是采用沉砂、混凝沉淀、水旋澄清、过滤等工艺进行处理,这类工艺对于目标污染物悬浮物 (suspended substance, SS) 的去除率一般可达到60%~85%[1-4]。能够满足现行《污水综合排放标准》 (GB 8978-1996) [5]一级标准中SS为70 mg·L−1的排放要求。但是,一些新建环境敏感区域的铁路已开始执行《地表水环境质量标准》 (GB 3838-2002)[6],部分地区要求SS出水小于10 mg·L−1。同时,由于现场作业面积受限,现场缺乏专业技术人员,对废水除浊设备提出了处理效率高、占地面积小、简单可靠、易于运维的要求。因此,研究隧道施工废水除浊先进技术、开发相应设备、以提高隧道废水除浊处理的效率与效果具有重要的工程应用价值。
当前隧道废水除浊工艺中,水力旋流澄清池因将混凝与澄清工艺集合为一体,简化了工艺流程,使得运行维护较为简便而得到广泛应用。其利用水泵作为唯一动力设备为澄清池提供混凝和接触絮凝驱动力,依靠反应室自下而上的大尺度涡旋的离心作用改善水中胶体颗粒的碰撞效率从而提升絮凝效果,为后续的澄清环节提供接触絮凝悬浮泥渣,从而达到高效化处理的目的[7]。但是,由于该类设备反应室内涡旋尺度较大,导致其处理效率仍旧很低,旋流反应室停留时间达到20~30 min[8]。而近年来以Kolmogrov理论为基础的微涡旋混凝工艺逐步得到应用,该技术主要依靠不同形式的涡旋发生器在混凝流场中形成小尺度涡旋,利用微涡旋增加微粒的碰撞次数,从而提升混凝效率[9-12]。在微涡强化混凝技术研究上,童祯恭等[13]和王艺等[14]在对多孔空心球形涡流反应器进行研究时提出,设置合理的涡流反应器投配组合可以提高絮凝效果;何亚其等[15]提到微涡流混凝器内流体呈现类似于圆管射流的流动特性,法兰构造显著增加了流体的湍流扰动,可有效促进凝聚效率的提升;祝威等[16]提出,气携式涡旋絮凝反应器中可以依靠微气泡在旋流絮凝区中形成微尺度的涡旋,使水流从旋流向涡流转化,从而实现微涡絮凝的目的。
由于隧道现场施工环境较差,若在旋流澄清反应器中直接采用网格或多孔空心球等造涡设备很容易在实际运行过程中发生堵塞,降低设备的可靠性。本研究从水力旋流澄清池的旋流混凝反应区入手,利用自主研发的栅条式微涡发生器作为造涡设备,采用计算机数值模拟手段,探究反应区加入栅条后反应区与絮凝主要相关的流场关键水力学参数变化;并采用模拟废水进行微涡混凝实验验证,拟为隧道废水高效处理工程应用提供参考。
栅条式微涡除浊技术流场数值模拟
Numerical simulation of flow field in grid micro-vortex for turbidity removal technology
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摘要: 针对铁路隧道施工废水的高精度高效率除浊需求,采用在旋流式澄清池的旋流反应区中加入栅条式微涡发生器的方式来提升设备混凝除浊效率。采用数值模拟手段分析了旋流场内加入栅条前后流场内与混凝有关的特征参数变化,并采用水力实验进行效果验证。结果表明,加入栅条后,混凝流场初始段的湍动动能及湍耗散明显提升,较之空池条件下分别提升19.24%、155.59%。这种变化利于混凝反应初期,药剂的充分分散,增加颗粒的初始碰撞概率。同时,栅条引入后,增加了流场内的涡旋尺度分布范围,利于流场内不同尺度颗粒完成涡旋絮凝。在原水浊度1 000 NTU的条件下,带有栅条的反应器最终上清液出水浊度达37.4 NTU,絮体分形维数可达1.71,较之空池情况下有明显提升。本研究结果可为微涡旋絮凝技术用于隧道废水处理提供参考。Abstract: According to requirements of high efficiency turbidity removal in construction wastewater of railway tunnel, spoiler grids were added in the swirling flow field to improve the efficiency of colloidal particle flocculation. Numerical simulations were used to analyze the changes of coagulation-related characteristic parameters in the swirling flow field with grids or not, and hydraulic tests were used to verify the effect. The results showed that the turbulent kinetic energy and turbulent dissipation in the initial section of the swirling flow field were significantly improved by 19.24% and 155.59%, respectively, compared grids with non-grids condition. This change facilitated the full dispersion of the flocculant and increased the initial collision probability of the particles at the early stage of coagulation reaction. Meanwhile, the increase of the vortex average scale range could facilitate the vortex flocculation formation of particles in different scales in the swirling flow field. Under the condition of raw water turbidity of 1000 NTU, the supernatant turbidity of the reactor with grids reached 37.4 NTU and the floc fractal dimension reached 1.71, which was a significant improvement compared with the case without grids. The results of this study can provide references for efficient turbidity removal technology for tunnel wastewater.
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表 1 边界层条件计算表
Table 1. Calculation table of boundary layer conditions
进水口
直径/m进水口
流速/m·s−1进水口
雷诺数进水口
湍流强度0.006 1.5 8 922.38 5.13% 出水口
直径/m出水口
雷诺数出水口
湍流强度0.11 973.35 6.77% -
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