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污水管道氧气液传质过程与溶氧分布规律模拟

2025-02-16 77 上传者：管理员

摘要：为了深入探究污水管道中氧气气液传质过程及其对溶解氧（DO）分布的影响规律，本文通过介绍实验装置与模拟条件、CFD模型的构建、氧气气液传质及扩散过程的模拟、污水管道DO分布规律的解析，以及模拟结果的验证等内容，系统分析了污水管道内溶解氧的动态变化机制。研究结果表明，管道内溶解氧含量沿流动方向逐渐降低，且受流速、停留时间等因素影响显著，形成了从半圆台形向半圆锥形转变的DO分布特征。本文提出的模拟方法有效揭示了污水管道中氧气传质与DO分布的复杂关系，为优化污水处理工艺提供了理论依据。

关键词：
传质过程
分布规律
氧气液
污水管道
溶氧
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本研究旨在通过模拟污水管道中的氧气液传质过程,揭示氧气在管道内的传质规律及溶氧分布情况[1-2]｡通过本研究,可以深入了解污水管道中氧气传质与溶氧分布的内在机制,为优化污水管道通风设计､提高污水处理效率提供科学依据｡此外,研究成果还可为城市污水管网管理､维护提供技术支持,推动城市污水处理事业的可持续发展｡

1、实验装置与模拟条件

鉴于现场实验条件受限,难以实时监测数据,本研究创新性地设计了基于完全混合式罐式反应器的模拟系统｡该系统原型忠实复现了实际重力流污水管道特性,专注于探讨污水管道内危害性气体的生成与行为｡通过精准控制反应器内的物理与化学条件,有效模拟并研究气体传输､溶解与积累等关键过程,为提升污水管道管理及减少环境风险提供坚实的实验基础与数据支持[3]｡实验装置示意如图1所示｡

图1实验装置示意

鉴于实际污水成分复杂多变,本实验采用人工配制的模拟生活污水,以精准控制水质参数｡该模拟污水包含无机污染物､有机污染物及代表性微生物,旨在模拟真实污水环境｡通过此方式,排除自然水质波动对实验结果的干扰,确保研究聚焦于污水管道内特定过程与机制,为深入理解污水行为提供稳定可靠的实验平台[4]｡对污水构成成分进行分析,如表1所示｡

表1人工配置污水的组成

在此基础上,对污水的水质进行分析,如表2所示

表2污水水质分析

2、建立cfd模型

在利用ansys集成环境中的sPACEcLAIM和mESHING工具构建针对fLUENT流体动力学模拟的几何模型时,建立一个特定场景:一条长度为30M,部分填充(充满度为50%)的污水管道中的液相部分｡该模型设计旨在优化资源利用与提升计算效率｡

为有效减少计算负担并加速分析过程,采取针对性的网格划分策略｡核心区域广泛采用了高效的六面体网格,这类网格以其较低的计算复杂度和较高的求解精度著称,特别适用于大规模流体流动模拟[5]｡为了精确捕捉气液界面处关键的氧气传质过程,在气液交界面区域实施了网格局部加密策略｡在处理氧气的气液传质时,以菲克定律作为理论基石,并通过用户自定义函数(udf)技术,以源项的形式直接集成到组分运输方程中,从而精确模拟了传质过程｡组分运输方程可表示为:

式中:代表密度;地表氧在液相中的质量分数;代表质量扩散项;代表相界面的传质源项;代表表面传质系数;a代表气液交界面的面积;v代表水的体积;c*代表饱和氧浓度;c代表液相主体内氧浓度;A代表体积传质系数｡

3、氧气气液传质及扩散过程

在模拟初始阶段设定管道为完全无氧状态,且忽略溶解氧的自然消耗过程[6]｡本研究聚焦于气液界面及管道出口两个关键监测点,通过测量这些位置上的平均溶解氧浓度来评估管道内部的氧含量状况,如图2所示｡

图2不同污水流速条件下污水管道监测面溶解氧变化规律

分析图2中数据发现,污水流速由0.3M/S增至0.6M/S时,管道内的溶解氧浓度明显下降｡这一现象可归因于流速变化对传质效率和传质时长的综合影响:在0.3M/S流速下,尽管气液传质系数(klA)较低,但较长的水力停留时间(即传质时间)有利于氧气的充分吸收,从而实现了更佳的传质效果[7]｡然而,随着流速进一步增加至0.9M/S和1.2M/S,尽管更高的流速理论上能加速氧气传质,但由于停留时间显著缩短,导致溶解氧含量仅出现轻微回升｡这表明,流速的提升在促进传质的同时也带来了传质时间减少的副作用｡

4、污水管道do分布规律

实际重力驱动的污水管道系统中,溶解氧的消耗是不可避免的｡为了深入理解并准确描绘污水管道内溶解氧的具体分布状况,必须充分考虑并纳入溶解氧在污水流动过程中的实际消耗因素｡基于前述模型,引入溶解氧衰减规律至cfd配置中,采用已建立的溶解氧衰减模型来模拟其消耗过程｡这一调整导致cfd中的组分传输模型相应发生变化,以更准确地反映实际情况:

式中:sC代表溶解氧的衰减系数｡sC的表达式为:

式中:kB和kC代表系数;T代表停留时间;c0代表污水管道初始溶解氧的浓度｡

由于cfd软件默认不包含停留时间作为内置变量,需借助用户自定义函数(udf)来预处理,将停留时间设定为额外变量｡这一过程中,引入微量示踪剂,其所有物理和化学性质均与氧气相同,以确保模拟的准确性｡基于示踪剂的质量守恒原理,构建其在管道模型中的质量浓度传输方程,采用直角坐标下的张量形式表达:

式中:cP代表示踪剂浓度;UI代表速度;R代表管道半径;XI代表空间坐标｡定义示踪剂的存在频率分布函数和累计分布函数,两者之间的关系由下述公式给出:

式中:(FR)代表示踪剂频率分布函数;f(R)代表示踪剂的累计分布函数｡通过计算单元内所有示踪剂的平均时间,可以近似得到该单元的氧气停留时间,具体如下述公式所示:

式中:TP代表氧气停留时间｡这一过程能够估算出管道模型中每个计算单元的停留时间,从而间接反映溶解氧在管道内的动态变化｡

将管道污水流速设置为0.3M/S,针对高溶解氧的污水管道的氧分布情况进行分析[8]｡随着污水继续流动,这一分布逐渐演变为半圆锥状｡这种形态变化主要源于管道内较高的初始氧含量环境下,氧气与水体间的传质动力相对不足,同时溶解氧处于快速消耗阶段,导致传质速度难以弥补其消耗速度,从而使溶解氧含量逐步降低｡

此外,管道内部污水因管壁摩擦作用,靠近壁面区域的流速显著降低,进而延长了这些区域的水力停留时间,使得溶解氧在这些位置有更长的时间被消耗｡

5、模拟结果检验

5.1氧气传质模拟结果检验

鉴于实际污水管道测样难度大,氧气传质瞬变性难捕捉,本实验构建完全混合式反应器以模拟污水管道内的氧气传输过程｡通过精确控制反应器内条件,利用反应器与实际管道在氧传质上的共性特征——单位比表面积氧传质速率,对cfd(计算流体动力学)模型进行了有效校准｡以此种方式,规避现场测量的局限性,确保模拟结果的准确性和可靠性,为污水管道氧传质机制的研究及模型优化提供科学依据和技术支撑｡将单位比表面积下氧传质速率作为指标,对此指标进行模拟,将模拟结果与实际结果进行比对,

图3氧气传质模拟结果检验

图3显示,cfd模拟的氧传质速率略高于实验值,且流速增大时差异加剧｡这或归因于模型污水体积远超实验,导致更强烈的紊流,降低了液面溶解氧,加速了氧传质｡尽管存在此差异,但两者最大误差仅6.3%,表明cfd模拟在预测氧气气液传质方面具备相当准确性,此结果验证了cfd模型在复杂流体环境中的适用性｡

5.2溶解氧消耗模拟结果检验

为验证cfd溶解氧衰减模型,模拟中仅考虑溶解氧消耗,忽略气液传质｡对比模拟与实验中的溶解氧变化,其结果如图4所示｡

图4溶解氧消耗模拟结果检验

图4对比了高､低溶解氧管段cfd模拟与实验值的差异｡高溶解氧段模拟值略低,可能因模型体积远超实验,导致更强烈湍流扩散,加速了溶解氧消耗;而低溶解氧段模拟值偏高,或因下游溶解氧水平低,微量示踪剂干扰氧传递过程｡这一验证不仅加深对污水管道中溶解氧动态变化的理解,也为后续污水处理工艺的优化设计提供了可靠的技术支撑｡

6、结束语

将提出的方法应用到实践,根据阶段性研究,得到如下结论:

(1)污水管道氧气液传质过程与溶氧分布规律模拟的应用,带来了显著收益｡通过精确的模拟,能够预测并优化管道内的溶解氧浓度,确保污水处理过程中的微生物活性维持在最佳水平｡

(2)该模拟方法还有助于预防管道内有害气体的产生｡研究表明,厌氧环境是h2s､ch4等有害气体生成的主要原因｡通过模拟不同通风条件下的氧气分布,可以精准控制管道内的氧分压,有效抑制有害气体的生成｡在某污水管道改造项目中,应用该方法后,h2s浓度降低了约75%,大幅改善了管道工作环境｡

参考文献:

[1]王贵文.市政道路污水管道中污染物迁移的数学解析模型分析[j].安徽建筑,2024,31(9):170-171.

[2]李前进.雨､污水管道非开挖修复施工之中的施工难点及应对措施[j].城市建设理论研究(电子版),2024(23):208-210.

[3]鲍海霞,李文辉,陈斌,等.工业聚集区污水管道病害多元水质成因研究[j].市政技术,2024,42(8):191-198.

[4]陈楹泓.沉管施工技术在污水厂尾水排海工程中的应用[j].中国住宅设施,2024(7):187-189.

[5]孙怡强,李国然.虹吸技术在污水管道穿越交叉管线工程中的应用[j].中国给水排水,2024,40(14):69-72.

[6]戴永健.市政道路污水管道施工工艺安全分析与控制研究[j].城市建设理论研究(电子版),2024(18):190-192.

[7]张海涛,钱立义,王伟锋.污水排海管道顶管施工对海塘地基扰动影响分析[j].水利技术监督,2024(6):279-282.