分析二级澄清板中的废水去除剂

废水通常含有有机和无机材料，这些材料可能是不可生物降解甚至有毒的。为了再利用废水，这些污染物是通过物理，化学和生物学过程去除的。澄清剂通过沉积通过分离颗粒来处理废水，但是它们的性能受到沉降，湍流，颗粒外表面与质量与质量的比率，流动突然变化和速度曲线的影响。为了设计有效废水处理的澄清板，工程师可以转向流体流量模拟。

确保可持续水，从国会法到治疗厂

随着对气候变化的关注，水的保护和再利用是一个相关的讨论。例如，EPA发布了水管理的最佳实践各国正在通过法律，使重复用水更安全。美国国会通过了无微量的无水法2015年（与加拿大，新西兰和英国很快效仿），以禁止含有微珠的冲洗化妆品的制造和分布。通常在去角质淋浴凝胶中发现的塑料微粒是不可生物降解的，并将其冲洗掉在排水管中并进入我们的废水。

俄勒冈州立大学在2015年禁令之前，在2015年禁令之前，在浴产品中常见的微片和其他微塑料。乐动体育app无法登录获得许可CC BY-SA 2.0， 通过Flickr Creative Commons。

即使采取了禁止有害污染物的步骤，治疗厂仍然依靠物理，化学和生物过程来清洁废水。处理废水处理和污染物去除过程的工程师可以使用仿真来研究和设计澄清仪。

废水处理过程如何工作？

废水处理涉及两个主要阶段：

1. 物理方法，例如使用澄清剂将固体和油与水分开
2. 污染物的细菌降解，例如化学氧化，一种先进的曝气技术

澄清剂是一种主要的治疗方法，依赖于沉降，这是使用重力去除悬浮固体的过程。在物理废水处理过程中，通过絮凝和过滤的辅助，通过沉积去除固体颗粒。通过添加凝结剂获得絮凝，从而导致非常小的颗粒聚集形成泡沫。同样，沉积消除了这些泡沫。

次级圆形澄清器的特写视图。Annabel的图像。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。

在沉积过程中，重力导致泡沫落在澄清箱罐的底部。但是，在澄清仪设计中还应考虑许多其他工作过程。

进水井放在澄清板的中间，入口在孔的底部。在入口处弹出后，较大的重颗粒几乎立即落在澄清器的中间。这是由于它们较大的质量到路边的比率。较小的重颗粒（不足以形成泡沫的颗粒）遵循主流量，直到流动方向发生急剧变化。例如，如果澄清器中的主要水流从向下变化到向上，则较重的颗粒继续掉落并聚集在澄清器的底部，在那里它们慢慢地通过污泥出口离开。澄清的水在外围出口出口。

湍流会阻碍絮凝物的形成，并破坏它们在储罐底部时形成的泡沫，从而导致非常小的颗粒跟随水流穿过外周出口。湍流还可以迅速地从中心到储罐的周围运输小颗粒，以至于它们永远没有时间沉降（或形成絮凝物然后沉降）。混合的风险解释了为什么典型澄清器的外围出口非常大。流速随着半径而大大降低，这会导致湍流较小，湍流混合和较大的停留时间，每流穿过澄清器出口（提供足够的时间使粒子沉降）。

辅助澄清仪模型的3D视图。蓝色的流线显示了澄清水的可能路径，而深黄色的流线显示了分散的固相的路径，该路径由非常小但沉重的颗粒组成。固相遵循水流，直到向上陡峭的转动为止，较高的密度迫使重颗粒将较低的路径向下延伸至污泥出口。

通过使用使用该循环次级澄清剂进行建模CFD模块这是ComsolMultiphysics®软件的附加组件，我们可以研究不同因素如何影响废水的污染物去除过程。

用COMSOLMultiphysics®在辅助澄清仪中建模流量

次级澄清仪的模型几何形状的直径为24 m，而深度为3.3 m至4 m。由于轴向对称性，我们可以简化模型几何形状从3D到2D轴对称（请参见下图）。入口位于储罐中心的进水孔底部，如下所示。在这里，固体和水的混合物以射流的形式进入澄清器。有两个插座：底部的污泥出口和澄清的水离开澄清板的外围出口。流速足够缓慢，可以假设平坦的水平水面。

圆形澄清器的几何形状在2D中。

假定颗粒（包括絮凝物）是球形的，并且具有相等的大小，并形成所谓的分散相。K-ε湍流模型与混合模型结合使用，用于两相流量，包括重力作为体积力。初始条件为零速度，零相对压力和零固相体积分数在整个澄清器中。

边界条件设置为如下：

• 进口：
  • 速度为1.25 m/s
  • 分散相体积分数：0.003
  • 湍流强度：5％
  • 长度尺度：0.07*r_在（在哪里r_在= 0.2 m是入口的半径）
• 污泥出口处0.05 m/s的速度
• 外围出口处的零相对压力
• 自由表面的滑动条件
• 墙壁上没有滑动条件
• 对称轴处的轴向对称性

评估模拟结果

12小时后，澄清器中的流量达到稳态。我们可以在下面看到，如预期的那样，分散的相量分数在底部较高，但是湍流混合倾向于散布颗粒，形成平滑的体积分数。另外，我们可以看到，随着与中心距离的距离，混合降低，分散的相量分数曲线变得更加清晰，因为流速和湍流也随着混合物从入口流动而降低。

在外围插座（下面图的右上），已经允许颗粒和絮状物沉淀以获得清晰的废水（澄清的水）。请注意，在整个澄清板中，分散相（颗粒和絮凝物）的最大体积分数小于1％，这证明了混合模型是否准确。

12小时后，混合速度流线和固相体积分数。

在下面显示了入口，外围出口和污泥出口处的分散相质量流速。使用这些结果，我们可以计算粒子去除率。计算表明，澄清器每秒去除0.52 - 0.10 = 0.42 kg固体颗粒。因此，次级澄清剂的分离效率为81％。

在入口（蓝色），外围出口（绿色）和中央出口（红色）处分散相的质量流量。

最后，我们可以研究12小时后分散相和连续相的分散相和流线的体积分数。我们可以看到，随着流动到达澄清器的外壁，分散相的流线倾向于向下移动，而连续相（水）倾向于在更高程度上向上移动向上向外围出口移动。

有两个靠近表面的大型再循环区域。在入口喷气机之后，发现第一个靠近中心。第二个是由掉落到第一个区域边缘的底部的混合物，而澄清的水则在澄清器的外围出口向外移动。分散的相倾向于沿第二个再循环区域的较低路径，并且不会遵循流线到第二个区域的表面。

用流线的分散（蓝色）和连续（白色）速度场的流线切开澄清器的扫描体积。

我们可以轻松地修改二级澄清仪模型，以通过以下方式进行更高级的分析。

• 在几何形状上添加挡板
• 改变进口和出口速度
• 增加污泥中的分散相体积分数
• 改变分散颗粒的密度和大小

下一步

您可以尝试通过单击下面的按钮来建模辅助澄清板。

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