一种对一体化生活污水处理装置结构的优化方法与流程

本发明涉及环境工程技术领域，特别是指一种对一体化生活污水处理装置结构的优化方法。

背景技术：

近20年来，我国污水处理厂虽然不断兴建，污水处理率不断提高，但主要集中在城市，大部分农村的污水得不到处理，农村污水排放量在污水总排放量所占的比例也越来越大。根据国家环境质量公报显示，全国798个农村环境质量试点村庄的饮用水源和地表水受到不同程度污染。农村的污水乱排放不仅给自身环境造成破坏，对流经的河流也是很大的污染，乡村的沟塘、水库已呈相当严重盼富营养化，全国各地水污染事故也不断发生。全国62个国控重点湖泊(水库)和十大流域的国控断面中，～劣V类水质断面仍然占有较大比例。这些流域性的环境问题与农村生活污水的无序排放密切相关。因此，合理开发集成化程度高、结构紧凑、处理效果好、占地面积小、经济简便，适宜广大农村地区的一体化生活污水处理装置，将对改善农村卫生条件和水环境具有重要的现实意义。

一体化生活污水处理装置一般是指处理能力在500m^3/d以下，集污水处理工艺各部分功能，一般包括预处理、生物处理、沉淀、消毒等为一体的生活污水处理装置。主要适用于污水量较小，分散广，市政管网收集难度高的生活污水和与之类似的有机工业废水，具有经济、实用、占地小、操作管理方便等特点，是城市污水处理系统的有益补充，但一体化生活污水处理装置也存在设计不合理和运行不佳导致的短流、混合不良、水力条件不佳，积泥等问题，从而影响一体化生活污水处理装置的去污效果。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种对一体化生活污水处理装置结构的优化方法，以解决现有技术所存在的一体化生活污水处理装置设计不合理、去污效果差的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种对一体化生活污水处理装置结构的优化方法，包括：

S1，按照预设的模拟条件，生成所述一体化生活污水处理装置对应的网格文件，其中，所述模拟条件包括：折流挡板长度信息、入口速度及水力停留时间；

S2，按照预设的求解参数，对生成的所述网格文件进行迭代求解以模拟所述装置内的流态，得到当前模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图；

S3，设置多组不同的模拟条件，重复S1和S2，得到不同模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图；

S4，对得到的不同模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图进行分析对比，选取最优的流态混合效果对应的折流挡板长度信息、入口速度及水力停留时间，其中，所述流态混合效果由所述速度及压力的云图和矢量图表征。

进一步地，所述方法还包括：

若选取的最优的流态混合效果没有达到预设的流态混合均匀程度，则返回S1重新模拟所述装置内的流态，直至选取的最优的流态混合效果达到预设的流态混合均匀程度。

进一步地，所述S1包括：

按照预设的模拟条件，建立一体化生活污水处理装置的物理模型，并生成所述物理模型对应的网格文件，其中，所述入口速度是根据所述水力停留时间计算得到的，若入口速度不变，则水力停留时间也保持不变。

进一步地，所述按照预设的模拟条件，建立一体化生活污水处理装置的物理模型包括：

按照预设的模拟条件，建立一体化生活污水处理装置的二维物理模型。

进一步地，所述生成所述物理模型对应的网格文件包括：

按照预设的网格类型，预设的边界类型，生成所述物理模型对应的网格文件，其中，所述预设的边界类型包括：入口边界的类型及出口边界的类型。

进一步地，所述网格类型为非结构性网格中的三角形网格。

进一步地，所述预设的求解参数包括：求解模型、流体材料及流体属性、操作条件、边界条件、求解控制参数及迭代次数。

进一步地，所述求解模型包括：压力基求解器，定常流动及湍流模型中的k-epsilon(2eqn)模型；

所述流体材料为生活污水，所述流体属性包括：生活污水的密度及生活污水的粘度；

所述操作条件包括：操作压强为一个大气压；

所述边界条件包括：生活污水的进出口参数及壁面的边界条件；

所述求解控制参数包括：压力速度耦合方式，压力方程的松弛因子，离散化参数。

进一步地，所述S2包括：

启动计算过程中的残差监视器，设置监测点；

对解域进行初始化，按照预设的求解参数，对生成的所述网格文件进行迭代求解以模拟所述装置内的流态，若残差值低于预设的阈值，则停止迭代，同时得到当前模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图；其中，所述残差值表示当前迭代结果与上一次迭代结果的差值。

进一步地，所述对解域进行初始化，按照预设的求解参数，对生成的所述网格文件进行迭代求解以模拟所述装置内的流态包括：

将生成的所述网格文件输入至预设的计算流体动力学软件中；

对解域进行初始化，按照预设的求解参数，对生成的所述网格文件进行迭代求解以模拟所述装置内的流态。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，按照预设的模拟条件，生成所述一体化生活污水处理装置对应的网格文件，其中，所述模拟条件包括：折流挡板长度信息、入口速度及水力停留时间；按照预设的求解参数，对生成的所述网格文件进行迭代求解以模拟所述装置内的流态，得到当前模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图；设置多组不同的模拟条件，得到不同模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图；对得到的不同模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图进行分析对比，选取最优的流态混合效果对应的折流挡板长度信息、入口速度及水力停留时间作为最佳的工艺参数，其中，所述流态混合效果由所述速度及压力的云图和矢量图表征。这样，通过模拟分析不同折流挡板长度、入口速度、停留时间对装置内流态的影响，获取最优的折流挡板长度信息、入口速度及水力停留时间，对装置的结构及装置内的流态进行优化，从而减少装置内的短流及旋流等现象，提高一体化生活污水处理装置的去污效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的对一体化生活污水处理装置结构的优化方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一体化生活污水处理装置的物理模型示意图；

图3为本发明实施例提供的Gambit生成的网格示意图；

图4为本发明实施例提供的速度云图；

图5为本发明实施例提供的速度矢量图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的一体化生活污水处理装置设计不合理、去污效果差的问题，提供一种对一体化生活污水处理装置结构的优化方法。

实施例一

参看图1所示，本发明实施例提供的一种对一体化生活污水处理装置结构的优化方法，包括：

S1，按照预设的模拟条件，生成所述一体化生活污水处理装置对应的网格文件，其中，所述模拟条件包括：折流挡板长度信息、入口速度及水力停留时间；

S2，按照预设的求解参数，对生成的所述网格文件进行迭代求解以模拟所述装置内的流态，得到当前模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图；

S3，设置多组不同的模拟条件，重复S1和S2，得到不同模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图；

S4，对得到的不同模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图进行分析对比，选取最优的流态混合效果对应的折流挡板长度信息、入口速度及水力停留时间，其中，所述流态混合效果由所述速度及压力的云图和矢量图表征。

本发明实施例所述的对一体化生活污水处理装置结构的优化方法，按照预设的模拟条件，生成所述一体化生活污水处理装置对应的网格文件，其中，所述模拟条件包括：折流挡板长度信息、入口速度及水力停留时间；按照预设的求解参数，对生成的所述网格文件进行迭代求解以模拟所述装置内的流态，得到当前模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图；设置多组不同的模拟条件，得到不同模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图；对得到的不同模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图进行分析对比，选取最优的流态混合效果对应的折流挡板长度信息、入口速度及水力停留时间作为最佳的工艺参数，其中，所述流态混合效果由所述速度及压力的云图和矢量图表征。这样，通过模拟分析不同折流挡板长度、入口速度、停留时间对装置内流态的影响，获取最优的折流挡板长度信息、入口速度及水力停留时间，对装置的结构及装置内的流态进行优化，从而减少装置内的短流及旋流等现象，提高一体化生活污水处理装置的去污效果。

本发明实施例中，为减少装置内的短流及旋流等现象，增强传质，降低能耗，改善水力条件，提高一体化生活污水处理装置的去污效果，例如，脱氮除磷的效果，通过模拟分析几组不同折流挡板长度、入口速度、水力停留时间对装置内的流态的影响，分析比较之后，获取最佳的工艺参数，并判断在该最佳的工艺参数下装置内的流态是否达到最佳水力条件，其中，所述最佳水力条件为流态混合均匀程度，如果达到，则退出优化循环，否则进行下一步，最终选择出最佳的工艺参数。

在前述对一体化生活污水处理装置结构的优化方法的具体实施方式中，进一步地，所述方法还包括：

若选取的最优的流态混合效果没有达到预设的流态混合均匀程度，则返回S1重新模拟所述装置内的流态，直至选取的最优的流态混合效果达到预设的流态混合均匀程度。

在前述对一体化生活污水处理装置结构的优化方法的具体实施方式中，进一步地，所述S1包括：

按照预设的模拟条件，建立一体化生活污水处理装置的物理模型，并生成所述物理模型对应的网格文件，其中，所述入口速度是根据所述水力停留时间计算得到的，若入口速度不变，则水力停留时间也保持不变。

在前述对一体化生活污水处理装置结构的优化方法的具体实施方式中，进一步地，所述按照预设的模拟条件，建立一体化生活污水处理装置的物理模型包括：

按照预设的模拟条件，建立一体化生活污水处理装置的二维物理模型。

在前述对一体化生活污水处理装置结构的优化方法的具体实施方式中，进一步地，所述生成所述物理模型对应的网格文件包括：

按照预设的网格类型，预设的边界类型，生成所述物理模型对应的网格文件，其中，所述预设的边界类型包括：入口边界的类型及出口边界的类型。

在前述对一体化生活污水处理装置结构的优化方法的具体实施方式中，进一步地，所述网格类型为非结构性网格中的三角形网格。

在前述对一体化生活污水处理装置结构的优化方法的具体实施方式中，进一步地，所述预设的求解参数包括：求解模型、流体材料及流体属性、操作条件、边界条件、求解控制参数及迭代次数。

在前述对一体化生活污水处理装置结构的优化方法的具体实施方式中，进一步地，所述求解模型包括：压力基求解器，定常流动及湍流模型中的k-epsilon(2eqn)模型；

所述流体材料为生活污水，所述流体属性包括：生活污水的密度及生活污水的粘度；

所述操作条件包括：操作压强为一个大气压；

所述边界条件包括：生活污水的进出口参数及壁面的边界条件；

所述求解控制参数包括：压力速度耦合方式，压力方程的松弛因子，离散化参数。

在前述对一体化生活污水处理装置结构的优化方法的具体实施方式中，进一步地，所述S2包括：

启动计算过程中的残差监视器，设置监测点；

对解域进行初始化，按照预设的求解参数，对生成的所述网格文件进行迭代求解以模拟所述装置内的流态，若残差值低于预设的阈值，则停止迭代，同时得到当前模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图；其中，所述残差值表示当前迭代结果与上一次迭代结果的差值。

在前述对一体化生活污水处理装置结构的优化方法的具体实施方式中，进一步地，所述对解域进行初始化，按照预设的求解参数，对生成的所述网格文件进行迭代求解以模拟所述装置内的流态包括：

将生成的所述网格文件输入至预设的计算流体动力学软件中；

对解域进行初始化，按照预设的求解参数，对生成的所述网格文件进行迭代求解以模拟所述装置内的流态。

本发明实施例提供的一体化生活污水处理装置结构的优化方法的具体步骤可以包括：

A11，建立物理模型：按照预设的模拟条件(折流挡板长度信息、入口速度及水力停留时间)，可以利用自动计算机辅助设计(Autodesk Computer Aided Design，AutoCAD)软件构建所述一体化生活污水处理装置的物理模型，其中，所述物理模型为二维物理模型，如图2所示；

A12，生成网格文件：根据一体化生活污水处理装置的结构特点，可以依据预设的边界类型，并利用Gambit软件选取网格类型划分计算网格，，输出所述物理模型对应的网格文件，所述网格文件作为计算流体动力学软件(Fluent)软件的输入文件，其中，所述预设的边界类型包括：入口边界的类型及出口边界的类型，例如，所述入口边界的类型可以为速度入口，所述出口边界的类型可以为压力出口；所述网格类型为非结构性网格中的三角形网格，整个计算网格共用10336个节点，29448个计算单元数，如图3所示；

A13，检测网格：打开Fluent软件，将网格文件导入Fluent软件，检测网格，以检测划分的计算网格是否正确，并查看网格信息；

A14，设定单位：根据一体化生活污水处理装置的实际尺寸设定装置的单位，其中，设置的单位为mm；

A15，建立求解模型：选用压力基求解器，定常流动，湍流模型中的k-epsilon(2eqn)模型；

A16，设置流体材料及流体属性：所述流体材料为生活污水；所述流体属性为生活污水的密度为1000.78kg/m³，粘度为0.001007kg/m·s；

A17，设置操作条件：设置操作压强为一个大气压，y轴负方向的重力加速度为9.81m/s²；

A18，设置边界条件：根据模拟条件进行设定，设置生活污水的进出口参数及壁面的边界条件，由于进水口采用速度入口，入口速度大小可以设置为0.05m/s，湍流强度为5，水力半径为15，出水口采用压力出口，湍流强度为5，水力半径为10，装置内反应器的边界设置为壁面，自由液面采用无剪切应力的滑移刚性盖，以满足真实自由液面的假设；

A19，设置求解控制参数：压力速度耦合方式选择SIMPLE模式，压力方程的松弛因子设为1，离散化选项中的各方程选择一阶迎风；

A20，启动计算过程中的残差监视器，设置监测点；

A21，初始化解域，并设置迭代参数进行计算；

A22，查看残差图，当迭代步数为700时，残差曲线收敛，计算完成，同时得到当前模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图，其中，速度云图及速度矢量图分别如图4和图5所示；

其中，残差曲线一般默认的设置为10^-3次方，当然，也可以根据实际应用进行修改，在计算过程中显示残差曲线就会看见各项值在每次计算之后就会变化,直到残差值低于设定的值(例如，10^-3)之后，表明残差曲线收敛，残差曲线收敛意味着计算趋于稳定，其中，所述残差值是指当前迭代结果与上一次迭代结果之间的差值。

A23，多次改变折流挡板长度信息、入口速度及水力停留时间，改变模拟条件后，返回执行A11至A22的步骤，得到不同模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图；

A24，对得到的不同模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图进行对比分析，通过对比分析不同模拟条件下的速度及压力的云图和矢量图，得到不同模拟条件下装置内的流态混合效果，混合的越均匀，说明装置内的物质交换传质越好；选取最优的流态混合效果对应的模拟条件作为装置的最佳工艺参数。

本发明实施例中，步骤A23，多次改变折流挡板长度信息、入口速度及水力停留时间，改变模拟条件后，返回执行A11至A22的步骤具体可以包括：

可以先确定入口速度v＝0.012m/s，水力停留时间HRT＝22.67h不变时，(因为入口速度是根据水力停留时间计算得出的，所以水力停留时间也不变)，多次改变调整一体化生活污水处理装置结构内四个折流挡板的长度，对多个模拟结果进行对比分析，在第一个折流挡板长度＝320mm，第二个折流挡板长度＝280mm，第三个折流挡板长度＝280mm，第四个折流挡板长度＝320mm时，装置内的流态混合的效果最好；

接着，在上述折流挡板长度不变的条件下，多次改变入口速度(同时，水力停留时间也在变)，对多个模拟结果进行对比分析，在v＝0.05m/s时，装置内的流态混合的效果最好；也就是说，得到的最佳的模拟条件为：第一个折流挡板长度＝320mm，第二个折流挡板长度＝280mm，第三个折流挡板长度＝280mm，第四个折流挡板长度＝320mm，v＝0.05m/s以及v＝0.05m/s时对应的水力停留时间。

本发明实施例中，还需说明的是，每次改变折流挡板的长度就要重新建立物理模型，所以要循环执行A11至A22，只改变入口速度及水力停留时间不需要重新建立物理模型。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。