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摘 要：随着人口城镇化比率的增长，城市人口大幅度增多，城镇污水处理成为当今城市发展过程亟待解决的问题。针对城镇污水处理技术落后，处理效率低问题，以城镇污水为研究对象，研究应用旋流分离技术提高处理污水效率，基于计算流体力学和数学建模方法，对城镇污水一级处理泥沙分离过程的流体分离机理进行研究。根据对污水处理分离器进行数值模拟，结构优化，提高污水一级处理中泥沙的分离效率。
关键词：旋流分离技术;污水处理;数学建模;数值模拟
1.项目研究目的、意义及国内外研究现状与存在问题
城镇污水处理需要先进的水处理技术和设备作为支撑，现阶段的城镇污水处理硬件设备更新换代缓慢，从国外引进诸多污水处理技术，缺乏对城镇污水处理核心技术的掌握与研发，只是盲目的抄袭国外的水处理技术，导致与我国城镇的污水处理现实不相符。城镇污水处理问题成为当今城市发展过程亟待解决的问题，我国城镇污水处理在不断发展，但仍然任重道远。
经调研哈尔滨市文昌污水处理厂和群力污水处理厂，哈尔滨市每年约有2.1多亿立万米的污废水未经城市综合处理直接排入松花江（年污废水量3.3亿立万米，其中经处理的污废水约有1.2亿立万米）。加上上游转来的污水，松花江市区段呈Ⅲ-IV类水体，水体中含有污染物质多达276种，其中哈尔滨市排放有176种。因而松花江哈尔滨段的水体己被严重污染。所以解决城市污水处理问题已迫在眉睫。
目前，国外已有大型污水处理厂在升级改造、工艺设计、优化工况及过程控制等诸多方面采用污水处理数学建模。20世纪80年代末，国际水协会提出的活性污泥1号模型取得了较大的成功，是早期较为完善的污水处理数学模型研究之一。通过模拟计算，使污水处理的设计和运行更加系统与理论化，提高了人们对污水处理过程的认识，节省经济成本且提高污水处理效率。随着时间推移，多种污水处理数学模型不断出现，并且被应用于不同的研究工程。与国外发达国家相比，我国的污水处理数学模型研究和应用稍显落后，由于起步晚，模型推广在实际应用方面相当滞后。对于污水处理过程中的數值模拟也有很多学者应用在污水处理分离器中，但是通过数学建模从根本上明确分离效率提高的机理还有待研究。
本项目基于流体动力学理论应用旋流分离技术研究处理污水分离机理，通过数学建模采用微观的处理方法，将质量守恒定律、能量守恒定律和牛顿第二定律直接运用于流体的分子和原子，再利用统计平均定义导出流体性质，求解流体流动控制方程数值解，确定合适的黏性流动物理边界条件，自由来流条件，利用计算流体力学软件模拟流场变化，模拟结果与数值解相互验证，从而明确流体流动分离机理，进而研发新型分离器结构，提高污水分离效率。提高水的利用效率，恢复城市乃至流域的良好水环境，降低由于污染物排放对环境的危害，为水源紧缺、供需矛盾突出的城市具有重要的经济价值和社会意义。
2.已开展的前期研究
目前在旋流分离技术方向发表论文1篇，论文对旋流分离器结构的轴向入口与切向入口进行了比较，引出轴向入口旋流器的优势。进行导流式旋流器结构设计、数值模拟及实验研究。首先对旋流器进行结构设计，利用UG三维软件进行建模及计算流体力学（CFD）软件进行模拟，通过模拟旋流器流场进行分析，对旋流器的结构进行优化，优化内容包括旋流腔长度、半锥角、溢流口直径等结构参数。进行样机加工，实验验证结构的合理性。
3.研究内容和解决的关键问题
本研究基于流体动力学理论应用旋流分离技术研究处理污水分离机理，旋流分离技术处理污水的流体流动过程采用微观的处理方法，最终明确分离机理，提出分离器优化的结构，提高污水一级处理中泥沙分离效率。
分离器分离过程数学建模和CFD中的物理边界条件的确定是难点，流体流动控制方程的数值解的求解过程是研究的重点，通过数学建模求解控制方程数值解，利用数值模拟来研究城镇污水分离机理成为研究的创新之处。
4.项目研究方法及可行性分析
4.1研究方法：
首先对污水分离器流体流动的分离过程进行数学建模，建立流体流动控制方程并求数值解。其次确定合适的黏性流动物理边界条件，自由来流条件，根据数值对结构进行设计，应用Solidworks软件进行三维实体建模。最后利用CFD对旋流分离过程进行数值模拟，利用微观的处理方法，将质量守恒定律、能量守恒定律和牛顿第二定律直接运用于流体的分子和原子，利用统计平均定义导出流体性质，明确流体的流动机理，进行优化分离器结构，提高污水一级处理阶段的泥沙分离效率。
4.2可行性分析：
旋流分离技术是利用离心力场的作用来分离非均相物系的一种方法，本项目应用旋流分离技术优化分离器结构，提高污水的处理效率，该方向已有前期的工作成果，发表论文1篇，发明专利1项，在已有成果基础上进行理论机理研究，对于应用在一级污水处理阶段分离器分离过程建立数学模型，求解流动控制方程组的数值解，再利用计算流体力学软件进行数值模拟，与数学建模中的流动控制方程组数值解进行相互验证，最终明确分离机理，优化分离器结构提高污水一级处理中泥沙分离效率。
5.项目学术思想及创新之处
本项目是基于旋流分离技术解决城镇污水处理中效率低问题，目前城镇污水一级处理泥沙的效率是70%左右，效率提高有很大空间，预期分离效率提高到90%以上。城镇污水属于非均一系混合物，对于非均一系混合物的分离，一般采用机械方法，其基本原理是将混合物置于一定的力场之中，利用混合物的各个相在力场中受到不同的力，从而得到“相重差”使其分离，其力学过程是宏观的外力场作用过程，而基于旋流分离技术处理就是加外力场离心力场，原有的污水一级处理时应用沉降原理，而沉降式在自然引力场中的分离，由于自然引力场较弱，对固体微粒很小或液相粘度很大的悬浮液，分离过程进行很慢，甚至不能进行，此时，必须外加力场，而比较理想的就是离心力场，基于旋流分离技术就是利用外加离心力场对混合物进行分离，对污水一级处理环节进行泥沙分离，提高一级处理效率。对分离过程进行数学建模，求解流动方程组的数值解，再利用计算流体力学模拟流动，模拟流动与数值解相互验证，明确分离机理，对分离器进行结构优化提高分离效率。
创新的利用数学建模和数值模拟的方法明确分离机理，解决分离效率低的问题。数学建模的理论基础：流体动力学基本方程连续方程、欧拉方程、纳维-斯托克高数据支撑。数值模拟基于计算流体力学理论。
6.项目预期应用前景或产业化前景
基于旋流分离技术对城镇污水进行物理处理，利用外加离心力场作用于污水混合物，由于污水混合物中不同相物质具有不同的密度，所受的离心力不同从而进行分离。该设备具有体积小、密封可靠、分离效率高等优点。目前污水处理被广泛应用于建筑、农业、石化、环保等领域，目前大部分的处理厂由于资金不足、成本高、效率低，所以提高污水处理效率，降低成本，是当前污水处理面临的问题。本项目预期明确分离机理优化结构设计，从而有效提高污水处理效率，节能减耗，解决城镇污水处理问题，恢复城市乃至流域的良好水环境，降低由于污染物排放对环境的危害。为水源紧缺、供需矛盾突出的城市具有重要的经济价值和社会意义。
参考文献
[1] 熊琼.城市污水环境治理措施与治理方法[J].四川水泥，2018（09）：291.
项目基金：哈尔滨石油学院科学研究基金项目资助课题“基于计算流体力学的城镇污水处理研究”（HIPJJ201923）
关键词：旋流分离技术;污水处理;数学建模;数值模拟
1.项目研究目的、意义及国内外研究现状与存在问题
城镇污水处理需要先进的水处理技术和设备作为支撑，现阶段的城镇污水处理硬件设备更新换代缓慢，从国外引进诸多污水处理技术，缺乏对城镇污水处理核心技术的掌握与研发，只是盲目的抄袭国外的水处理技术，导致与我国城镇的污水处理现实不相符。城镇污水处理问题成为当今城市发展过程亟待解决的问题，我国城镇污水处理在不断发展，但仍然任重道远。
经调研哈尔滨市文昌污水处理厂和群力污水处理厂，哈尔滨市每年约有2.1多亿立万米的污废水未经城市综合处理直接排入松花江（年污废水量3.3亿立万米，其中经处理的污废水约有1.2亿立万米）。加上上游转来的污水，松花江市区段呈Ⅲ-IV类水体，水体中含有污染物质多达276种，其中哈尔滨市排放有176种。因而松花江哈尔滨段的水体己被严重污染。所以解决城市污水处理问题已迫在眉睫。
目前，国外已有大型污水处理厂在升级改造、工艺设计、优化工况及过程控制等诸多方面采用污水处理数学建模。20世纪80年代末，国际水协会提出的活性污泥1号模型取得了较大的成功，是早期较为完善的污水处理数学模型研究之一。通过模拟计算，使污水处理的设计和运行更加系统与理论化，提高了人们对污水处理过程的认识，节省经济成本且提高污水处理效率。随着时间推移，多种污水处理数学模型不断出现，并且被应用于不同的研究工程。与国外发达国家相比，我国的污水处理数学模型研究和应用稍显落后，由于起步晚，模型推广在实际应用方面相当滞后。对于污水处理过程中的數值模拟也有很多学者应用在污水处理分离器中，但是通过数学建模从根本上明确分离效率提高的机理还有待研究。
本项目基于流体动力学理论应用旋流分离技术研究处理污水分离机理，通过数学建模采用微观的处理方法，将质量守恒定律、能量守恒定律和牛顿第二定律直接运用于流体的分子和原子，再利用统计平均定义导出流体性质，求解流体流动控制方程数值解，确定合适的黏性流动物理边界条件，自由来流条件，利用计算流体力学软件模拟流场变化，模拟结果与数值解相互验证，从而明确流体流动分离机理，进而研发新型分离器结构，提高污水分离效率。提高水的利用效率，恢复城市乃至流域的良好水环境，降低由于污染物排放对环境的危害，为水源紧缺、供需矛盾突出的城市具有重要的经济价值和社会意义。
2.已开展的前期研究
目前在旋流分离技术方向发表论文1篇，论文对旋流分离器结构的轴向入口与切向入口进行了比较，引出轴向入口旋流器的优势。进行导流式旋流器结构设计、数值模拟及实验研究。首先对旋流器进行结构设计，利用UG三维软件进行建模及计算流体力学（CFD）软件进行模拟，通过模拟旋流器流场进行分析，对旋流器的结构进行优化，优化内容包括旋流腔长度、半锥角、溢流口直径等结构参数。进行样机加工，实验验证结构的合理性。
3.研究内容和解决的关键问题
本研究基于流体动力学理论应用旋流分离技术研究处理污水分离机理，旋流分离技术处理污水的流体流动过程采用微观的处理方法，最终明确分离机理，提出分离器优化的结构，提高污水一级处理中泥沙分离效率。
分离器分离过程数学建模和CFD中的物理边界条件的确定是难点，流体流动控制方程的数值解的求解过程是研究的重点，通过数学建模求解控制方程数值解，利用数值模拟来研究城镇污水分离机理成为研究的创新之处。
4.项目研究方法及可行性分析
4.1研究方法：
首先对污水分离器流体流动的分离过程进行数学建模，建立流体流动控制方程并求数值解。其次确定合适的黏性流动物理边界条件，自由来流条件，根据数值对结构进行设计，应用Solidworks软件进行三维实体建模。最后利用CFD对旋流分离过程进行数值模拟，利用微观的处理方法，将质量守恒定律、能量守恒定律和牛顿第二定律直接运用于流体的分子和原子，利用统计平均定义导出流体性质，明确流体的流动机理，进行优化分离器结构，提高污水一级处理阶段的泥沙分离效率。
4.2可行性分析：
旋流分离技术是利用离心力场的作用来分离非均相物系的一种方法，本项目应用旋流分离技术优化分离器结构，提高污水的处理效率，该方向已有前期的工作成果，发表论文1篇，发明专利1项，在已有成果基础上进行理论机理研究，对于应用在一级污水处理阶段分离器分离过程建立数学模型，求解流动控制方程组的数值解，再利用计算流体力学软件进行数值模拟，与数学建模中的流动控制方程组数值解进行相互验证，最终明确分离机理，优化分离器结构提高污水一级处理中泥沙分离效率。
5.项目学术思想及创新之处
本项目是基于旋流分离技术解决城镇污水处理中效率低问题，目前城镇污水一级处理泥沙的效率是70%左右，效率提高有很大空间，预期分离效率提高到90%以上。城镇污水属于非均一系混合物，对于非均一系混合物的分离，一般采用机械方法，其基本原理是将混合物置于一定的力场之中，利用混合物的各个相在力场中受到不同的力，从而得到“相重差”使其分离，其力学过程是宏观的外力场作用过程，而基于旋流分离技术处理就是加外力场离心力场，原有的污水一级处理时应用沉降原理，而沉降式在自然引力场中的分离，由于自然引力场较弱，对固体微粒很小或液相粘度很大的悬浮液，分离过程进行很慢，甚至不能进行，此时，必须外加力场，而比较理想的就是离心力场，基于旋流分离技术就是利用外加离心力场对混合物进行分离，对污水一级处理环节进行泥沙分离，提高一级处理效率。对分离过程进行数学建模，求解流动方程组的数值解，再利用计算流体力学模拟流动，模拟流动与数值解相互验证，明确分离机理，对分离器进行结构优化提高分离效率。
创新的利用数学建模和数值模拟的方法明确分离机理，解决分离效率低的问题。数学建模的理论基础：流体动力学基本方程连续方程、欧拉方程、纳维-斯托克高数据支撑。数值模拟基于计算流体力学理论。
6.项目预期应用前景或产业化前景
基于旋流分离技术对城镇污水进行物理处理，利用外加离心力场作用于污水混合物，由于污水混合物中不同相物质具有不同的密度，所受的离心力不同从而进行分离。该设备具有体积小、密封可靠、分离效率高等优点。目前污水处理被广泛应用于建筑、农业、石化、环保等领域，目前大部分的处理厂由于资金不足、成本高、效率低，所以提高污水处理效率，降低成本，是当前污水处理面临的问题。本项目预期明确分离机理优化结构设计，从而有效提高污水处理效率，节能减耗，解决城镇污水处理问题，恢复城市乃至流域的良好水环境，降低由于污染物排放对环境的危害。为水源紧缺、供需矛盾突出的城市具有重要的经济价值和社会意义。
参考文献
[1] 熊琼.城市污水环境治理措施与治理方法[J].四川水泥，2018（09）：291.
项目基金：哈尔滨石油学院科学研究基金项目资助课题“基于计算流体力学的城镇污水处理研究”（HIPJJ201923）