بخشی از مقاله
چکیده
تانک ته نشینی برای حذف مواد جامدی که در مراحل ابتدایی تصفیه حذف نشده اند استفاده میشود. این تصفیه و جداسازی به کمک نیروی وزن انجام می شود. اثرات فیزیکی و هیدرودینامیکی شامل نیروی گرانش وارد بر ذرات رسوب، تغیی رات تراکم ذرات در سیال و به هم پیوستن و لخته شدن ذرات عواملی هستند که برالگوی جریان و عملکرد تانک اثر میگذارند. در این مقاله جریان در یک تانک ته نشینی استاندارد توسط دینامیک سیالات محاسباتی شبیه سازی گردید و نتیجه نشان می دهد؛ تفکیک آب از مواد ریز فاضلاب و رسوبات به خوبی صورت می گیرد و مواد ته نشین شده از مجرای تخلیه رسوب درکف تانک جمع آوری میگردد.
در این تحقیق به کمک نرم افزار Fluent6.3 به شبیه سازی جریان 2فازی آب شیرین ورودی از سمت چپ، هوا از مجرای عمودی و آب شور از ورودی سمت راست پرداخته شده است. با استفاده از الگوی Mixture اختلاط این 2 فاز حل گردیده است. برای حل از مدل آشفتگی k- استفاده شده است. در نهایت تحقیقات این مقاله به این نتیجه رسید که شناخت صحیحی از رفتار جریان و ذرات داخل حوضچه در کارایی و بهینه سازی این سازه ها میتواند موثر باشد.
سیستم تانک مورد نظر در این تحقیق توانایی تفکیک آب از رسوب وتخلیه رسوب را به شکل مناسبی دارد. با نظر به اینکه 30 تا40 درصد هزینه ساخت ی ک تصفیه خانه، هزینه ساخت حوضچه تهنشینی است، لذا طراحی هیدرولیکی در حوضچهها و مناطق ورودی و خروجی و حداقل کردن تاثیرات جریان اتصال کوتاه و گردابی، اهمیت زیادی دارد.
مقدمه
ته نشینی به وسیله نیروی ثقل از معمول ترین و پرکاربردترین روشهای جداسازی ذرات جامد معلق در آب و فاضلاب می باشد. حوضچه های رسوبگذار از اجزاء مهم و اصلی در هر فرآیند تصفیه آب به شمار می روند. عملکرد حوضچههای ته نشینی به شدت متأثر از اثرات هیدرولیکی و فیزیکی مثل چگالی جریان، نیروی ثقل و لخته شدن رسوب دارد. در این راستا تنها جنبه شیمیایی رسوب موجود در حوضچه حائز اهمیت نیست، بلکه هیدرولیک جریان نقش مهمی را ایفا می کند. به منظور بهینه کردن عملکرد این حوضچه ها، باید جریان سیال وارد شونده به حوضچه آرام باشد و آشفتگی به مقدار حداقل رسانده شود.
مناطق چرخشی همیشه در حوضچهها وجود دارند. این مناطق با ایجاد اتصال کوتاه باعث توسعه نواحی مرده و دوری از ته نشینی بهینه میشوند . زیرا ایجاد نواحی مرده و مناطق با اتصال کوتاه به آرامش جریان لطمه وارد می کند و بر عملکرد حوضچه تأثیرات منفی می گذارد. اگر غلظت درون حوضچه زیاد باشد، امکان ایجاد پدیده اتصال کوتاه به وجود می آید که بدون اینکه توده غلیظ تغییری بنماید، جریان ورودی به سمت خروجی هدایت می گردد. نواحی مرده به قسمتی از حوضچه اطلاق می گردد که با توجه به گرادیان سرعت در ورودی حوضچه، چرخش جریان مانع از ایجاد شرایط مناسب جهت ته نشینی میشود.
لذا با کاهش نواحی مرده درون حوضچه، بستر مناسبی جهت ترسیب مواد ایجاد خواهد شد پس میتوان گفت طراحی این حوضچهها و زمان ماندن آب درون آنها نیاز به بررسی بیشتری دارد. به دلیل هزینه بسیار زیاد ساخت و نگهداری این حوضچه ها، که در حدود % 30 کل هزینه تصفیه خانه ها را به خود اختصاص می دهد، عملکرد بهینه حوضچه های ته نشینی بسیار حائز اهمیت است.
لذا انجام تحقیقات در مورد شناخت هیدرولیک جریان از طریق شبیه سازی عددی حوضچه های اولیه که غلظت رسوب در آنها کم است و هیدرولیک جریان نقش برجسته ای را ایفا می کند، برای بهبود عملکرد آنها بسیار ضروریست. در این مقاله به شبیه سازی عددی جریان دوفازی در حوض های ته نشینی تاسیسات تصفیه فاضلاب پرداخته می شود.
بیان مسئله
در ارتباط با اهمیت این پژوهش و بررسی می توان به اهمیت نقش واحد حوضچه های ته نشینی در تصفیه خانه ها اشاره نمود. با توجه به اهمیت مصرف آب در زمینه شرب و تصفیه مناسب با کار آیی و سرعت بالا در جهت تأمین نیاز روزافزون در فرآیند تصفیه خانه های آب، واحد حوضچه ته نشینی، مورد توجه قرار گرفته است. همچنین نوع دیگری از حوضچه های ته نشینی پس از آبگیر رودخانه ها، جهت جداسازی مواد معلق و رسوبات رودخانه استفاده میشود؛ زیرا وجود ذرات معلق درون آب برای سازه-های انتقال ایجاد مشکل می نماید.
حوضچه های ته نشینی نقش جداکننده ذرات از سیال را بر عهده دارند، به صورتی که درون تصفیه خانه های آب در واحدهای قبل از حوضچه تهنشینی با اضافه کردن مواد مناسب و اختلاط آن، زمان ته نشین شدن ذرات ریزی که در ته نشین شدن سرعت کمی دارند را کاهش میدهند. وزن توده ذرات باعث می شود که مواد زاید به سمت عمق آب رفته و به صورت لجن از حوضچه های ته نشینی خارج شوند.
به دلیل هزینه بسیار زیاد ساخت و نگهداری این حوضچه ها، عملکرد بهینه حوضچه های ته نشینی بسیار حائز اهمیت است. علیرغم اهمیت عملی این حوضچه ها، طراحی های موجود تا حد زیادی تکیه بر فرمولهای تجربی دارند که جزئیات هیدرودینامیکی سیستم را به صورت کامل در نظر نمی گیرند. یکی از بزرگ ترین و مهم ترین مشکلاتی که در یک سیستم تصفیه خانه باعث کاهش راندمان آن می شود وجود جریانهای مدار کوتاه و رسوب گذاری در آن میباشد. جریان های مدار کوتاه به دلایل مختلفی نظیر وجود گرادیان حرارتی، گرادیان چگالی و عدم توزیع یکنواخت جریان در ورودی ایجاد می شود.
رسوب گذاری نیز از پدیدههای همیشگی در حوضچههای ترسیب در یک تصفیه خانه میباشد که تاثیر مستقیم از هیدرولیک جریان و همچنین رفتار نواحی چرخش جریان میگیرد. بدین منظور در این پژوهش با انتخاب نرمافزار SSIIM سعی در شناخت و مدلسازی عددی الگوی هیدرولیک جریان در حوضچهی ترسیب اولیه که اولین و مهمترین قسمت تصفیه خانه به شمار میرود داشته باشیم.
شناخت و مدل سازی الگوی هیدرولیک جریان در حوضچه ترسیب اولیه به دلیل تأثیر فراوان در بهینه سازی طراحی حوضچههای ترسیب در تصفیه خانه ها که باعث افزایش راندمان این تأسیسات میشود بسیار ضروری مینماید. بدیهی است که مدل سازی عددی بسیار مقرون به صرفهتر از ایجاد مدلهای فیزیکی میباشد و با مدلسازی دقیق این فرآیندها در حوضچههای ترسیب میتوان از صرف هزینه های بی مورد و گزاف ایجاد مدلهای فیزیکی جلوگیری نمود. در این پژوهش الگوی جریان توسط نرمافزار SSIIM2 در چند مورد همراه با نتایج اندازه گیریهای آزمایشگاهی نشان از توان بالای مدلسازی توسط این نرمافزار دارد.
روش تحقیق
در این تحقیق به کمک نرم افزار Fluent6.3 به شبیه سازی جریان 2فازی آب شیرین ورودی از سمت چپ، هوا از مجرای عمودی و آب شور از ورودی سمت راست پرداخته شده است. با استفاده از الگوی Mixture اختلاط این 2 فاز حل گردیده است. برای حل از مدل آشفتگی k- استفاده شده است. تحلیل و شبیه سازی هیدرولیک جریان موجود در حوضچه های ته نشینی اولیه با نرم افزار SSIIM انجام شده و نتایج عددی حاصله با نتایج آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفته است. مدلهای موجود در حالت سه بعدی شبیه سازی می شوند و لزوم مدلسازی سه بعدی برای بررسی هیدرولیک جریان در هر مورد بررسی شده است.
ابتدا نتایج پروفیل سرعت و نواحی چرخشی با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شد. سپس با توجه به صحت سنجی انجام شده و اطمینان از توانایی این مدل عددی، به بررسی انرژی جنبشی آشفتگی و تنش برشی در مقاطع مختلف حوضچه پرداخته خواهد شد. پس از بررسی نتایج، تاثیر قرارگیری تیغه های هدایت کننده بر بهبود شرایط هیدرولیکی جریان در حوضچه ها مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین تاثیر جایگاه قرار گیری ورودی بر نواحی چرخشی، تنش برشی و توزیع پروفیل سرعت جریان نیز مورد بررسی قرار می گیرد. سپس با تغییر هندسه حوضچه و بررسی هندسه - های مختلف، هندسه مطلوب با عملکرد بهینه حوضچه، معرفی شده است.
-4 معرفی حوضچههای ته نشینی
واحد تهنشینی یکی از واحدهای اصلی تصفیه فیزیکی آب، جهت حذف ذرات معلق موجود در آب است. از لحاظ جانمایی این واحد بعد از واحدهای اختلاط سریع و لخته سازی قرار دارد. علاوه بر این، هنگام بازیابی آب شستشوی صافیها و تغلیظ لجن از این واحد استفاده میشود. همچنین اگر منبع تأمین آب خام رودخانه باشد، به منظور حذف لای - سیلت - و ماسه، از پیش تهنشینی استفاده میگردد. هیدرولیک حوض تهنشینی به متغیرهایی نظیر غلظت، اندازه و رفتار ذرات معلق موجود در آب بستگی دارد. به طور کلی شناسایی ذرات معلق و سرعت تهنشینی آنها از موارد مهم در طراحی حوضهای تهنشینی است. به طور کلی فرآیند تهنشینی به چهار نوع تقسیمبندی میشود:
نوع اول: این نوع تهنشینی متناسب با شرایطی است که غلظت جامدات معلق ورودی کم باشد و ذرات به طور تقریباً جداگانه تهنشین میشوند. از نمونههای این نوع تهنشینی در تصفیهخانه آب میتوان به حذف لای از آب ورودی به تصفیهخانه از رودخانه در فرآیند پیش تهنشینی قبل از مرحله اختلاط سریع و یا نشست ماسهها در صافیها پس از عملیات شستشو اشاره کرد.
نوع دوم: این نوع تهنشینی متناظر با شرایطی است که غلظت ذرات معلق ورودی زیاد باشد. از نمونههای این نوع تهنشینی در تصفیهخانه آب میتوان به تهنشینی لختهها در حوضهای لخته سازی اشاره کرد.
نوع سوم: این نوع تهنشینی هنگامی رخ میدهد که غلظت ذرات معلق ورودی به اندازه کافی بالا است تا همانند یک جرم تجمع یافته تهنشین شوند.نمونهای از این نوع را میتوان در قسمت فوقانی پتوی لجن در واحد تغلیظ ثقلی مشاهده کرد.
نوع چهارم: این نوع تهنشینی هنگامی رخ میدهد که غلظت ذرات معلق ورودی بسیار بالا باشد. در این شرایط ته-نشینی یک ذره با متراکم کردن ذرات مجاورش رخ میدهد. نمونهای از این نوع را میتوان در قسمت تحتانی پتوی لجن در واحد تغلیظ ثقلی مشاهده کرد.
در روشهای معمولی تصفیه آب استفاده از حوضهای تهنشینی بسیار متداول است و محل آن بعد از اختلاط و انعقاد قبل از صافیهاست. گاهی اوقات کیفیت آب طوری است که در تصفیه آن نیازی به کاربرد حوض تهنشینی نیست حوضهای تهنشینی به صافتر شدن آب کمک نموده و در نتیجه بار صافیها را تا حدود زیادی تقلیل خواهد داد.
