城市污水管道系统是一个相对密闭的空间体系, 在长距离输送污水过程中, 氧气被不断消耗且难以得到有效地补充, 容易形成厌氧环境.管道内厌氧环境有利于厌氧菌的滋生和繁殖, 产生CH₄和H₂S等有毒有害气体, 进一步造成管道腐蚀和爆炸等问题, 给市政维护带来不利影响^{[1, 2]}.如部分压力流污水管道中液态CH₄浓度高达20~25 mg·L^-1, 而CH₄易燃, 易与空气混合形成爆炸性气体^[3]. H₂S普遍存在于污水管道中, 浓度分布不均匀, 但其是一种强烈的神经性毒素, φ(H₂S)达0.07%可以致人死亡, 严重危害工作人员的健康安全^{[4, 5]}.此外, 污水管道中产生并释放的H₂S还可以吸附在混凝土管壁上造成腐蚀^[6].

目前, 针对污水管道有害气体常见的控制措施有：①投加氧化剂, 提高污水的氧化还原电位(ORP), 抑制厌氧菌的活性, 如鼓风曝气等^[7]. ②投加金属离子盐形成难溶的金属盐去除硫化物, 如铁盐等^[8]. ③提高pH值, 破坏微生物的生存环境^[9]. ④使用生物抑制剂或灭菌剂, 如投加钡酸盐和亚硝酸盐等^[10].但是, 这些控制措施普遍缺乏长久的控制效果, 一旦药剂没有及时补充, 有害气体的产量会在短时间内迅速提升, 甚至高于控制前的产量.此外, 这些控制措施也会导致额外的能量损耗和成本增加^[11].

为了减少污水管道内H₂S和CH₄等有毒有害气体产生和积累, 降低控制成本和潜在风险, 结合我国污水收集系统内建筑排水立管与市政污水管道之间设置化粪池加剧了污水管道通风不畅的现状. Lu等^[12]提出一种增强通风系统, 如图 1所示, 通过取消化粪池, 将建筑排水立管与市政污水管道直接相连, 使通过卫生器具排水形成负压而吸入的新鲜空气输送至污水管道, 实现增强污水管道内的自然通风.张二飞等^[13]探究了建筑排水立管与污水管道直连系统的气流规律, 发现立管吸入的新鲜空气有94%进入污水管道顶部空间.在建筑排水立管与市政污水管道直连的基础上, 通过在上下游建筑立管顶部安装风机, 上游立管向内鼓入新鲜气体, 下游立管向外排出气体, 就可以实现污水管道内的持续通风.

基于建筑排水立管与污水管道直连技术, 污水管道内气相环境得以改善, 氧气浓度增加.因此, 污水管道内氧气的气液传质成为限制建筑立管与污水管道直连技术控制液相内厌氧环境的关键因素.本文从污水管道的污水流速和气相风速为出发点, 探究污水流速和气相风速对氧气气液传质的影响, 以寻求增强管道内氧气传质的办法, 实现长期抑制管道内厌氧环境, 达到长久控制污水管道有害气体的目的.

1 材料与方法 1.1 增强氧气气液传质实验 1.1.1 实验装置

因为现场难以满足实验要求, 无法对数据进行有效监测, 所以根据实际管道流速所产生的剪切力大小, 设计本研究使用的罐式反应器, 所用实验装置如图 2所示.装置主体由有机玻璃制成, 罐体内径为140 mm, 高为240 mm, 反应器侧壁和顶部分别设有溶解氧(DO)探测口、进气口和出气口.反应器密闭, 放置于平稳的磁力搅拌器上, 避免外部扰动.反应器底部放置一个磁力搅拌器转子, 顶部内设有扇叶.同时, 反应器外设有水浴加热箱以模拟实际污水管道恒温环境.

1.1.2 实验方法

实际污水管道内水样含有各种无机污染物、有机污染物和微生物等成分, 且污水水质会随着时间推移发生变化^[14].为了得到污水管道内氧气气液传质的基础规律, 避免因水质变化产生的随机影响, 故将人工配制污水作为本次的实验用水, 人工配制污水的主要成分与实际污水类似, 见表 1, 所以人工配制污水几乎不会影响数据测定.依据实际重力流污水管道, 反应器分为气相和液相两个部分, 气液两相各占50%用于模拟充满度为0.5的污水管道.污水流速借助反应器底部磁力搅拌器的不同搅拌速度对实际污水管道的污水流速进行模拟^[15].结合污水管道实际情况, 将本实验的水流速度设置为4个梯度: 0.3 m·s^-1(95 r·min^-1)、0.6 m·s^-1(190 r·min^-1)、0.9 m·s^-1(285 r·min^-1)和1.2 m·s^-1(380 r·min^-1).气相风速则由反应器顶部机械搅拌器转动产生, 并通过Testo-435风速计实测确定.

本实验包括两个部分, 分别是污水流速组和增强气相风速组.实验设计如表 2所示, 在污水流速组, 考虑到水流对气流的拖曳力, 将风速设置为污水流速的0.3倍^[16].同时, 鉴于污水管道的水力停留时间, 设增强氧气传质实验时间为3 h.实验开始前, 将1.8 L的纯水加入反应器内, 通入高压高纯氮气曝气, 待水体DO降低至0.5 mg·L^-1以下, 然后持续通入空气, 启动磁力搅拌器和机械搅拌器, 开始实验.

1.1.3 实验参数分析

在实验运行期间, 使用哈希便携式溶解氧检测仪检测水体DO变化, 使用Testo-435风速计测定空气流速.数据统计和图像处理由Origin Lab 2018完成.

1.2 CFD仿真模拟 1.2.1 CFD模型设计

通过罐体反应器探究管道内氧气传质的一般规律, 但是罐体反应器无法呈现实际管道水体中溶解氧的分布规律.为了解决这个问题, 先通过罐体实验装置获得污水管道内氧气传质的基本规律, 然后以实验获得的数据为基础, 以实际污水管道尺寸为仿真模型, 最终得到管道内水体溶解氧具体分布情况.参照实际污水管道尺寸, 选取一段长30 m, 充满度为0.5的DN600污水管道内液相部分为计算模型.计算尺寸和边界条件设置如图 3所示.同时, 为了得到管道内氧气气液传质与分布基础规律, 计算模型初始处于完全厌氧状态, 且不考虑溶解氧消耗.

1.2.2 气-液界面的传质模型与控制方程

在气液交界面, 氧气的传质涉及到两相界面运输, 因此在气液交界面接入传质模型.管道内气液交界面仿照Edwinibonsu的CFD模型设置为可移动的刚面, 速度与水流速度一致^[17].氧气的传质以菲克定律为基础, 借助UDF以源项的形式添加至组分运输方程实现传质.组分运输方程如式(1)和式(2)所示.

(1)

(2)

式中, Y₀为氧在液相中的质量分数; J₀是质量扩散项; S₀是相界面的传质源项; K_L为表面传质系数; A为气液交界面面积, 假设恒定; V为水体体积; c^*为饱和氧浓度; c为液相主体内氧浓度; K_La为体积传质系数(min^-1).

除组分运输模型, CFD模拟还包括质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程等.

1.2.3 CFD模型验证

网格粗糙度对仿真结果的准确性影响较大.为了提高计算结果的准确性又能节省计算机资源, 在模拟计算前要对网格的无关性进行验证.通过调整网格大小, 观察数据波动情况, 以确定模拟结果的准确性和最优的网格数目.以污水流动过程中底部的压强和溶解氧浓度为检验指标.如图 4所示, 3种网格模型的两个检验指标变化幅度均在5%以内, 可以认为网格数量与模拟结果无关, 最终选择25万网格模型为计算模型.

通过比较单位比表面积氧传质速率对CFD模拟的准确性进行定量分析, 见图 5.从中可见, CFD模拟的单位比表面积氧传质速率略大于实验值, 且随着污水流速增加, 差值也有所增加.造成这种现象的原因可能在于CFD模型的污水体积远大于实验体积, 因而在模型内存在更剧烈的紊流扩散, 造成液面溶解氧浓度降低, 因而具有更快的氧传质速率.对比模拟值与实验值, 最大误差为6.3%, 由此认为CFD模拟设置具有一定准确性.

2 结果与讨论 2.1 实验结果分析 2.1.1 污水流速对氧传质的影响

反应器运行期间, 定期检测水体的溶解氧(DO), 以便发现不同污水流速下DO恢复情况, 实验结果如图 6所示.从DO恢复曲线可以看出, 反应器运行期间水体DO含量稳定上升, 且污水流速越大, 水体DO上升越快.水体DO稳定上升与孙远军等^[18]的研究认为溶解氧浓度先快速上升, 然后缓慢恢复的观点略有不同.这主要原因可能是, 其实验周期远大于污水管道的水力停留时间, 管道停留时间内水体DO还处于快速上升阶段.

体积传质系数K_La是表征氧气气液传质性能的重要参数, 可以反映气液传质能力的强弱.体积传质系数K_La具体计算方法见式(3)^[19].

(3)

式中, c₀为液相中初始溶解氧浓度; c^*为饱和氧浓度; c为液相主体内氧浓度; K_La为体积传质系数; t为氧气传质时间; t₀为初始时间.

不同污水流速条件下体积传质系数K_La变化如图 7所示.随着污水流速加快, K_La也在逐渐增加.这说明污水流速增大, 水体的紊动程度增加, 强化了氧气向水体传质能力^[20].在污水流速为0.3、0.6、0.9和1.2 m·s^-1的污水流速组, K_La分别是0.001 76、0.002 21、0.003 57和0.004 79 min^-1, 依次增长25.5%、102.8%和172.2%, 平均每增加0.1 m·s^-1的水流流速, K_La增加3.48×10^-4 min^-1.

2.1.2 气相风速对氧传质的影响

增强气相风速组的水体DO恢复情况与体积传质系数K_La的变化见图 8和图 9.在增强气相风速组, 水体DO变化趋势与污水流速的影响类似, 几乎以线性趋势增长, 且风速越高, 水体DO恢复速度越快.造成这种现象的原因在于质量传质主要受到液相侧向下暴发运动有关的流向涡控制, 较高的风速增强了气液界面紊流, 因此增加了与液相侧暴发运动相关的流向涡出现的频率, 从而增强传质^[21].同时, 当气相风速从0.2 m·s^-1逐步增加至0.9 m·s^-1, K_La分别是0.001 98、0.002 58、0.002 84、0.003 27、0.003 69、0.003 98、0.004 27和0.004 53 min^-1, 依次增加30.3%、43.4%、65.2%、86.4%、101.0%、115.7%和128.8%, 平均每增加0.1 m·s^-1的气相风速, K_La增加3.59×10^-4 min^-1.

2.2 仿真结果分析

耦合表面传质系数K_L和CFD模拟软件可对污水管道流动过程中氧气传质过程进行可视化分析.

2.2.1 污水管道溶解氧分布情况

污水管道溶解氧分布情况如图 10所示.管道内氧含量呈现表层高于深层、下游高于上游的趋势.这种分布情况是由于管道内的溶解氧主要以两个方向传递扩散, 沿着水深方向的浓度梯度扩散和随着污水流动过程中的表面氧传质.同时, 通过对管道内不同位置氧含量对比, 临近壁面处的氧含量高于相同深度的中心处氧含量.造成这种现象的主要原因在于临近壁面的水流由于受到壁面剪切力的影响具有更低的流动速度, 因而具有更长的水力停留时间即两相传质时间.考虑到污水管道在长距离运输过程中, 混凝土管壁会形成生物膜, 且有害气体随污水往下运动并在管道内逐渐聚集^[22].因此, 管道内氧含量呈下游高于上游, 壁面高于中心的分布趋势更有利于缓解污水管道有害气体产生与释放问题.

2.2.2 污水管道溶解氧浓度变化

选取污水管道气液交界面和出口断面为监测面, 借助监测面的平均溶解氧浓度可判断管道内部溶解氧含量情况, 如图 11.由图 11(a)可知, 在污水流速组, 当水流流速从0.3 m·s^-1增加至0.6 m·s^-1, 管道内溶解氧含量明显降低.其主要原因在于, 管道内溶氧含量受到传质速度和传质时间的双重影响, 0.3 m·s^-1的水流速度虽然有较低的K_La, 却拥有更长的水力停留时间, 即传质时间, 所以0.3 m·s^-1的水流速度拥有更好的传质效果.而当水流速度依次增加至0.9 m·s^-1和1.2 m·s^-1, 管道内溶解氧含量只存在轻微的上升.由此可见, 较快的污水流速虽然可以加快氧气的传质, 但是会受到因水流流速加快导致传质时间变短的负面影响.同时, 水流速度太快和太慢均会对污水管道长期运行造成不利影响^{[23, 24]}.因此, 通过改变污水管道内污水流速增强氧气的气液传质不是最优方案.

增强气相风速组管道监测面溶解氧变化情况如图 11(b).风速从0.2 m·s^-1增加至0.9 m·s^-1时, 管道内溶解氧含量逐渐提高.其主要原因在于, 增强管道内气相风速只会提升氧气的两相传质能力, 而不会影响污水的水力停留时间, 所以通过增强管道风速只会起促进作用.同时, 通过对比图 11, 可以发现增强风速组的溶解氧含量明显高于污水流速组的氧含量.所以, 与污水流速组相比, 增强管道风速对提升管道内氧含量有更好的效果.

2.3 溶解氧浓度预测及效果评价

实际重力流污水管道除氧气气液传质外, 还存在DO消耗.为了贴合实际污水管道, 以DN600的污水管道为例, 建立溶解氧物料守恒方程, 见式(4)和式(5).经过数值求解便可获得整个污水管道在不同的气相风速下溶解氧分布情况.

(4)

(5)

式中, 为管道内溶解氧浓度总变化率; V为管道液相总体积; A为管道气液交界面面积; Q为管道流量; c′为管道上游溶解氧浓度, 经过前期调研分析, 选取某市现存污水管道的溶解氧含量进行检测.检测管道位于管网前段位置, 为分流制污水管道, 污水溶解氧浓度在5.23~6.43 mg·L^-1范围内波动, 取5.5 mg·L^-1; γ(c)为管道内溶解氧净增加量; r_w为管道内液相溶解氧消耗速度, 取2 mg·(L·h)^-1[25]; r_f为管道内生物相溶解氧消耗速度, 取3.5 mg·(L·h)^-1[25].

不同气相风速时下游污水管道内溶解氧分布情况如图 12所示.可见, 气相风速越大, 管道溶解氧水平越高.有研究表明, 污水管道液相溶解氧高于0.5 mg·L^-1时便可抑制H₂S的产生, 所以指定溶解氧大于0.5 mg·L^-1管段为有效控制管段^[26].气相风速从0.2 m·s^-1增加至0.9 m·s^-1, 有效控制长度依次增长了25、18、30、30、21、22和20 m, 平均气相风速增加0.1 m·s^-1, 有效控制长度增加了25 m.

3 结论

(1) 提高污水管道内的污水流速和气相风速都能强化氧气气液传质能力, 且强化效果相近.平均每提高0.1 m·s^-1的流速, 氧气的体积传质系数K_La增加3.5×10^-4min^-1.

(2) 提高污水管道内气相风速明显提升了管道内溶解氧含量, 且风速越快, 氧含量越高.而由于受到传质时间的限制, 较快的污水流速对管道溶解氧含量几乎没有影响.

(3) 增强污水管道顶部的气相风速可以有效延长抑制H₂S的管段长度, 平均每增加0.1 m·s^-1的气相风速, 有效控制长度延长25 m.