范 蘢，施漢昌，劉 嶠，董 強(qiáng)，丁愛(ài)琴，徐 農(nóng)

(1.合肥學(xué)院 能源材料與化工學(xué)院，合肥 230601；2.清華大學(xué) 環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.中國(guó)科學(xué)院 生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100090)

0 引 言

計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)是一門(mén)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科，它通過(guò)計(jì)算機(jī)的高速數(shù)值計(jì)算和圖像處理，可以對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行分析。具體來(lái)說(shuō)，CFD是在流動(dòng)基本方程控制下對(duì)流體流動(dòng)的數(shù)值模擬，通過(guò)數(shù)值模擬，可以得到復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題的流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量的分布，如速度、溫度、濃度、壓力等等，以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況。通過(guò)這些分析，可以對(duì)體系內(nèi)部的特性、特征等進(jìn)行描述和分析，進(jìn)一步加深理解[1-2]。

由于CFD通過(guò)數(shù)值計(jì)算即可得到相關(guān)的特性參數(shù)，它具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)值實(shí)驗(yàn)，從而進(jìn)行多種方案的優(yōu)劣比較。另外，它不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗疲″X省時(shí)，具有較大的靈活性。只要給出詳細(xì)和完整的參考資料，很容易模擬各種特殊條件，或無(wú)法達(dá)到的理想條件。雖然CFD有一定的局限性，但已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于化工、環(huán)境、能源、航天等諸多領(lǐng)域。

環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的水處理問(wèn)題在中國(guó)尤其受到關(guān)注，廢水處理反應(yīng)器在水處理中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，如何有效的處理廢水，提高廢水的處理效率，一直是環(huán)保工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。由于CFD應(yīng)用廣泛，關(guān)于CFD基礎(chǔ)知識(shí)的介紹眾多，因此，圍繞CFD在環(huán)保領(lǐng)域廢水處理中的應(yīng)用，以最常見(jiàn)的活性污泥法二沉池為例，重點(diǎn)講述如何發(fā)揮CFD的作用，可以更好地指導(dǎo)廢水處理的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

1 活性污泥法和二沉池簡(jiǎn)介

1913年Fowler G J博士指導(dǎo)Arden E和Lockett W T發(fā)明的活性污泥法(Conventional Activated Sludge Processes，CASP)是當(dāng)前世界各國(guó)應(yīng)用最廣泛的一種廢水生物處理方法。其基本工藝流程是：廢水首先進(jìn)入初次沉淀池，經(jīng)過(guò)沉砂和初沉等工藝進(jìn)行一級(jí)處理，除去大部分懸浮物和部分可生化降解有機(jī)物(Biochemical Oxygen Demand，BOD)后進(jìn)入一個(gè)為進(jìn)行好氧生化反應(yīng)而人工建造的曝氣池，池子猶如河道的一段，池中有無(wú)數(shù)能氧化分解水中有機(jī)污染物的微生物。同天然河道相比，這一人工凈化生態(tài)系統(tǒng)效率極高，大氣的天然供氧不能滿足這些微生物氧化分解有機(jī)物的需要，因此在池中需設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)或其他人工供氧系統(tǒng)。廢水在曝氣池停留一段時(shí)間后，廢水中的有機(jī)物絕大多數(shù)被曝氣池中的微生物吸附氧化分解成無(wú)機(jī)物，隨即進(jìn)入下一個(gè)池子——二次沉淀池。在二次沉淀池中，成絮狀的微生物絮體——活性污泥下沉，處理后的廢水——上清液即可溢流而被排放，活性污泥法的基本工藝路線如圖1所示。

圖1 活性污泥法的基本工藝路線

有機(jī)物質(zhì)+微生物微生物↓+CO2↑+H2O+能量

(1)

該方法的主要特點(diǎn)是應(yīng)用微生物，特別是細(xì)菌，并在為充分發(fā)揮微生物的作用而專門(mén)設(shè)計(jì)的生化反應(yīng)曝氣池中，將廢水的污染物轉(zhuǎn)化為微生物細(xì)胞以及簡(jiǎn)單形式的無(wú)機(jī)物。

二次沉淀池，簡(jiǎn)稱二沉池，在全球范圍內(nèi)，它是活性污泥法廢水生物處理的一個(gè)重要處理單元。它具有兩方面的功能[3]，一是對(duì)反應(yīng)池出水進(jìn)行泥水分離，保證出水中的懸浮物達(dá)到各國(guó)的排放標(biāo)準(zhǔn)；二是對(duì)污泥進(jìn)行濃縮、回流，使反應(yīng)池中的微生物濃度保持在一定范圍內(nèi)，保證廢水生物處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。二沉池的運(yùn)行狀況對(duì)整個(gè)廢水生物處理系統(tǒng)的處理效果和處理效率有極重要的影響，是整個(gè)廢水處理系統(tǒng)能否大負(fù)荷、高質(zhì)量運(yùn)轉(zhuǎn)的重要制約因素。

在傳統(tǒng)活性污泥法處理工藝的城市污水處理廠中，由于設(shè)計(jì)和運(yùn)行等管理不善，二沉池會(huì)出現(xiàn)一系列異常現(xiàn)象[4]，進(jìn)而造成出水水質(zhì)變差，污泥流失等現(xiàn)象?；钚晕勰嗯蛎浭嵌脸刂凶畛Ｒ?jiàn)的異?，F(xiàn)象之一，由于污泥膨漲的發(fā)生，污泥結(jié)構(gòu)變松散，質(zhì)量變輕，沉淀壓縮性變差，大量污泥流失，出水渾濁，二沉池固液分離困難，無(wú)法維持曝氣池的正常工作?；钚晕勰嗌细∫彩窃S多污水處理廠中常常出現(xiàn)的問(wèn)題，污泥上浮發(fā)生時(shí)，活性污泥由于自身原因或外界原因，造成其相對(duì)密度小于1，活性污泥上浮至二沉池表面，最終導(dǎo)致泥水分離效果變差。這些異?，F(xiàn)象都嚴(yán)重影響著二沉池的水處理效率和效果，因此將CFD應(yīng)用于二沉池優(yōu)化設(shè)計(jì)和技術(shù)升級(jí)換代，提高其水處理效率，穩(wěn)定出水效果，是研究的主要目的。

2 CFD在二沉池中的應(yīng)用

自20世紀(jì)九十年代起，科技工作者開(kāi)始將CFD應(yīng)用于二沉池工藝。[5-8]CFD在二沉池中最早，也是主要的應(yīng)用，是設(shè)計(jì)、放大和優(yōu)化二沉池的結(jié)構(gòu)[9-13]，以提高其效率。隨著對(duì)CFD的深入理解，人們開(kāi)始利用CFD獲得二沉池中的流體力學(xué)特性[7-8,14-17]，以期對(duì)二沉池中廢水處理現(xiàn)象有更深刻的了解。除此之外，研究者也嘗試通過(guò)CFD模擬，對(duì)二沉池中發(fā)生的異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析[18-20]，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致異常現(xiàn)象的原因，進(jìn)而提出有效的預(yù)防措施。

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院施漢昌教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)在我國(guó)較早將CFD引入廢水處理的多個(gè)領(lǐng)域，該課題組將CFD技術(shù)應(yīng)用于生物流化床、二沉池、氧化溝、膜生物反應(yīng)器等不同的水處理反應(yīng)器、處理單元以及城市給排水管網(wǎng)，取得了豐碩的科研成果，可以采用整個(gè)團(tuán)隊(duì)的二沉池研究成果，初步介紹CFD的應(yīng)用進(jìn)展。

2.1 CFD模型簡(jiǎn)介

CFD中通常有兩種計(jì)算方法來(lái)處理多相流，即歐拉-歐拉法和歐拉-拉格朗日法[21]。在歐拉-歐拉法中，不同的相被處理成互相滲透的連續(xù)介質(zhì)；而在拉格朗日法中，離散相在拉格朗日坐標(biāo)中模擬，通過(guò)跟蹤大量顆粒的軌跡對(duì)離散相模擬，僅適用于體積分?jǐn)?shù)小于10%的情況。在二沉池中多采用歐拉歐拉法處理流動(dòng)。

對(duì)于不可壓縮牛頓流體，二沉池中主要的控制方程可以寫(xiě)作下式：

(2)

(3)

二沉池中的流動(dòng)通常為湍流，一般采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型處理。其一般形式為：

??

(4)

2.2 二沉池的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

范蘢等人[22,23]對(duì)二沉池進(jìn)行了初步優(yōu)化設(shè)計(jì)，他們假設(shè)二沉池為圓柱形，活性污泥作為固相，認(rèn)為它是剛性小球，污水作為液相，對(duì)池內(nèi)的固液兩相流動(dòng)進(jìn)行二維模擬。由于固液兩相的密度接近，液體和固體的流動(dòng)沒(méi)有明顯差別。在二沉池底部，距離出水口下方不遠(yuǎn)處加入擋板后，對(duì)二沉池內(nèi)的泥水分離效果產(chǎn)生了影響，一定程度上提高了出水水質(zhì)。

雖然這僅是對(duì)二沉池內(nèi)流體的初步模擬，但是，該研究對(duì)二沉池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出新的思路和方向，在一定程度上證明了CFD在二沉池，乃至廢水處理研究上的巨大潛力，它不僅可以對(duì)已有反應(yīng)器或處理單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，還可以用于設(shè)計(jì)新型反應(yīng)器、開(kāi)發(fā)新工藝。

2.3 二沉池內(nèi)泥水分離現(xiàn)象的解析

在二沉池優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[22,23]上，課題組借助CFD模型和方法，進(jìn)一步探討二沉池內(nèi)泥水分離現(xiàn)象，透過(guò)對(duì)現(xiàn)象的深入理解，進(jìn)而指導(dǎo)泥水分離工藝操作，最終提高二沉池的出水水質(zhì)。

肖堯等[24]以某城市污水廠的輻流式二沉池展開(kāi)研究。圖2為中心進(jìn)水，周邊出水的典型輻流式二沉池，由于該類二沉池的軸對(duì)稱性，采用CFD軟件FLUENT在二維尺度下計(jì)算，利用歐拉模型得出了二沉池內(nèi)較詳細(xì)的流場(chǎng)分布。由結(jié)果可知，不僅在進(jìn)水口附近有大漩渦，在整個(gè)流場(chǎng)中還存在若干個(gè)小漩渦，如圖2所示。出水口附近甚至?xí)霈F(xiàn)較大的流速，這些都會(huì)對(duì)二沉池內(nèi)的泥水分離效果產(chǎn)生負(fù)面的影響。

圖2 二沉池半剖面的液體流場(chǎng)

文獻(xiàn)[20]隨后采用離散相模型，在已有流場(chǎng)內(nèi)分析污泥顆粒的沉降軌跡，考察不同污泥顆粒的沉降情況。自進(jìn)水口流入后，不同粒徑顆粒有著不同的軌跡，如圖3所示：大顆粒(d>150μm)的活性污泥在重力作用下，隨漩渦進(jìn)入污泥漏斗從而快速離開(kāi)二沉池；小粒徑活性污泥顆粒(d<100μm)受到流場(chǎng)內(nèi)部小漩渦的作用，被水流帶向出水口，隨出水一起運(yùn)動(dòng)，從而影響出水水質(zhì)；圖中粒徑為100μm的顆粒受到的影響較小，在池底沉降下來(lái)。

圖3 從10到250 μm不同直徑的顆粒在二沉池內(nèi)部的沉降軌跡

該文對(duì)池內(nèi)不同密度顆粒、漩渦的影響、已沉降顆粒的行為均分別進(jìn)行了討論，認(rèn)為在二沉池內(nèi)發(fā)生污泥膨脹、反硝化時(shí)，泥水混合物的性質(zhì)如粘度等發(fā)生了顯著變化，活性污泥密度差別更大，這是導(dǎo)致泥水分離效果急劇惡化、出水水質(zhì)下降的主要原因。因此，利用CFD對(duì)二沉池內(nèi)流體力學(xué)特性進(jìn)行研究，可以幫助人們從流體運(yùn)動(dòng)的角度更好地了解異?，F(xiàn)象發(fā)生的本質(zhì)原因，改進(jìn)操作，避免負(fù)影響。

2.4 與活性污泥(Activated Sludge Model，ASM)模型的結(jié)合

對(duì)于廢水處理的生化反應(yīng)而言，ASM是較為常用的數(shù)學(xué)模型。將CFD應(yīng)用于廢水處理，不可避免的要與生物特性有所關(guān)聯(lián)；因此，CFD在廢水處理中的另一個(gè)應(yīng)用，就是將其模擬結(jié)果與生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬，如活性污泥模型的模擬，相結(jié)合。

肖堯等[25]首先利用生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬軟件WEST對(duì)二沉池內(nèi)的反硝化污泥上浮進(jìn)行模擬：以一個(gè)排泥操作剛剛完成時(shí)刻作為初始狀態(tài)，對(duì)二沉池內(nèi)的泥層進(jìn)行模擬，獲得泥層中氮?dú)鉂舛仍谝惶靸?nèi)的變化曲線，進(jìn)而獲得過(guò)飽和度隨時(shí)間的變化關(guān)系。再將實(shí)驗(yàn)觀察所得氣泡粒徑的變化，與模型結(jié)果相結(jié)合，擬合得到粒徑變化曲線，利用文章提出的污泥上浮模型，即可獲得發(fā)生污泥上浮的時(shí)間。

隨后，結(jié)合生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果，開(kāi)展了CFD模擬研究。將實(shí)驗(yàn)獲得的污泥上浮速度用于CFD模擬中，研究上浮顆粒對(duì)出水的影響，發(fā)現(xiàn)在泥層處釋放的顆粒會(huì)有不同運(yùn)動(dòng)軌跡，有些會(huì)進(jìn)入泥斗，有些重新沉降在池底，還有些顆粒則被帶入出水。發(fā)生上浮的帶氣顆粒中，58%的顆粒會(huì)被帶至出水，引起出水固體懸浮物(Suspended Solid，SS)濃度的增高，降低水質(zhì)。

另一方面由于含有大量氣泡，上浮污泥密度顯著降低，CFD模擬探討了泥層上浮對(duì)出水的影響，見(jiàn)圖4?；钚晕勰嘣?0min內(nèi)即上浮至池面，使得出水SS濃度發(fā)生急劇增加。在泥層發(fā)生上浮后不到10min，出水SS就增加了約2mg/L，出水SS超過(guò)了我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。泥層發(fā)生上浮后不到15min，出水SS已經(jīng)超過(guò)了二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)30mg/L。

圖4 污泥層上浮后二沉池中固相濃度的分布

在實(shí)驗(yàn)研究、生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬和CFD模擬的基礎(chǔ)上，研究者提出了一系列針對(duì)二沉池內(nèi)反硝化引起污泥上浮的解決方案和控制策略。

3 結(jié) 論

通過(guò)CFD在廢水處理單元—二沉池內(nèi)應(yīng)用的介紹，可以得出幾點(diǎn)啟發(fā)，推廣至其他領(lǐng)域或研究方向。

利用CFD進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過(guò)計(jì)算機(jī)的CFD模擬，可以對(duì)很多涉及流體力學(xué)的結(jié)構(gòu)分析探討，大大降低了實(shí)際實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本和人力資源，因此CFD輔助設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)CFD模擬，可以得出反應(yīng)器、構(gòu)筑物或單元設(shè)備內(nèi)部的流體力學(xué)特性，流體力學(xué)特性往往決定了一臺(tái)(套)設(shè)備作用的發(fā)揮，對(duì)其操作、運(yùn)行都有著重要影響，將流體力學(xué)特性與操作運(yùn)行參數(shù)相結(jié)合，可以對(duì)設(shè)備(如反應(yīng)器)內(nèi)部的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞進(jìn)行較深層次的分析，理解也會(huì)更透徹，對(duì)減少或避免某些不利現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高生產(chǎn)效率，發(fā)揮著不可或缺的作用。

CFD與其他數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，可以預(yù)期獲得更多更好的結(jié)果。世界上的事物都是相互關(guān)聯(lián)的，不能孤立、片面看待問(wèn)題，同樣，處理工程問(wèn)題時(shí)也需要將各方面因素綜合考慮，才能得出更好的結(jié)論；因此，我們?cè)诶肅FD模擬時(shí)，可以將它與物質(zhì)(或體系)本身特性相關(guān)聯(lián)，與熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等模型相結(jié)合，將CFD結(jié)果服務(wù)于其他模擬，其它模型的結(jié)果也可以提供給CFD使用，更好地服務(wù)于特定的研究目標(biāo)。