亓華

（新泰市自來水有限公司 山東新泰 271299）

在人口不斷增加、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷加快的背景下，城市化進(jìn)程快速推進(jìn)，隨之而來的是愈發(fā)嚴(yán)重的水源、水環(huán)境污染問題。全國(guó)包含珠江水系、淮河水系、長(zhǎng)江水系、遼河水系、海河水系、黃河水系在內(nèi)的水系中的污染物種類和數(shù)量不斷增加，河口淤積嚴(yán)重，因此，常規(guī)水處理工藝已無法滿足安全衛(wèi)生飲用水處理要求。大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)踐證明，臭氧預(yù)氧化工藝具有較為突出的除污染效能，將CFD 技術(shù)應(yīng)用于臭氧給水處理工藝中，有望提高給水處理質(zhì)量。因此，探究基于CFD技術(shù)的臭氧給水處理工藝的研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀具有非常重要的意義。

1 CFD技術(shù)概述

CFD 技術(shù)（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體力學(xué)）是一種通過求解關(guān)于流體流動(dòng)微分方程（守恒控制偏微分方程組）的數(shù)值，獲得連續(xù)區(qū)域上流體流動(dòng)離散分布狀態(tài)，完成流體流動(dòng)狀態(tài)近似模擬的方法。CFD 技術(shù)將流體力學(xué)、數(shù)值分析、熱學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)進(jìn)行了有機(jī)整合，適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用面廣，可以在泵站工程等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用。例如，王照福、白光輝、劉毅杰在2021年發(fā)表于《水電能源科學(xué)》的《基于CFD技術(shù)的黃壇口水電站機(jī)組提效增容改造》一文中，立足黃壇口水電站機(jī)組出力不足問題，聚焦水輪機(jī)出力因素，將CFD技術(shù)與有限元FEA 分析技術(shù)進(jìn)行了無縫銜接，完成了轉(zhuǎn)輪水力優(yōu)化，獲得了強(qiáng)度、剛度足夠且效率高、質(zhì)量佳的轉(zhuǎn)輪［1］；談亞麗、李嘯、張小龍等在2021年發(fā)表于《食品安全導(dǎo)刊》的《基于CFD 技術(shù)優(yōu)化50L 發(fā)酵罐空氣分布器實(shí)現(xiàn)馬克斯克魯維酵母高密度發(fā)酵》一文中，以50L 反應(yīng)器內(nèi)空氣分布器為對(duì)象，通過計(jì)算其流場(chǎng)特性，將原有單管式空氣分布器優(yōu)化成雙層圓環(huán)形構(gòu)造，在解決高密度發(fā)酵階段好氧型微生物溶氧限制問題的同時(shí)，有效改善了反應(yīng)器供養(yǎng)性能和發(fā)酵液傳質(zhì)效率［2］。

2 臭氧給水處理工藝分析

臭氧給水處理工藝在我國(guó)部分地區(qū)得到了有效的應(yīng)用，也吸引了大批專家學(xué)者關(guān)注。當(dāng)前，關(guān)于臭氧給水處理工藝的研究主要聚焦在基于臭氧隔板式接觸池的運(yùn)行效率分析及臭氧給水處理工藝的組合應(yīng)用。例如，殷祺在2020年發(fā)表于《凈水技術(shù)》的《恒水位控制消除預(yù)臭氧接觸池及配水井漩渦》中提出，臭氧接觸池的設(shè)計(jì)不單單關(guān)乎臭氧滅菌消毒、利用率、臭氧氧化效果，而且涉及經(jīng)濟(jì)成本，加之臭氧本身具有強(qiáng)氧化性，一旦池型設(shè)計(jì)不當(dāng)或者呼吸閥調(diào)控不佳，就會(huì)引發(fā)尾氣破壞，甚至對(duì)池體、廠區(qū)環(huán)境安全造成威脅［3］?；诖?，可以根據(jù)預(yù)臭氧工藝、沉淀池產(chǎn)生氣浮現(xiàn)象之間的關(guān)系，在明確浮渣產(chǎn)生與臭氧投加量無關(guān)而與出水管口位置不規(guī)則、不連續(xù)旋渦有關(guān)的基礎(chǔ)上，利用恒水位控制方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)旋渦消除裝置，有效去除預(yù)臭氧接觸池、配水井內(nèi)出現(xiàn)的旋渦，降低后續(xù)沉淀池內(nèi)氣浮現(xiàn)象出現(xiàn)概率。另外，劉文琛、周偉偉、成小翔等學(xué)者在2020年發(fā)表于《中國(guó)給水排水》的《臭氧組合技術(shù)對(duì)給水處理低壓膜污染控制研究進(jìn)展》中，針對(duì)基于微濾、超濾的低壓膜飲用水過濾處理技術(shù)引發(fā)的膜污染問題，研究了臭氧催化氧化、臭氧/吸附、臭氧/雙氧水、臭氧/混凝技術(shù)的應(yīng)用，得出臭氧給水處理技術(shù)不僅可以有效去除飲用水中天然有機(jī)物，而且可以緩解膜污染問題［4］。

3 基于CFD技術(shù)的臭氧給水處理工藝研究進(jìn)展

3.1 以CFD 技術(shù)進(jìn)行臭氧接觸池中流場(chǎng)的表征和建模

基于CFD 技術(shù)的臭氧給水處理工藝研究過程中，以CFD 技術(shù)進(jìn)行臭氧接觸池中流場(chǎng)的表征非常必要。在基于CFD 技術(shù)的臭氧接觸池中流場(chǎng)表征前，需要選擇精度高、準(zhǔn)確度高的CFD 湍流模型。在近幾年計(jì)算機(jī)流體數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用范圍擴(kuò)展過程中，CFD 湍流模型不斷完善，以k-ε模型為代表的湍流模型得到了大面積的研究與應(yīng)用。例如，李青云在2020年發(fā)表于《當(dāng)代化工》的《基于CFD 的小型反應(yīng)釜中不同湍流模型數(shù)值模擬比較》中，以單層四葉攪拌槳小型攪拌釜為對(duì)象，利用CFD 數(shù)值模擬方法進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、SST（Shear-Srtess Transport）k-ε模型和RNGk-ε模型、RANS（Reynolds 平均方法）模型的篩選［5］。在篩選過程中，其提出了以下基本假設(shè)：（1）在反應(yīng)器內(nèi)部，氣相、液相體積比的相加值為恒定值，均為1；（2）在反應(yīng)器內(nèi)部，液相、氣相符合連續(xù)性方程要求，不間斷存在；（3）在模型網(wǎng)格內(nèi)，液相、氣相的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)量守恒定律相符；（4）在臭氧曝氣時(shí)，產(chǎn)生的氣泡尺寸始終不變，形狀始終為球形，不受水壓的影響。在假設(shè)提出之后，研究者立足NS 基本流動(dòng)方程（Navier-Stokes），進(jìn)行系統(tǒng)平均后，在獲得的湍流平均量方程內(nèi)，進(jìn)行了湍流大尺度運(yùn)動(dòng)三維非定常模擬，得到了準(zhǔn)確度較高的小型攪拌釜流場(chǎng)以及壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、線速度分布、湍流強(qiáng)度分布結(jié)果，證實(shí)了CFD技術(shù)在流程表征中的適用性，并得出SSTk-ε模型相較于LES 模型（Large Eddy Simulation），可以在臭氧接觸池死水區(qū)域進(jìn)行高精度模擬，但在回流區(qū)域模擬誤差較大，表明SSTk-ε模型在模擬液相、氣相傳質(zhì)與回流現(xiàn)象中存在不足。同時(shí)，借助莫里斯篩選方法分析SST模型常數(shù)，得出對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較為顯著的參數(shù)，通過優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)，可以達(dá)到降低模擬誤差、提高優(yōu)化參數(shù)適用性的效果。

3.2 以CFD技術(shù)模擬優(yōu)化接觸池的運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)

3.2.1 運(yùn)行參數(shù)

對(duì)于臭氧接觸池來說，運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化至關(guān)重要，而參數(shù)優(yōu)化與原參數(shù)下接觸池水力效率直接相關(guān)，需要通過直觀評(píng)價(jià)原參數(shù)下臭氧接觸池水力效率，根據(jù)評(píng)價(jià)值，進(jìn)行接觸池參數(shù)的優(yōu)化模擬。以往常用的臭氧接觸池水力效率評(píng)價(jià)指標(biāo)為T10/HRT、RTD 分布曲線、CT值等。其中，T10/HRT特指將示蹤劑加入臭氧接觸池入口后10%示蹤劑的流出時(shí)間、示蹤劑平均水力停留時(shí)間的比值，理想推流下，這一比值為1。這一指標(biāo)較為常用，但僅考慮了水力指標(biāo)，未考慮臭氧接觸池內(nèi)臭氧氧化效率，加之臭氧接觸池內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)并不是完全的推流，還存在死水區(qū)、回流區(qū)，最終出現(xiàn)的評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)低估值。而RTD 分布曲線特指累積液齡分布函數(shù)曲線，具體表示為流過系統(tǒng)物質(zhì)粒子停留時(shí)間小于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間物質(zhì)粒子占據(jù)總停留時(shí)間的百分率，易受模型網(wǎng)格密度干擾。CT值特指以數(shù)值表示的水中臭氧濃度對(duì)臭氧氧化作用時(shí)長(zhǎng)積分。在臭氧接觸池實(shí)際運(yùn)行過程中，CT 值的計(jì)算涉及了臭氧衰減、臭氧接觸池內(nèi)臭氧濃度變化等因素，現(xiàn)有EPA（美國(guó)環(huán)保局）推薦的簡(jiǎn)化計(jì)算方法無法獲得準(zhǔn)確的臭氧素質(zhì)，加之臭氧接觸池內(nèi)臭氧的濃度處于降低狀態(tài)，最終計(jì)算的臭氧值也易被低估。因此，CFD 技術(shù)就為臭氧接觸池水力效率模擬提供了有效的指標(biāo)。

例如，陶昱明、周冰潔、耿冰等在2021年發(fā)表于《凈水技術(shù)》的《臭氧—上向流生物活性炭工藝運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化》中，以典型含氮消毒副產(chǎn)物N-DBPs（二氯乙腈與二氯乙酰胺前體物）的去除為出發(fā)點(diǎn)，在考慮溶解性有機(jī)碳、渾濁度、溶解性有機(jī)氮、高錳酸鹽指數(shù)等指標(biāo)的前提下，建立了Spalart-Allmaras湍流模型方程［6］，并以正交試驗(yàn)的方式，調(diào)整了臭氧投加量、反沖洗時(shí)間、反沖洗周期、上升流速參數(shù)，對(duì)比了不同迎角下局部最優(yōu)大范圍最佳工藝參數(shù)。進(jìn)而利用拉格朗日插值函數(shù)法，建立了春季、秋季、夏季、冬季不同季節(jié)與臭氧投加量、最佳上升流速、接觸池反沖洗周期之間函數(shù)關(guān)系，在驗(yàn)證局部最優(yōu)閉合常數(shù)對(duì)數(shù)值模擬影響的同時(shí)，得到了春、夏、秋、冬4 個(gè)季節(jié)臭氧接觸池最佳運(yùn)行參數(shù)。例如，在春季，最佳臭氧投加量為1.2mg/L，最佳上升流速與反沖洗周期分別為9m/h、11d。

除水力效率外，臭氧接觸池運(yùn)行參數(shù)還包括氣泡尺寸變化、死水區(qū)體積占比、進(jìn)口形狀、池體高寬比、時(shí)間長(zhǎng)度間隔等。雖然基于CFD技術(shù)的臭氧接觸池二維模擬法可以在一定程度上計(jì)算臭氧接觸池參數(shù)，但是，現(xiàn)有基于CFD 的二維模擬偏向于水流模擬，模擬對(duì)象為單一液相，未考慮氣相與液相傳質(zhì)、氣泡尺寸等存在相互影響的因素，加之臭氧接觸池內(nèi)臭氧現(xiàn)實(shí)氧化環(huán)節(jié)包括多種類型的元素，相關(guān)元素之間存在復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，單純的二維模擬無法得到完整的臭氧氧化化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，對(duì)臭氧接觸池內(nèi)有機(jī)物降解原理也造成了一定影響。因此，在后續(xù)基于CFD 技術(shù)的臭氧接觸池運(yùn)行參數(shù)分析時(shí)，應(yīng)圍繞臭氧接觸池內(nèi)湍流與化學(xué)反應(yīng)相互作用，加入氣泡尺寸、氣相與液相傳質(zhì)等存在相互影響的因子，為臭氧接觸池運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

3.2.2 結(jié)構(gòu)

在臭氧給水處理工藝中，應(yīng)用頻率較高的臭氧接觸池類型為隔板式臭氧接觸池，隔板式臭氧接觸池因本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致回流區(qū)、死水區(qū)大量存在，對(duì)接觸池運(yùn)行效率及接觸池內(nèi)部氣相、液相傳質(zhì)造成了較大干擾，也間接制約了臭氧接觸池內(nèi)部有機(jī)物去除、顏色脫除、臭味去除。此時(shí)，進(jìn)行臭氧接觸池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化就非常必要。臭氧接觸池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化本質(zhì)上是促使臭氧接觸池內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)與推流最大限度接近。推流即污水混合液從臭氧接觸池的一端流入，并在后續(xù)水流的推動(dòng)下沿著臭氧接觸池長(zhǎng)度方向流動(dòng)到臭氧接觸池的另外一端，直到流出臭氧接觸池。推流是一種氣相、液相充分傳質(zhì)的狀態(tài)，傳統(tǒng)隔板式臭氧接觸池?zé)o法滿足推流的要求。因此，在考慮徹底更改臭氧接觸池經(jīng)濟(jì)成本損耗的情況下，可以將CFD 模擬與水廠實(shí)測(cè)、中試進(jìn)行結(jié)合，深入探究影響臭氧接觸池內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)接近推流的因素。根據(jù)臭氧接觸池在給水處理中的功能，結(jié)合給水處理時(shí)污染物去除達(dá)到國(guó)家污水排放標(biāo)準(zhǔn)要求，優(yōu)化臭氧催化氧化結(jié)構(gòu)，規(guī)劃科學(xué)性高、合理性佳的臭氧催化氧化工藝流程路線，促使臭氧催化氧化加速，實(shí)現(xiàn)難降解物質(zhì)的快速轉(zhuǎn)速，并降低生物毒性。

例如，陳翔宇在《基于CFD的臭氧接觸池結(jié)構(gòu)優(yōu)化及臭氧化過程的模擬》中，根據(jù)臭氧接觸池封閉特點(diǎn)，利用CFD技術(shù)對(duì)臭氧接觸池內(nèi)流態(tài)進(jìn)行了模擬，同時(shí)，以數(shù)值分析的方式獲得了臭氧接觸池內(nèi)衰減及其液相濃度分布、臭氧氣相與液相傳質(zhì)情況［7］，并在三維表征臭氧接觸池內(nèi)水體流動(dòng)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對(duì)臭氧接觸池內(nèi)回流、死水區(qū)問題進(jìn)行了分析，獲得了4 種網(wǎng)格設(shè)置、2 種雙擋板、1 種格柵設(shè)置等臭氧接觸池池體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。在方案得出后，研究者借助自制水力實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以示蹤劑的方式，得到了CFD 模型原池型、優(yōu)化后液齡分布函數(shù)曲線，驗(yàn)證了基于CFD 技術(shù)優(yōu)化臭氧接觸池結(jié)構(gòu)的可行性，得出利用CFD 技術(shù)優(yōu)化臭氧接觸池結(jié)構(gòu)，可以同步提升臭氧接觸池內(nèi)水力效率、臭氧氧化效率，促使臭氧接觸池內(nèi)液相與氣相傳質(zhì)無限接近于推流。

4 結(jié)語

綜上所述，在計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力持續(xù)增強(qiáng)的背景下，CFD 技術(shù)在臭氧給水處理工藝中的研究也不斷深入。當(dāng)前，關(guān)于臭氧給水處理工藝的研究主要集中于臭氧接觸池結(jié)構(gòu)優(yōu)化及臭氧組合給水處理工藝的應(yīng)用上。CFD 技術(shù)主要應(yīng)用于臭氧接觸池結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以通過建模與數(shù)值模擬的方式，得出臭氧接觸池水力效率，規(guī)劃更佳的臭氧接觸池結(jié)構(gòu)與運(yùn)行參數(shù)，為臭氧接觸池內(nèi)死水區(qū)、回流區(qū)問題的解決提供依據(jù)。后續(xù)CFD 技術(shù)可應(yīng)用于臭氧接觸池的三維模擬，解決二維模擬存在的結(jié)果準(zhǔn)確度不足問題，為臭氧給水處理工藝的有效應(yīng)用提供支持。