CFD技术在国外水处理领域的应用分析 3页

器环境保护工程EnvironmentalProtectionEng}neeringCFD技术在国外水处理领域的应用分析牛住元1。王焘2(1．中国中元国际工程有限公司，北京l00089；2．北京建筑大学环境与能源工程学院，北京100044)摘要：计算流体力学(CFD)软件作为数值模拟的一种研究工具，在国外水处理设施的优化设计和运行管理中得到r广泛的应用，并取得了显著的成绩。通过阐述CFD技术在国外水处理构筑物当中的研究与应用，总结了CFD数值模拟的研究与应用思路，为我国水处理反应器的设计与运行提供有力的参考。关键词：污水；处理；计算流体力学；数值模拟中图分类号：X703文献标志码：B文章编号：1009—7767(2014)06—0106—03AppliedAnalysisofCFDTechnologyintheFieldofWaterTreatmentAbroadNiuZhuyuan，WangTao目前，我国污水处理厂的设计大多是依据给排水设计手册和相关经验参数、公式进行的，具有一定的代表性。但是，从多年的运行效果来看，参数选择经验性较强、偏差较大的问题比较突出．最为直接的影响就是导致水处理构筑物内水力混合不充分和水质处理效果不佳。流体是水处理构筑物内传质过程的主要载体。其流动状态对处理效果以及能量的消耗都有着直接的影响。资料显示，在污水处理厂的设计阶段和运行维护阶段使用CFD技术后，厂区构筑物的处理效果提高了10％～35％⋯。因此．CFD技术在水处理单元的设计和运行中是很有发展前途的。综上，应用CFD方法研究水处理构筑物的水力特性，根据水处理构筑物的具体情况建立数学模型，对水处理构筑物进行相关模拟是十分必要的。l在固液分离反应器中的模拟应用固液分离反应器以沉淀池最具有代表性，另外还包括格栅、沉砂池、澄清池、浮选池等，以二沉池的模拟研究最为广泛。这类反应器当中的固液分离机理均为物理方法，反应器当中的悬浮物质在水流和重力的共同作用下，通过自然沉淀、截留、筛滤和气浮等方式被去除。这类反应器的处理机理比较简单，数学模型的建立也相对容易。将CFD技术应用于水处理领域的报道最早可以追溯至1977年，Larsen[2】在平流沉淀池水流紊动黏性系数的计算问题中提出了混合场理论，并通过试验分106辛荭技术2014No．6(Nov．)voI．32析和数据处理，得到了一个比较完整的沉淀池计算数学模型．但该模型对流场的分析比较片面，仅适用于一维的情况。在20世纪80年代，CFD技术取得了阶段性的发展．沉淀池的数值模拟模型体现在悬浮物的输移模型和二维k～8紊流模型的联合应用上，在沉淀池的优化设计和运行维护中得到了广泛的运用。H．S．Kim等人【3】利用数值模拟辅助现场试验的方法，对韩国Busan的一处污水处理设施中的矩形澄清池进行了流动特征和污染物质量浓度分布的模拟研究。数值模拟计算的目的是校验利用同位素示踪技术测得的数据，并且进一步了解澄清池中的重要水力特征。用模拟计算结果成功地评估了由同位素示踪技术取得的数据．详细比较了进出口处的停留分布曲线。同时，进一步的模拟计算结果得出了澄清池前后部的跌水现象，以及沉淀区的异重流和回流区的上向流现象。把同位素示踪技术与数值模拟结合，开拓了新的水处理单元的研究方法。Okamoto【q等人用CFD软件FLUENT对水力涡流分离器中固体颗粒的去除性能做了模拟。同时，在实验室中利用已知颗粒尺寸和固体颗粒质量浓度的涡流分离器比照模型进行相关试验来强化模拟结果的精确性。出水口固体质量浓度的模拟数值结果与试验数据结果体现了很好的一致性。模拟结果表明，出口处的固体颗粒质量浓度与进水和出流率没有必然的关系。除此之外，还有一些学者关注到其他一些以沉降\n为主的水处理反应器，例如格栅和旋流沉砂池．Weiss与Spence应用计算流体力学技术等，提出了对应构筑物中相应的数学模型，并通过所建模型预测了固液分离的效果。针对溢流雨水调蓄池中的固液分离过程．AsaAdamsson应用CFD软件模拟了固体颗粒在构筑物中的沉积过程，提出了提高固液分离效果的方法与措施15】。计算流体力学技术在固液分离反应器中的模拟应用越来越多，当今多应用该方法模拟二维流场，通过监测相应构筑物出口的悬浮物质量浓度，与CFD模型的预测值进行比较，提出构筑物设计的优化方案和运行维护的有效措施。但在实际案例的具体应用中，由于悬浮物质量浓度、反应器形式、构筑物的边壁情况等条件的不同，会形成不同的沉降类型。从而影响CFD模型预测的准确性和反应器设计的可靠性。2在化学处理反应器中的模拟应用化学处理反应器的作用原理是在水处理构筑物中通过物质之间的化学反应产生具有水处理效果的化学物质，化学物质在水流的扩散过程中，逐步发挥去除杂质的效果，常见的构筑物有混凝池和消毒池。运用CFD技术分析该类反应器时，与同液分离反应器相同的是：需要应用计算流体力学技术分析构筑物当中的水流形态；不同的是：需要结合构筑物的实际情况，分析化学反应产物的种类以及化学反应产物的生成量．并且要通过CFD模拟预测化学反应产物的浓度扩散规律与物质分布规律。资料显示，美国的亚利桑那州有超过一半的污水处理厂将CFD技术应用于消毒池的优化设计和运行改良方面，结果表明，调整消毒池的尺寸大小是改善构筑物中水流状态的有效措施，可以避免消毒池中短流现象的发生并可以有效降低氯的使用量[6】。Hongwang等人根据加氯池的具体情况，选用对应的物质离散形式和水流状态模型，应用CFD技术对加氯池中的物质扩散和水流情况进行模拟，结果表明，模拟结果与实际情况具有良好的一致性。W。B．Rauen等人【7】利用CFD软件对水处理消毒池的流体过程进行了模拟。他们利用改进的低雷诺数模型来模拟消毒池中的湍流状态，并且用模拟的结果来修正消毒池混合区的尺寸。经试验数据验证，其可靠性高达90％左右。Janex等人【8】利用CFD软件模拟优化污水处理过程中的紫外线消毒过程。紫外线消毒的效果不仅与固体悬浮物的质量浓度有关。也与水流在紫外线消毒系统内的水力流动状态有关。CFD数值模拟工具模拟出环境保护工程器EnVlrOnmentalPrOtectiOnEngineer．ng了紫外线消毒系统中的水力特征，依据数值模拟结果来修正、优化紫外线消毒系统．减少低药量区域的存在，从而提高了消毒效果。Evans等人将类似的试验思路应用于接触消毒池中．通过建模模拟．对实际工程进行了很好的指导。此外．在混凝器的优化设计和运行中应用CFD技术，也有一些相关报道。Byun等人[9】应用CFD软件对水处理混凝池中瞬间混合加药喷嘴速率进行了模拟。经模拟发现，正是在靠近喷嘴处高速射流聚散的水力状态使得混凝剂在1s内快速混合．从而取得了很好的混凝效果，并比传统的方法大幅降低了混凝剂的用量。3在生物处理反应器中的模拟应用生物反应器是污水处理的核心反应单元，处理方法包括活性污泥法和生物膜法．主要是让微生物在自身生长、繁殖的过程中降解水中的有机物。运用CFD技术分析该类反应器时．与固液分离反应器相同的是：需要应用计算流体力学技术分析构筑物当中的水流形态；不同的是：需要结合构筑物的实际情况，分析影响生物处理反应器的环境因素。塘系统是一种低成本的污水处理方法，近年来得到了人们越来越多的关注。M．G．Wood等人[10】利用CFD软件对稳定塘进行了模拟研究，目的在于研究流体和固体颗粒以及生物反应之间的相互作用。他对4个稳定塘作了定性的水力学研究调查，运用了二维稳定层流模型。目前第一阶段对于稳定塘内的水流与生物固体的混合状态模拟已经完成，应用试验手段对模拟结果的验证工作正在进行中。Karama等人【11]把CFD软件应用于评价活性污泥反应器的效率方面。他们对活性污泥反应器中厌氧区的水流特性进行了模拟，并用经验数据与数值模拟结果进行对比。Karteris等人[12J利用CFD软件．在非稳定层流的基础上．运用有限体积法对污水处理中一座加盖厌氧池中的热量平衡和水力特征进行了模拟。应用试验数据检验数值计算结果，总相关性达到91％。因此，认为可利用温度和水力特征的模拟计算结果来优化有机物去除水平。SunHaivan等人【13]对表面曝气搅拌池中气体的滞留情况做了模拟研究。在研究工作中，他们以1个直径为0．38m的湍流两相流模型作为研究对象，利用探测器测得在不同运行条件下的气体滞留参数，另外设置了表面挡板来提高表面充氧效率。试验结果表明：气体2014年第6期(11一)第32蹇啼荭敏术107\n器环境保护工程EnVirOnmentalProtectiOnEngineering滞留分布在搅拌池中是非常不一致的，只有在高搅拌速度下，挡板才能提高充氧的效率。然后，利用CFD软件利用两相气一液湍流模型对气进行模拟，得出了一个合理的充气强度参数值。把CFD模拟的结果和试验结果对比。发现对于搅拌池上部的气体滞留分配的预测是比较准确合理的，但是低估了搅拌器下部区域的气体滞留分配情况。与固液分离反应器和化学处理反应器不同，生物处理反应器涉及了多个领域的问题，包括多相流动、生物化学反应和气、液、固三相间的传质过程及能量交换过程。当今，大部分学者在生物处理反应器中应用CFD技术时．均是在单相流的假设下进行的，只有小部分学者将构筑物中的生物絮体的作用考虑在模拟的过程当中。对于单相流的假设会从问题的根本上造成偏差，并且，在应用CFD技术时没有真正结合生物化学反应的基本原理，从微生物生长的角度建立生物反应器数值模型．因此．会在实际应用中产生一些误差。4总结和展望CFD是一门多个学科纵横交错的技术。可以为水处理构筑物的设计和运行提供指导。CFD技术可以拓宽水处理的研究思路，减少对实体试验的依赖性，节约了研究所投入的时间和金钱。综合以上，水处理构筑物的CFD模拟技术应当从以下几个方面加以深入：1)在研究单体构筑物的基础上．结合污水处理的全流程进行模拟分析，全面优化水处理系统。2)使用和开发新型流动测试技术，更好地收集水处理反应器中的试验数据。与模拟的数据进行比对，从而优化CFD技术。3)分析物料与流场的相互作用关系，应用多相流模式，才能提高模拟物料浓度梯度和流场的准确性。、≯羹参考文献：[1】冯骞，薛朝霞，汪翔．计算流体力学在水处理反应器优化设计运行中的应用[J]．水资源保护。2006，22(2)：11—15．[2】LARSEN，PETER．0nthehydmulicsofrectangularsettlingbasins，experimentalandtheoreticalstudies[R】．Sweden：Uni-versitvofLund．1977：461～470．【3】KIMHS，SHINMS，JANGDS，eta1．Studyofnowchamcteris—ticsinasecondaryclarifjerbynumericalsimulationandra—dioisotopetmcertechnique【J】．AppliedRadiationandIsotopes，2005，63(4)：519—526．【4】OKAMOT0，YuKIHIKO，KuNQI，eta1．NumericalsimulationofthepeI南HnanceofahydI-odynamicseparator[G】／，ClobalSolu—tionsforUrbanDminage：91CUDConference．USA，2002：1—10．【5]屈强．污水处理单元计算流体力学数值模拟研究及合流污水溢流高效处理装置开发【D]．上海：同济大学，2005：13—14．【6】赵炳文，姜坪，陈晓春．CFD技术及其在水处理研究中的应用[J】．环境科学与技术，2006，29(6)：77—78．【7]RAUENWB，UNB，FALCONERRA，eta1．CFDandexperi—mentalmodelstudiesfbrwaterdisinf色ctiontankswithlowReyn01dsnumberflows[J]．ChemicalEngineeringJ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