微渦流絮凝工藝處理高濁水的數值模擬與響應面優化試驗

徐琪珂，戴紅玲*，趙國強，胡鋒平

1.華東交通大學土木建筑學院

2.華東交通大學土木工程國家實驗教學示范中心

我國是高濁水（濁度高于100 NTU 的地表水[1]）河流眾多的國家之一，最為典型的高濁水源水為長江與黃河[2]，此外，我國也存在區域性和季節性高濁河流。江河取水的主要任務之一就是降濁，高濁水泥沙含量高，且顆粒比表面積大，但懸浮顆粒無法通過自絮凝作用獲得緊實絮體，導致細顆粒含量高，而細顆粒含水量高、比重小、體積大，增大了絮凝沉降的難度[3]。水處理方式決定著水處理效果，我國水處理水質標準不斷提高，但常規水處理工藝的表現不盡如人意，于高濁水而言更是收效不佳，僅能通過投入大量藥劑來達到去除要求，且會造成藥劑浪費，二次污染，污泥淤積，生物生態破壞等問題。常規混凝處理高濁水的研究大多集中在混凝劑或助凝劑復配與改性[4]、攪拌時間、酸堿度等方面，且多停留在小試階段，而在混凝工藝和工藝中的進水流量（流速）、水力條件等方面研究較少。因此，常規水處理工藝在高濁水處理方面仍需解決諸多難題。

微渦流絮凝技術是將 ABS（acrylonitrile butadiene styrene）塑料制成的空心球體狀渦流反應器[5]投加至常規絮凝池中產生微小渦旋，促進高濁水內部的懸浮顆粒碰撞、脫穩、凝聚[6]，形成大而緊實的絮團，提高絮凝效果。計算流體力學（CFD）可直觀、準確地反映絮凝反應器內部流場的變化，伏雨等[7]選取渦旋速度梯度和湍動能作為絮凝評價指標，對柵條絮凝池進行數值模擬，發現實際工程中應盡量避免1 000 μm 以上大粒徑絮凝體的出現；陳玉等[8]研究了渦旋速度梯度和能耗散率，結果表明穿孔旋流絮凝池最佳網格板層數為4、最佳間距為40 cm；He 等[9]在等效剪切速率情況下，研究了絮凝池形狀對絮凝過程中絮凝形態演化的影響，指出由帶擋板的方形絮凝池形成的絮體最大、最緊湊，該技術已成為流體動力學和流態可視化研究領域的研究熱點[10-12]。響應面分析法（RSM）可擬合各響應因子與各響應值間的函數關系[13]，獲取最優參數，其與CFD 數值模擬相耦合的研究方法也廣泛應用于水處理領域[14-16]。多項技術的聯用可以更好地探究高效處理高濁水的工藝。

筆者采用微渦流絮凝技術對高濁水進行處理，借助CFD 數值模擬軟件對不同流量（流速）條件下絮凝區的流場及參數進行分析與研究，并通過響應面法對流量、混凝劑投加量及回流比進行優化，確定適于處理高濁水的微渦流絮凝工藝參數，以期為高濁水處理技術的應用改造提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗水樣

試驗用水由孔目湖湖水及高嶺土混合制成，配水中粗顆粒泥沙較多、濁度偏高，各指標如表1 所示。混凝劑為聚合氯化鋁（PAC）。

表1 配水水質Table 1 Distributed water quality

1.2 試驗裝置

中試裝置為微渦流澄清池，池體尺寸（D×H）為2.0 m×2.5 m，其實物和結構如圖1 所示。CFD 數值模擬所選區域為澄清池絮凝區，響應面優化試驗結果數據來自微渦流澄清池中試裝置。

圖1 微渦流澄清池Fig.1 Micro-vortex clarifier

中試裝置上設有回流設備，回流比為回流流量（管流量減進水流量）與進水流量的比值，試驗設定為0.5～1.5。絮凝區第一反應室中按照最佳投配比例[17]放置了不同型號和數量的渦流反應器，如圖2所示，2 種反應器球體直徑均為200 mm。其中HJTM-1 反應器開孔直徑為25 mm，總開孔數為114，開孔率為45%；HJTM-2 反應器開孔直徑為35 mm，總開孔數為78，開孔率為60%。

圖2 渦流反應器Fig.2 vortex reactor

1.3 CFD 數值模擬

1.3.1微渦流絮凝區模型

采用混合網格三維計算模型，模型周圍進行局部加密，設置邊界條件以及流體區域。渦流澄清池及渦流反應器建模如圖3 所示。

圖3 渦流澄清池模型Fig.3 Vortex clarifier model

1.3.2邊界條件和求解方法

模擬中擬定回流比為1.0，水溫為20 ℃，運動黏度（ν）為1.006 7×10-6m2/s，水力直徑為0.06 m，動力黏性系數（μ）為1.008 5×10-3kg/ms。其余進口參數見表2，評價指標見表3，邊界條件和求解方法如表4 所示。

表2 Fluent 數值模擬工況的進口參數Table 2 Inlet parameters of Fluent numerical simulation conditions

表3 評價指標Table 3 Result evaluation indicators

表4 邊界條件和求解方法Table 4 Boundary conditions and algorithm

1.4 響應面試驗設計

采用Box-Behnken 方法，以流量（X1）、混凝劑投加量（X2）、回流比（X3）為響應因子，以濁度（Y1）、CODMn（Y2）及UV254去除率（Y3）為響應值，設計三因素三水平優化試驗，具體參數見表5。

表5 高濁水中試試驗響應面分析因素與水平Table 5 Response surface analysis factors and levels for high turbidity water pilot test

2 結果與討論

2.1 CFD 數值模擬

以絮凝區第一反應室的速度梯度（G）為指標，研究不同流量（流速）下渦流澄清池流場參數的變化，得到渦流澄清池處理高濁水響應面優化研究流量因素的最佳范圍。

圖4 為絮凝區縱斷面的速度矢量圖，反映了絮凝區內液流走向和速度分布的情況。液流在上升過程中會在渦流反應器壁面產生繞流，而在離開壁面時邊界層分離形成漩渦，從而促進顆粒擴散和碰撞凝聚，提高混凝效率。從圖4 可以看出，池底流速與流量呈正相關，小流量下，流速小，絮凝時間長，液流以繞流為主，無法卷起底泥，易形成死水區；流量較大時，流速大，絮凝時間短，易在中心和邊壁位置形成短流，使得部分液體卷帶的顆粒物難以發生有效絮凝。由于高濁水特性，水流在澄清池噴嘴與喉管的水頭損失大，絮凝區入口速度較小，泥渣回流緩慢，因此，在處理高濁水時，應適當增加進水流量，使污染物顆粒能在合適的混合強度下發生充分的絮凝。

圖4 不同流量（流速）下絮凝反應區速度矢量Fig.4 Velocity diagram of flocculation reaction zone under different flow rates (flow velocities)

圖5 反映了池中湍動能分布情況，可以直觀地表現湍動能在池體中輸入、轉移和耗散的情況。從圖5 可以看出，隨著流速增大，絮凝時間縮短，黃色區域部分顏色加深，影響范圍逐漸加大，即湍動能也隨之增大。投加混凝劑使池體增加多個絮凝單元，同一高度下各個單元湍動能分配均勻，絮體尺寸和強度相似，而反應器表面的湍動能明顯大于其內部湍動能的原因在于反應器表面形成的渦旋提高了水流動能利用率。

圖5 不同流量（流速）下渦流澄清池湍動能Fig.5 Cloud chart of turbulent kinetic energy in vortex clarifier under different flow rates (flow velocities)

圖6 為絮凝區的有效能耗，其表示由黏性耗散使渦旋傳遞分解產生的能量分布。湍動能越大，水流的黏性越大，因而有效能耗也越大，故湍動能和有效能耗云圖分布情況相似。從圖6 可知，流量越大，入口速度越大，湍動能和有效能耗變化越顯著，水流沖擊動能越大，水流擾動作用越強。流量增大的同時，在水流黏性一定的情況下，湍動能和能耗均呈增大趨勢（圖7）。

圖6 不同流量（流速）下渦流澄清池有效能耗Fig.6 Cloud chart of effective energy consumption in vortex clarifier under different flow rates (flow velocities)

圖7 不同流量（流速）下渦流澄清池絮凝區湍動能、有效能耗和G 的變化曲線Fig.7 Variation curves of turbulent energy,effective energy consumption and G-value in the flocculation zone of vortex clarifiers under different flow rates (flow velocities)

由圖7 可知，在一定回流比的情況下，流量（流速）越大G越大，且增大速率越快。絮凝最佳G為30～60 s-1，所對應的最佳流量為4.2～7.0 m3/h（最佳流速為0.41～0.67 m/s），考慮回流量，所對應的絮凝時間(T)為25.4～14.5 min，GT為45 720～52 200，該流量范圍合理。

2.2 響應面優化

2.2.1響應面試驗結果

通過Design-Expert 軟件設計的試驗方案，選取17 組有效工況，找出處理效果最好的3 個因素水平，試驗設計及中試試驗結果見表6。

表6 優化試驗設計及結果Table 6 Optimization of experimental design and analysis of results

隨著高嶺土的投加，混合后水樣濁度大幅提升，有機物濃度也進一步升高。由表6 可知，微渦流絮凝對高濁水中濁度和有機物去除效果良好，有幾點原因：1）混凝法的有效處理取決于足夠的顆粒濃度，而高濁度、高有機物濃度的原水可更快形成密實的絮體，使得出水指標與未投加高嶺土水樣的處理效果差距不大，但由于原水初始指標偏高，因而去除率高。此外，高濁水中泥沙顆粒的比表面積大，具有一定的吸附能力，這類顆粒可以吸附部分小分子污染物而凝聚成團，通過沉淀作用得到去除，進一步提升污染物的去除效果。2）投入渦流反應器可增加水中微、小渦流，利于混凝劑的擴散，提升混凝劑的利用率，增加顆粒有效碰撞幾率及絮體成形概率，提高混凝效率；另一方面，反應器內部空間可產生立體接觸絮凝，形成的絮體具有吸附功能，可對有機物去除產生協同作用。

2.2.2二次回歸模型分析

經RSM 軟件分析擬合各項數據得到下列二次回歸模擬方程，方程顯著性檢驗見表7。

表7 濁度、CODMn 和UV254 去除率回歸方程顯著性檢驗Table 7 Significance test of regression equation of turbidity,CODMn and UV254 removal rate

由表7 可知，Y1、Y2、Y3相關系數分別為0.953 3、0.961 7、0.939 6，說明模型的擬合誤差小；校正后相關系數分別為0.893 2、0.912 5、0.861 9，說明模型回歸性好；信噪比分別為11.849、12.492、9.783，表明模型的真實度高；模型失擬項和顯著性檢驗均表明3 個模型模擬精準、可信度高。

2.2.3交互作用分析及試驗驗證

通過RSM 分析獲得各交互因素對高濁水中濁度、CODMn和UV254去除率的響應面，如圖8 所示。

圖8 各因素對濁度、UV254、CODMn 去除率的交互作用響應面Fig.8 Response surface diagram of the interaction effect of factors on turbidity,UV254,CODMn removal rate

各因素間交互作用對響應值的影響與曲面坡度呈正相關[18]。結合圖8 發現，響應面形狀均呈上凸狀且具有一定坡度，濁度、UV254、CODMn去除率均呈先增加后減少的趨勢，每個變量都存在1 個最優值，此時污染物去除率達到最高，顯著性排序為回流比＞混凝劑投加量＞流量。就混凝劑投加量而言，高濁水中懸浮顆粒數量多、粒徑大，有效能耗和水力損失大，在此狀態下絮凝劑分子易被其包裹從而降低利用率，因此增加混凝劑投加量的作用較為明顯；流量影響相對較弱是因為相比起其他因素，吸附架橋、網捕與卷掃作用系高濁水處理的決定性因素，而紊流強度并非最重要的；回流比的作用在于回流部分絮體的同時增加膠體粒子及懸浮顆粒的濃度和接觸幾率，使絮體顆粒重新進入絮凝區反應從而更加穩定，而高濁水中的顆粒數基本滿足最佳絮凝效果條件，所需回流少，回流比過大會阻礙新進入絮凝區的顆粒凝聚，從而影響絮凝效果。因此，恰當的回流比有利于絮凝劑再次利用，同時有利于緩解流量和混凝劑投加量之間的交互作用。

由圖8 黃色區域內的等高線可判定各因素之間交互效應的強弱，橢圓越標準則表示交互作用越顯著[19]。兩兩因素間，混凝劑投加量和回流比之間交互作用最為顯著，其次是混凝劑投加量和流量間的交互作用，最不顯著的是流量和回流比間的交互作用。最小橢圓等高線的中心處為目標響應因子區間內的峰值[20]，在最佳運行參數下，表現為濁度去除率＞UV254去除率＞CODMn去除率。

各因素間的協同作用使得高濁水有較好的去除效果，渦流反應器的投加增加了流態的復雜性及進水動能的利用率，合適的流量（流速）與回流量有利于混凝劑的擴散和絮體的成形，也進一步加劇顆粒間有效碰撞，提高混凝效率和混凝劑利用率，從而減少混凝劑投加量，同時減少污泥產量和混凝劑過量投加所造成的二次污染問題，而高濁水中的顆粒經過絮凝反應所形成的絮團又可通過吸附電中和作用，吸附溶解性或小分子有機物，水流的改變也增加了水中有機物與絮凝體的碰撞概率，使有機物去除率得到提升。

通過多項式方程的極值求解，得出微渦流絮凝對高濁水中濁度、UV254、CODMn去除的最優反應條件，流量為5.88 m3/h，混凝劑投加量為34.78 mg/L，回流比為0.83。在此條件下，模型預測濁度的最大去除率為99.62%，UV254的最大去除率為95.94%，、CODMn的最大去除率為71.50%。

2.3 結果優化

為了進一步驗證模型可靠性及預測結果的準確性，采用流量為5.9 m3/h，混凝劑投加量為34.8 mg/L，回流比為0.8 的工況，重復3 次驗證試驗，結果見圖9。從圖9 可以看出，此時濁度去除率為99.23%，UV254的去除率為95.03%，CODMn的去除率為71.42%，與預測值接近且誤差在可接受范圍內，驗證了該模型對于高濁水處理試驗中相應因子（流量、混凝劑投加量、回流比）預測的準確性，也進一步證實了CFD 技術與REM 方法二者結合的可行性與有效性。

圖9 最優工況下濁度、UV254、CODMn 的去除率Fig.9 Removal rate of turbidity,UV254,CODMn under the optimal conditions

3 結論

（1）湍動能、有效能耗及G均與流量（流速）呈正相關，但流量（流速）過大會導致絮凝時間過短，使得反應不充分，影響絮凝效果，初步確定微渦流絮凝工藝處理高濁水的最佳流量為4.2～7.0 m3/h（最佳流速為0.41～0.67 m/s），GT為45 720～52 200，該流量范圍合理。

（2）建立了微渦流絮凝中試試驗流量、混凝劑投加量、回流比分別與濁度、UV254及CODMn去除率間的二次回歸多項式模型，中試結果與各軟件的模擬預測值相近，擬合性良好，進一步驗證了CFD 與Kolmogorov 渦旋理論及RSM 技術結合的可行性，微渦流絮凝工藝處理高濁水試驗中各響應因子的影響為回流比＞混凝劑投加量＞流量，最佳參數組合，流量為5.9 m3/h，混凝劑投加量為34.8 mg/L，回流比為0.8，此時對高濁水中濁度、UV254、CODMn去除率分別達到99.23%、95.03%、71.42%。

（3）微渦流絮凝工藝提高了高濁水的出水水質，在去除濁度和有機物方面具有良好效果，此外還能減少混凝劑用量，從而減少污泥體積，避免了二次污染等問題，可以獲得更大的經濟效益和環境效益。