基于CFD技術的臭氧給水處理工藝研究進展

亓華

（新泰市自來水有限公司 山東新泰 271299）

在人口不斷增加、社會經濟發展速度不斷加快的背景下，城市化進程快速推進，隨之而來的是愈發嚴重的水源、水環境污染問題。全國包含珠江水系、淮河水系、長江水系、遼河水系、海河水系、黃河水系在內的水系中的污染物種類和數量不斷增加，河口淤積嚴重，因此，常規水處理工藝已無法滿足安全衛生飲用水處理要求。大量科學實驗和應用實踐證明，臭氧預氧化工藝具有較為突出的除污染效能，將CFD 技術應用于臭氧給水處理工藝中，有望提高給水處理質量。因此，探究基于CFD技術的臭氧給水處理工藝的研究進展與應用現狀具有非常重要的意義。

1 CFD技術概述

CFD 技術（Computational Fluid Dynamics，計算流體力學）是一種通過求解關于流體流動微分方程（守恒控制偏微分方程組）的數值，獲得連續區域上流體流動離散分布狀態，完成流體流動狀態近似模擬的方法。CFD 技術將流體力學、數值分析、熱學、計算機科學進行了有機整合，適應性強，應用面廣，可以在泵站工程等多個領域應用。例如，王照福、白光輝、劉毅杰在2021年發表于《水電能源科學》的《基于CFD技術的黃壇口水電站機組提效增容改造》一文中，立足黃壇口水電站機組出力不足問題，聚焦水輪機出力因素，將CFD技術與有限元FEA 分析技術進行了無縫銜接，完成了轉輪水力優化，獲得了強度、剛度足夠且效率高、質量佳的轉輪［1］；談亞麗、李嘯、張小龍等在2021年發表于《食品安全導刊》的《基于CFD 技術優化50L 發酵罐空氣分布器實現馬克斯克魯維酵母高密度發酵》一文中，以50L 反應器內空氣分布器為對象，通過計算其流場特性，將原有單管式空氣分布器優化成雙層圓環形構造，在解決高密度發酵階段好氧型微生物溶氧限制問題的同時，有效改善了反應器供養性能和發酵液傳質效率［2］。

2 臭氧給水處理工藝分析

臭氧給水處理工藝在我國部分地區得到了有效的應用，也吸引了大批專家學者關注。當前，關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行效率分析及臭氧給水處理工藝的組合應用。例如，殷祺在2020年發表于《凈水技術》的《恒水位控制消除預臭氧接觸池及配水井漩渦》中提出，臭氧接觸池的設計不單單關乎臭氧滅菌消毒、利用率、臭氧氧化效果，而且涉及經濟成本，加之臭氧本身具有強氧化性，一旦池型設計不當或者呼吸閥調控不佳，就會引發尾氣破壞，甚至對池體、廠區環境安全造成威脅［3］。基于此，可以根據預臭氧工藝、沉淀池產生氣浮現象之間的關系，在明確浮渣產生與臭氧投加量無關而與出水管口位置不規則、不連續旋渦有關的基礎上，利用恒水位控制方式代替傳統旋渦消除裝置，有效去除預臭氧接觸池、配水井內出現的旋渦，降低后續沉淀池內氣浮現象出現概率。另外，劉文琛、周偉偉、成小翔等學者在2020年發表于《中國給水排水》的《臭氧組合技術對給水處理低壓膜污染控制研究進展》中，針對基于微濾、超濾的低壓膜飲用水過濾處理技術引發的膜污染問題，研究了臭氧催化氧化、臭氧/吸附、臭氧/雙氧水、臭氧/混凝技術的應用，得出臭氧給水處理技術不僅可以有效去除飲用水中天然有機物，而且可以緩解膜污染問題［4］。

3 基于CFD技術的臭氧給水處理工藝研究進展

3.1 以CFD 技術進行臭氧接觸池中流場的表征和建模

基于CFD 技術的臭氧給水處理工藝研究過程中，以CFD 技術進行臭氧接觸池中流場的表征非常必要。在基于CFD 技術的臭氧接觸池中流場表征前，需要選擇精度高、準確度高的CFD 湍流模型。在近幾年計算機流體數值模擬技術發展與應用范圍擴展過程中，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用。例如，李青云在2020年發表于《當代化工》的《基于CFD 的小型反應釜中不同湍流模型數值模擬比較》中，以單層四葉攪拌槳小型攪拌釜為對象，利用CFD 數值模擬方法進行了標準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：（1）在反應器內部，氣相、液相體積比的相加值為恒定值，均為1；（2）在反應器內部，液相、氣相符合連續性方程要求，不間斷存在；（3）在模型網格內，液相、氣相的運動與動量守恒定律相符；（4）在臭氧曝氣時，產生的氣泡尺寸始終不變，形狀始終為球形，不受水壓的影響。在假設提出之后，研究者立足NS 基本流動方程（Navier-Stokes），進行系統平均后，在獲得的湍流平均量方程內，進行了湍流大尺度運動三維非定常模擬，得到了準確度較高的小型攪拌釜流場以及壓力場、速度場、線速度分布、湍流強度分布結果，證實了CFD技術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域進行高精度模擬，但在回流區域模擬誤差較大，表明SSTk-ε模型在模擬液相、氣相傳質與回流現象中存在不足。同時，借助莫里斯篩選方法分析SST模型常數，得出對計算結果影響較為顯著的參數，通過優化關鍵參數，可以達到降低模擬誤差、提高優化參數適用性的效果。

3.2 以CFD技術模擬優化接觸池的運行參數和結構

3.2.1 運行參數

對于臭氧接觸池來說，運行參數的優化至關重要，而參數優化與原參數下接觸池水力效率直接相關，需要通過直觀評價原參數下臭氧接觸池水力效率，根據評價值，進行接觸池參數的優化模擬。以往常用的臭氧接觸池水力效率評價指標為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%示蹤劑的流出時間、示蹤劑平均水力停留時間的比值，理想推流下，這一比值為1。這一指標較為常用，但僅考慮了水力指標，未考慮臭氧接觸池內臭氧氧化效率，加之臭氧接觸池內流體流動狀態并不是完全的推流，還存在死水區、回流區，最終出現的評價結果會出現低估值。而RTD 分布曲線特指累積液齡分布函數曲線，具體表示為流過系統物質粒子停留時間小于標準時間物質粒子占據總停留時間的百分率，易受模型網格密度干擾。CT值特指以數值表示的水中臭氧濃度對臭氧氧化作用時長積分。在臭氧接觸池實際運行過程中，CT 值的計算涉及了臭氧衰減、臭氧接觸池內臭氧濃度變化等因素，現有EPA（美國環保局）推薦的簡化計算方法無法獲得準確的臭氧素質，加之臭氧接觸池內臭氧的濃度處于降低狀態，最終計算的臭氧值也易被低估。因此，CFD 技術就為臭氧接觸池水力效率模擬提供了有效的指標。

例如，陶昱明、周冰潔、耿冰等在2021年發表于《凈水技術》的《臭氧—上向流生物活性炭工藝運行參數的優化》中，以典型含氮消毒副產物N-DBPs（二氯乙腈與二氯乙酰胺前體物）的去除為出發點，在考慮溶解性有機碳、渾濁度、溶解性有機氮、高錳酸鹽指數等指標的前提下，建立了Spalart-Allmaras湍流模型方程［6］，并以正交試驗的方式，調整了臭氧投加量、反沖洗時間、反沖洗周期、上升流速參數，對比了不同迎角下局部最優大范圍最佳工藝參數。進而利用拉格朗日插值函數法，建立了春季、秋季、夏季、冬季不同季節與臭氧投加量、最佳上升流速、接觸池反沖洗周期之間函數關系，在驗證局部最優閉合常數對數值模擬影響的同時，得到了春、夏、秋、冬4 個季節臭氧接觸池最佳運行參數。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，臭氧接觸池運行參數還包括氣泡尺寸變化、死水區體積占比、進口形狀、池體高寬比、時間長度間隔等。雖然基于CFD技術的臭氧接觸池二維模擬法可以在一定程度上計算臭氧接觸池參數，但是，現有基于CFD 的二維模擬偏向于水流模擬，模擬對象為單一液相，未考慮氣相與液相傳質、氣泡尺寸等存在相互影響的因素，加之臭氧接觸池內臭氧現實氧化環節包括多種類型的元素，相關元素之間存在復雜的化學反應，單純的二維模擬無法得到完整的臭氧氧化化學反應機制，對臭氧接觸池內有機物降解原理也造成了一定影響。因此，在后續基于CFD 技術的臭氧接觸池運行參數分析時，應圍繞臭氧接觸池內湍流與化學反應相互作用，加入氣泡尺寸、氣相與液相傳質等存在相互影響的因子，為臭氧接觸池運行參數優化提供依據。

3.2.2 結構

在臭氧給水處理工藝中，應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構特點，導致回流區、死水區大量存在，對接觸池運行效率及接觸池內部氣相、液相傳質造成了較大干擾，也間接制約了臭氧接觸池內部有機物去除、顏色脫除、臭味去除。此時，進行臭氧接觸池結構的優化就非常必要。臭氧接觸池結構的優化本質上是促使臭氧接觸池內流體流動狀態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，并在后續水流的推動下沿著臭氧接觸池長度方向流動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、液相充分傳質的狀態，傳統隔板式臭氧接觸池無法滿足推流的要求。因此，在考慮徹底更改臭氧接觸池經濟成本損耗的情況下，可以將CFD 模擬與水廠實測、中試進行結合，深入探究影響臭氧接觸池內流體流動狀態接近推流的因素。根據臭氧接觸池在給水處理中的功能，結合給水處理時污染物去除達到國家污水排放標準要求，優化臭氧催化氧化結構，規劃科學性高、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，實現難降解物質的快速轉速，并降低生物毒性。

例如，陳翔宇在《基于CFD的臭氧接觸池結構優化及臭氧化過程的模擬》中，根據臭氧接觸池封閉特點，利用CFD技術對臭氧接觸池內流態進行了模擬，同時，以數值分析的方式獲得了臭氧接觸池內衰減及其液相濃度分布、臭氧氣相與液相傳質情況［7］，并在三維表征臭氧接觸池內水體流動狀態的基礎上，對臭氧接觸池內回流、死水區問題進行了分析，獲得了4 種網格設置、2 種雙擋板、1 種格柵設置等臭氧接觸池池體結構優化方案。在方案得出后，研究者借助自制水力實驗模型，以示蹤劑的方式，得到了CFD 模型原池型、優化后液齡分布函數曲線，驗證了基于CFD 技術優化臭氧接觸池結構的可行性，得出利用CFD 技術優化臭氧接觸池結構，可以同步提升臭氧接觸池內水力效率、臭氧氧化效率，促使臭氧接觸池內液相與氣相傳質無限接近于推流。

4 結語

綜上所述，在計算機運算能力持續增強的背景下，CFD 技術在臭氧給水處理工藝中的研究也不斷深入。當前，關于臭氧給水處理工藝的研究主要集中于臭氧接觸池結構優化及臭氧組合給水處理工藝的應用上。CFD 技術主要應用于臭氧接觸池結構優化，可以通過建模與數值模擬的方式，得出臭氧接觸池水力效率，規劃更佳的臭氧接觸池結構與運行參數，為臭氧接觸池內死水區、回流區問題的解決提供依據。后續CFD 技術可應用于臭氧接觸池的三維模擬，解決二維模擬存在的結果準確度不足問題，為臭氧給水處理工藝的有效應用提供支持。