基于空化水射流的有機污水凈化循環系統研究
——以第十八屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽參賽作品“水凈有方”為例

王寧，祁杰，張子軒，王飛龍，孫榮偉，邵志豪，陸文卿

（華東理工大學，上海 200237）

1 背景

水資源是人類賴以生存的物質基礎，是生產和生活中不可或缺的自然資源，對社會生產和經濟發展 產生著重要影響[1]。我國人均水資源占有量約為2 200 m3/人，僅相當于世界平均水平的1/4 左右，是全球人均水資源最為匱乏的13 個國家之一[2]。水污染已成為制約國民經濟和社會可持續發展的重大因素。其中，有機污水是造成水體富營養化、缺氧、異味等問題的主要原因。現階段，學者對有機污水處理工藝的研究還不充分，采用高效工藝加強有機污水處理，是解決水污染問題的關鍵一環，是保護生態環境的必要措施，對推動建設節約型和環境友好型社會有十分重要的意義。

2 基于空化水射流的有機污水凈化循環系統設計

目前，常規三級污水處理工藝[3]不能使大分子有機物徹底降解，無法滿足污水深度處理的要求。高級氧化技術[4]可以融入常規三級污水處理工藝，增強有機物的去除效果。空化氧化主要基于空化水射流技術，其主要利用高溫熱分解、超臨界水氧化和自由基氧化來降解污水中的有機物。光催化氧化[5]是水處理領域另一種應用廣泛的高級氧化技術，當半導體催化劑與水和氧氣接觸時會吸收輻射能量，并生成OH-和O2-來氧化分解污水中的有機物。將空化氧化與光催化氧化巧妙地結合在一起，一方面可以利用空化泡潰滅產生的微射流、剪切力和對流場的擾動沖刷催化劑顆粒表面的污染物，另一方面可以使有機污染物和光催化劑更好地接觸，加快光催化氧化反應的速率。目前，空化氧化和光催化氧化相結合對有機物的降解效果仍然有限[6]，并且一次性處理污水的體積較小，尚未形成有效、全面的有機污水處理系統。

筆者以參與的第十八屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽獲獎作品——“水凈有方”為例，嘗試從優化噴嘴結構等方面探尋出更高效的空化氧化和光催化氧化相結合處理有機污水的凈水工藝。

3 空化作用耦合光催化氧化技術凈水原理

3.1 空化作用凈水原理

空化作用凈水原理如圖1 所示，主要是基于空化水射流中空化泡潰滅時產生的一系列極端理化反應以及光催化氧化凈水原理協同凈化污水。液體因受到環境和氣體分子運動的影響，導致一些氣體會溶入其中，最終會有一批氣相的微泡懸浮在液體中，稱為“氣核”[7]。這些氣核遇到外界刺激時將迅速膨脹為較大的氣泡，在高壓水體的作用下，其又會類似于絕熱過程產生潰滅，流體質點向其中心以極高的瞬時速度進行沖擊，產生了瞬時熱點[8]（約5 000 K）和局部高壓（約1.01×109Pa））,以及一系列物理化學反應[9]。空化機理研究方面，空化泡的射流強度和方向可以用通過Kelvin 沖量來預測[10]。Rayleigh 最先提出了空泡在無界靜止液體中的潰滅方程。在Rayleigh 的基礎上，Plesset 對空泡潰滅方程進行了優化改進，提出了著名的R-P方程[11]，該方程提及了實際液體所具有的粘性和表面張力的影響。此后空化理論的研究較多，但因為液體內部結構的復雜性及相應設備的缺乏，一直未能形成統一的說法。目前，較為廣泛接受的為微射流理論、沖擊波理論以及群泡潰滅理論。流體參數變動會使空泡失穩進而導致空泡的非對稱潰滅，關于近固壁面的球形空泡的潰滅[12]是其中代表性的研究。LAUTERBORN 等[13]利用紅寶石激光器在固壁附近的蒸餾水中誘導球形空泡，利用高速攝影機拍攝到了近固壁的空泡生成及其潰滅過程中微射流的形成過程；PREECE 等[14]將高壓水射流通入水體中產生空化現象，利用高速攝影技術成功捕捉到了近壁面空泡的不對稱潰滅過程；趙瑞等[15]通過自制的力學傳感器和高速攝像機，展開了對激光誘導近固壁面的球形空泡的潰滅研究，形成一股微射流沖擊固壁表面，其速度極高。沖擊波理論認為空泡潰滅會產生相當大的潰滅壓力，強烈壓縮周圍介質而形成壓力沖擊波，并從潰滅中心作球狀輻射波傳播。空泡潰滅時局部出現的熱點和高溫高壓等條件能夠有效殺菌、打開化學鍵并氧化水中污染物。

圖1 空泡潰滅原理

3.2 光催化氧化凈水原理

光催化氧化凈水是光化學反應的具體應用之一，是有催化劑參與的光化學氧化反應，一般分為均相和非均相催化兩種類型[16]。隨著現代化進程的推進和化學工業的發展，工業廢水中各類化學合成有機物的種類和數量增加[17]，半導體非均相光催化氧化是眾多難降解有機物處理方案中較為理想的一種[18]。半導體非均相光催化氧化通常以二氧化鈦作為半導體催化劑[19]。如圖2 所示，在近紫外光照射下，催化劑粒子不斷吸收光能，當吸收的能量達到能隙的光，其價帶中的電子將被激發而躍遷至導帶上，在價帶上留下相對穩定的空穴，產生具有氧化還原能力的光生電子和光生空穴對[20]。在電場作用下，光生電子—空穴對向催化劑表面遷移，其間存在一部分電子—空穴對發生復合而失去活性的情況。遷移到表面后，光生空穴可直接作用于目標物質，通過奪取催化劑表面物質或溶劑中的電子使原本不吸收光的有機物被活化和氧化。光生空穴也可以間接作用于目標物質，與催化劑表面的H2O 或OH-離子反應生成更強氧化性的羥基自由基[21]，由羥基自由基與有機物反應，達到處理污水中有機物的目的。因此，通過光催化氧化反應能快速[22]有效地去除工業污水中的各類有機物，并且沒有二次污染，具有良好的應用前景。然而，有機污染物經光催化氧化形成的分解產物可能會附著在催化劑上，阻礙其對紫外光的吸收，使凈水效率下降。

圖2 光催化氧化原理

3.3 空化作用耦合光催化氧化技術凈水原理

水射流與光催化氧化技術相協同，可以通過水射流產生的強烈沖擊波和微射流去除催化劑表面的附著物，從而進一步提高凈水效率。

4 有機污水凈化循環系統結構設計

基于空化水射流的水體循環系統的裝置原理如圖3 所示。

圖3 裝置原理圖

圖4 為裝置示意圖，由圖4 可知，該裝置主要有4 個模塊，分別為進水模塊、出水模塊、藥品射流模塊以及光催化模塊。其中，過濾器、離心泵、流量計、控制閥通過管道依順序與污水處理箱的污水入口處相連，作為污水處理箱的進水模塊。離心泵將污水經過濾器抽入污水處理箱，過濾器可以過濾掉污水中的固體顆粒，同時可以利用流量控制閥控制污水的流量。藥品射流模塊由過濾器、流量計、控制閥、超高壓增壓泵與射流結構組成。射流管路的原水取自經過處理的污水，過濾器能夠過濾污水中的固體與大顆粒雜質，保證射流結構正常工作。其中，射流結構由藥品罐、藥品流量閥、射流噴嘴組成。該射流結構采用空化磨料一體化射流工藝，必要時可以在藥品罐中添加凈水藥品作為磨料，凈水藥品被吸入噴嘴的混合腔內與高速射流混合，促進凈水藥品快速溶解。射流管路必須保證噴嘴在淹沒條件下進行工作。控制閥、流量計和離心泵通過管道與污水排水口相連，作為污水處理箱的出水模塊，將經過處理的污水從污水處理箱抽回污水池，實現凈水系統的水資源循環。

圖4 裝置示意圖

由于空化射流的凈水原理主要依靠空化泡潰滅時產生的一系列極端理化反應，因此，加速空化泡潰滅是提高凈水效率的關鍵。該系統在噴嘴出口處安裝有射流靶盤，高速射流沖擊在射流靶盤上，使空化泡在經歷形成、發展階段后快速潰滅，后續通過FLUENT 仿真分析和高速攝像實驗探究空化云的演變特征及空化作用在形成、發展和潰滅階段時空化云的長度規律，確定射流靶盤距離噴嘴的最佳距離。經過仿真和高速攝像實驗以及后續的FDM 幀間差分法處理得出：射流靶盤距離噴嘴出口處的最佳距離為20d，其中d為噴嘴直徑。

5 基于FLUENT 的水射流空化效應仿真分析

由于空化水射流的空化效應對系統的凈水效率有著至關重要的影響，為了驗證系統實驗裝備的空化性能，本團隊根據前期調研，針對現有的實驗裝備開展了基于FLUENT 的空化流場仿真分析研究，以此選擇具有最佳空化效應的噴嘴——入口壓強組合，后續通過高速攝像實驗對仿真分析結果進行驗證并對空化云的動態演變特征進行研究。

本文采用FLUENT 軟件對空化水射流流場特性進行數值模擬分析，通過FLUENT 的后處理功能還能以圖形、動畫、數值報告等多種形式對模擬結果進行導出分析[23]。使用2 mm 的噴嘴對入口壓強分別為50 MPa、70 MPa、100MPa 和120 MPa進行模擬仿真對比，選擇與2 mm 直噴嘴配合具有最優空化效應的入口壓強，其仿真過程如圖5所示。

圖5 FLUENT 仿真流程圖

模擬仿真采用簡化后的2D 軸對稱模型進行網格劃分及求解計算，整個流場模型軸向長度為63 mm，外流場區域尺寸設置為150 mm×250 mm，噴嘴直徑為2 mm。由于該模型的整體結構較簡單，故采用結構網格，其特點為網格均由與坐標軸平行的直線劃分構成。

空化水射流凈化水體可以簡化為多相流模擬模型問題，故采用混合模型（Mixture Model）進行流場仿真。湍流模型采用Realizable k-ε模型和增強壁面函數，該模型計算精度高、結果穩定。設定迭代步驟為1 000 次，各方程的殘差下降到1×10-4。

流體經過噴嘴出口段時，流體壓力迅速降低轉換為大量動能，形成高速射流，為空化云的形成提供了條件。在噴嘴出口周圍至外流場邊界處形成了子彈狀的氣相分布，說明高速射流與周圍靜止水體間發生了強烈作用并形成了空化作用。水射流與周圍水體發生強烈作用的區域傳質速率較快，由此可以推測使用混合磨料技術時能夠有效加速藥品溶解，提高凈水效率。通過對多組入口壓力的比較，最終選擇100 MPa 的入口壓力配合2 mm 的噴嘴進行凈水，其優勢在于：氣相體積分布范圍較大，空化作用區域較大，其在凈水時對污染物的凈化范圍較大；其速度云圖相對分散，對靶盤的沖擊作用小，對靶盤的磨損較小；傳質速率相對較快，使用后混合磨料技術添加凈水藥品時能夠使藥品更快地溶解，進一步提高凈水效率。

6 基于高速攝像技術的流場狀態分析

為探究空化水射流產生空化云的演變過程和空化泡潰滅時的局部性質，設計了高速攝像實驗捕捉空化云的形成、發展及潰滅過程。高速攝像實驗系統主要由超高壓增壓器、機械臂、射流噴嘴、水箱、高速相機、LED 燈等裝備組成。超高壓增壓器的最高壓力350 MPa，可以通過扭矩控制調節射流壓強，分別設置為80 MPa、100 MPa 和120 MPa，進行對比實驗；增壓后的水流經不銹鋼高壓管路輸送至射流噴嘴，噴嘴在機械臂的夾持下淹沒在充滿水的透明水箱中，水箱采用亞克力材料制造，以保證準確采集空化射流的圖像信息。實驗采用美國Phantom 公司的VEO640L 型高速攝像機進行拍攝，采集圖像的清晰度和幀率可相應調節。同時使用LED 燈進行照射補光，照射功率為60 W。實驗系統原理如圖6 所示，實驗實物如圖7 所示。

圖6 高速攝像實驗系統原理圖

圖7 高速攝像實驗系統裝置圖

在實驗過程中，保持射流噴嘴、高速相機、LED燈三者相互位置不變，高速攝像機正對射流流場，LED 燈布置在水箱側面進行補光，如圖6（b）所示。在預先設定好的壓強參數下，待射流穩定時高速攝像機開始拍攝，拍攝時間不少于15 s，為精確捕捉空化云形成、發展及潰滅的動態演變過程，將高速攝像機的拍攝頻率設置為4 000 fps。拍攝完成后，在MATLAB 中對拍攝獲得的圖像進行灰度圖及云圖處理分析以及FDM（幀間差分）分析，并通過Image Pro Plus 進行空間尺寸標定，以探究空化水射流產生的空化云的演變過程和空化泡潰滅時的局部性質，反映空化效應的空間特征。實驗采用的入口壓強分別為80 MPa、100 MPa 和120 MPa。

圖8 為空化射流在不同入口壓強條件下，外流場中空化云的動態演變過程，相鄰兩張圖像之間的時間間隔為0.25 ms，總時間跨度為3 ms。從圖8 可以看出，射流中空化云的演變過程具有明顯的周期規律，演變周期約為0.75～1 ms。以圖8（b）為例，初始時刻（t=0 ms）細長狀的高速水柱從噴嘴射出，該階段射流速度最高，處于射流核心區段，射流結構基本對稱，射流與周圍黏性靜止水體接觸并發生剪切，形成渦流和低壓區，促使空化云形成，空化云中包含密集的空化泡。隨著空化云向下移動和延伸，在湍流和低壓作用下，空化泡逐漸膨脹并開始向周圍擴散，此階段是空化的發展階段，空化云的厚度及覆蓋范圍逐步擴大。當射流繼續向下游移動時（t=1 ms），空化云逐漸發生脫落，此時由于射流兩側湍流結構差異較大，引起射流壓力場不穩定，射流兩側的不對稱度大幅增加，隨著周圍壓力的逐漸升高，此階段中空化泡進入自主潰滅階段，空化云的邊緣逐漸模糊，潰滅時形成大量的微射流和沖擊波，同時形成局部熱點和高溫高壓等一系列極端理化反應，將會對水體中的有機污染物和微生物起到凈化作用。當觀察到空化云消失區域大于形成區域時，即可判定空化進入潰滅階段。同時，觀察到空化云脫落，射流不對稱度增大，壓力不穩定，空化云開始自主潰滅，主要發生在射流下游中心區域。而下一周期的空化云又被射流攜帶噴入水中，由此形成了空化云的周期變化，且空化云的動態演變過程主要包括形成、發展、潰滅三個階段。

圖8 不同入口壓強下的射流形態(a)80 MPa；(b)100 MPa

7 系統凈水實驗對比分析

先對氨氮去除率進行試驗。實驗分別選取了空化水射流——光催化氧化耦合凈水、空化水射流單獨作用凈水和光催化氧化單獨作用凈水進行對照試驗。實驗其他因素參數設置相同，實驗原水為75 mg/L 的氨氮標準溶液，溶液總量均為10 L，凈化時間均為3 h，最終凈水結果對比如圖9 所示。

圖9 氨氮去除率對比試驗

從圖9 可以看出空化水射流單獨作用的氨氮去除率為22%，光催化氧化技術單獨作用的去除率為62%，而空化水射流—光催化氧化耦合凈水的氨氮去除率能夠達到80%，相較于二者單獨凈水效果有了顯著提升。

除此之外，還進行了COD 去除對比試驗。實驗選用初始濃度為50 mg/L 的活性艷藍X-BR 溶液。活性艷藍X-BR 溶液是用于棉布直接印花的少數品種之一,可用于棉、絲、粘膠等織物的染色和印花。本實驗中其作為污染物對COD 去除效果進行初步實驗研究。實驗原水為濃度為50 mg/L 的活性艷藍X-BR 溶液，溶液總量為10 L，系統啟動時開始計時，在凈水時長達到30 min、1 h、2 h、3 h 和4 h 時分別進行取樣，凈化時長達到4 h 時關閉系統。實驗通過酸性重鉻酸鉀法測定COD 含量，實驗結果如圖10 所示。

圖10 COD 去除率實驗

由圖10 可以看出，該系統在凈化時間為1 h 時COD 去除率達到了28%，凈化4 h 后凈化率可達78%左右，效率較高，且凈化方式綠色環保，不會對水體造成二次污染。

8 結束語

項目團隊設計了一款將空化水射流與光催化氧化技術相結合的水凈化系統，獲得了第十八屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽二等獎。項目致力于處理電鍍污水中的有機污染物，推動工業廢水循環利用。相比于傳統的污水處理方式，該系統具有集約高效、環境友好的優點，且各種技術相輔相成，能夠獲得較好的凈水效果。

通過創新項目的參賽過程，以賽促學，使團隊成員的理論水平和實踐能力都得到了鍛煉。未來，項目團隊會繼續深入研究空化水射流與光催化氧化技術相結合的機理，以提高凈水效率。此外，可以探索新型、高效、環保的化學凈水藥品，以減少對環境的影響。此外，團隊也在積極與相關企業溝通，通過校企合作，開展成果轉化，將該技術真正用于環境友好、集約高效的工業污水處理，更好地服務于經濟社會高質量發展的國家戰略，為美麗中國建設作出貢獻。