基于CFD技術(shù)的臭氧給水處理工藝研究進展

陳翔宇， 姚娟娟， 王慶濤， 劉 存

(重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室， 重慶 400045)

現(xiàn)今，由于水環(huán)境的惡化，加劇了用水需求與水源污染的矛盾，使水資源問題成為制約經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平改善的環(huán)境問題之一[1]。人工合成的有機物是水體有機污染的主要成分，在環(huán)境中不易被去除，對人體健康和水環(huán)境均構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。目前，常規(guī)的給水處理工藝難以去除水體中的痕量有機污染物，因此迫切需要對水源水進行深度處理。臭氧處理以其對水中有機物的高效去除以及良好的氣味控制而在給水處理中越發(fā)受到重視[2]。作為一種新興的水處理研究方法，計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)已經(jīng)較多地被應(yīng)用于臭氧工藝的優(yōu)化與研究當(dāng)中。本文對CFD技術(shù)在臭氧水處理工藝的研究與應(yīng)用進行了總結(jié)。

1 臭氧給水處理工藝與CFD簡介

臭氧處理工藝在傳入我國后取得了良好的給水處理效果。臭氧工藝的主要反應(yīng)器為臭氧接觸池，目前全國已建及在建具有臭氧工藝的水廠共75個，大部分集中在東南沿海地區(qū)[3]，現(xiàn)今國內(nèi)外的常用池型為隔板式接觸池。然而它在運行時往往存在相當(dāng)大體積的回流區(qū)與死水區(qū)，極大影響了運行效率。而且因池體封閉及臭氧的毒性，目前對池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)及有機物降解狀況缺少詳細(xì)的了解。因此，如何提高運行效率以及深入探索池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)機理成為目前國際上臭氧工藝研究的一個重點[4]。

CFD是利用計算機的數(shù)值計算和圖像顯示，對包含流體流動等的相關(guān)物理系統(tǒng)所做的分析。目前，CFD已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用于給水處理的研究，許多由于條件限制而無法進行實驗的難題因而得到解決，并且節(jié)省了大量的實驗費用[5-7]。由于它與實際工程的高度貼合性及優(yōu)良的經(jīng)濟效益，近十幾年CFD技術(shù)也不斷地被國內(nèi)外研究者應(yīng)用于對臭氧接觸池的研究之中[8]。

2 CFD對臭氧接觸池內(nèi)流場的表征與建模

2.1 湍流模型的選取與建立

建立精確的CFD模型是研究成功的必要前提。CFD技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)基本發(fā)展出了完善的湍流模型，而應(yīng)用最廣泛的是k-ε模型[9]。在現(xiàn)有的湍流模擬中，為方便研究，包含了如下基本假設(shè)：(1)反應(yīng)器內(nèi)各相連續(xù)，均符合連續(xù)性方程；(2)反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相體積比之和恒為1；(3)臭氧曝氣時所產(chǎn)生氣泡為球形且尺寸恒定，水壓對氣泡的影響不計；(4)各相在模型網(wǎng)格內(nèi)的運動均遵守動量守恒定律等。發(fā)展較為完備的數(shù)值模擬法有Reynolds平均方法(RANS)、大渦模擬(LES)和直接數(shù)值模擬(DNS)3種。RANS法通過對Navier-Stokes(N-S)基本流動方程進行系統(tǒng)平均后得到湍流平均量方程，目前使用最為廣泛。k-ε模型即為RANS的子模型；LES法通過對N-S方程進行低通濾波得到描述湍流大尺度運動的方程；DNS法則是直接求解完整的三維非定常N-S方程組，它的精確度最高，但計算耗時耗力，目前很少使用[10]。

雖然目前RANS模型應(yīng)用最多，但Kim等[11]用LES湍流模型來模擬池內(nèi)湍流后，表明LES模型在池內(nèi)呈現(xiàn)出了被RANS模型忽視的細(xì)微渦流，這些渦流對近壁面流態(tài)產(chǎn)生了影響，且LES模擬出的示蹤劑停留時間分布曲線(RTD)與中試規(guī)模得出的實驗數(shù)據(jù)更為吻合。Zhang等[12]同時運用RANS與LES模型對同一池型進行模擬對比，發(fā)現(xiàn)LES模型確實可以表征出RANS模型所忽略的的小渦流，但是RANS模型對池內(nèi)整體渦流和死水區(qū)的表征則更為準(zhǔn)確，這也表明RANS的整體模擬結(jié)果優(yōu)于LES模型。從現(xiàn)有研究來看，RANS模型與LES模型各有優(yōu)劣，但目前LES模型的應(yīng)用仍會大量消耗計算機內(nèi)存與計算時間，因此還很難在工程應(yīng)用中推廣。

2.2 接觸池運行效率評價指標(biāo)的建立與發(fā)展

水力效率的評估需要直觀的評價指標(biāo)，目前對臭氧接觸池的水力效率評價指標(biāo)較為常用的是：(1)RTD分布曲線：即累積液齡分布函數(shù)F(t)，表示流過系統(tǒng)的物質(zhì)粒子中停留時間小于t的物質(zhì)粒子所占的百分率。(2)T10/HRT:即T10是從入口投加示蹤劑后，10%示蹤劑的流出時間,HRT是示蹤劑的平均水力停留時間。如果是理想推流(活塞流)則T10/HRT=1。T10/HRT是目前最常用的評價指標(biāo)；(3)CT值：即水中臭氧濃度對其作用時間的積分值。實際運行中，池中臭氧濃度分布往往不均勻，因此CT值計算還應(yīng)考慮到空間的濃度變化、臭氧衰減等因素，計算非常復(fù)雜。目前普遍采用的是美國環(huán)保局(EPA)推薦的簡化計算方法即計算出水CT10值[13]。C為出水剩余臭氧濃度。

然而以上指標(biāo)均存在一定不足。RTD曲線會受到模型網(wǎng)格密度的影響，T10/HRT則只單一考慮到了水力指標(biāo)而并未考慮到池內(nèi)臭氧的氧化效率；對于CT10而言，池內(nèi)流態(tài)并非推流，存在回流與死水區(qū)，T10會使得實際CT值被低估[14]。且出水口處的臭氧濃度無法代表全部接觸池中的臭氧濃度，因臭氧在水中不斷衰減，因此從進水口處流到出水口處，臭氧的濃度在時時降低，因此如果只是采用出水臭氧濃度替代C值，將同樣在相當(dāng)程度上低估池內(nèi)實際的CT值。

因此，有研究者意識到需要建立更為全面的評價指標(biāo)。Zhang等[15]對Tampa水廠的臭氧接觸池進行2D建模，比較了RTD、T10/HRT、CT10各自的優(yōu)點與局限，以全面的角度，提出一種融合了環(huán)境、經(jīng)濟、能耗等各種因素在內(nèi)的綜合加權(quán)指標(biāo)——CI(composite indicator)，用以綜合評估接觸池的運行效率及其所帶來的環(huán)境、電能消耗、經(jīng)濟費用等負(fù)擔(dān)。實驗證明這一指標(biāo)的運用兼顧了接觸池的高效運行與水廠的經(jīng)濟效益，具有很高的推廣價值。

評價指標(biāo)隨著CFD建模的不斷發(fā)展而變化。CFD建模經(jīng)歷了4個階段：(1)對池內(nèi)流場的還原；(2)模擬示蹤劑運輸以評價水力效率；(3)對池內(nèi)臭氧濃度及衰減的表征；(4)對池內(nèi)有機物降解及相關(guān)化學(xué)反應(yīng)的模擬。評價指標(biāo)如今日趨豐富與多元化，因此對于接觸池運行的評估已不能依靠單一指標(biāo)，而應(yīng)該將多種指標(biāo)綜合運用。

3 應(yīng)用CFD對接觸池運行參數(shù)及結(jié)構(gòu)的模擬優(yōu)化

3.1 對接觸池運行參數(shù)及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

隔板式臭氧接觸池在運行時往往存在大片的回流與死水區(qū)，在很大程度上影響到接觸池的運行效率，池內(nèi)的氣液傳質(zhì)會受到很大影響，進而影響到接觸池內(nèi)臭氧的脫色除嗅及有機物的去除，因此優(yōu)化接觸池的結(jié)構(gòu)與外觀是十分必要的。優(yōu)化結(jié)構(gòu)的主要目的是使得池內(nèi)的流態(tài)最大程度地接近推流，使池內(nèi)氣液傳質(zhì)更加充分等。在實際工程中，改動結(jié)構(gòu)會耗費巨大成本，因此應(yīng)用CFD進行模擬優(yōu)化則具有巨大的優(yōu)勢[16]。

一個普遍被采用的改進方法就是在池內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流板或橫擋板，目的是將流場進行分割，擴大水流的有效流動范圍，以減少池內(nèi)的回流區(qū)和死水區(qū)。Wols等[17]對荷蘭典型的臭氧接觸池型進行二維建模后，在池體內(nèi)隔板的上、下方設(shè)置一定角度的導(dǎo)流板，之后又增設(shè)橫擋板，利用示蹤劑法繪制出不同改進后的RTD分布曲線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論設(shè)置導(dǎo)流板還是橫擋板都能夠極大提高池內(nèi)的水力效率。但設(shè)置斜向?qū)Я靼搴蟮腞TD曲線相較于橫擋板更為接近理想推流，池體水力效率相較于原始池型增加了近50%。紀(jì)家林[18]對深圳筆架山水廠的主接觸池進行了二維模擬，對在池內(nèi)單獨增加導(dǎo)流板或橫擋板和同時增加導(dǎo)流、橫擋板3種方案進行了對比，以T10/HRT值作為評價指標(biāo)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)同時增設(shè)導(dǎo)流與橫擋板效果最佳，通過該方案使得該水廠的T10/HRT在原設(shè)計基礎(chǔ)上提高了近70%。陸麗等[19]通過不同池型內(nèi)流場的模擬和HRT的計算，發(fā)現(xiàn)水平擋板與導(dǎo)流板相結(jié)合時效果卻不如單獨設(shè)置水平擋板，設(shè)置水平擋板后水力效率比兩者結(jié)合時要高出近30%。

還有一種較常采用的方法就是增加池內(nèi)反應(yīng)室的個數(shù)。Kim等[14]采用LES模型模擬發(fā)現(xiàn)適當(dāng)減小隔室長度，即在池型長度不變的情況下增加反應(yīng)室數(shù)目能提高池內(nèi)的水力效率，隨后Zhang等[15]分別對增設(shè)擋板與增加反應(yīng)室數(shù)目這兩種優(yōu)化方案進行了對比，發(fā)現(xiàn)增加隔室數(shù)目可將池內(nèi)的水力效率達到相當(dāng)理想的水平，但是過多增加反應(yīng)室數(shù)目會引起過高的運行能耗，提高了運營成本。因此作者創(chuàng)立了新的指標(biāo)評測后發(fā)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)將反應(yīng)室數(shù)目控制在一定范圍內(nèi)，在保證水力效率提高的同時減少不必要的能量損失。

除此之外， 不少研究者將CFD模擬與水廠實測、中試實驗相結(jié)合，對影響臭氧接觸池效率的相關(guān)因素做了深入的探究，積累了豐富的成果。表2總結(jié)了眾多研究者的相關(guān)結(jié)論。

3.2 對臭氧在池內(nèi)的傳質(zhì)、衰減及化學(xué)反應(yīng)的模擬

臭氧在池內(nèi)如何衰減與傳質(zhì)的問題歷來是研究的重點，因為它直接關(guān)系到接觸池的運行效率以及相關(guān)消毒副產(chǎn)物如溴酸鹽的生成情況。有些研究者[17,29]將CFD技術(shù)與中試實驗相結(jié)合，在一定簡化的基礎(chǔ)上，得出池內(nèi)的臭氧衰減與溴酸鹽生成均符合一級反應(yīng)動力學(xué)模型，而池內(nèi)的有機物降解過程符合Chick-Watson二級反應(yīng)動力學(xué)。Zhang等[22]對美國Tampa水廠臭氧接觸池進行三維建模，并通過開源數(shù)據(jù)編程向池內(nèi)引入臭氧的衰減、傳質(zhì)及溴酸鹽濃度變化，模擬得出的結(jié)果與水廠的定點取樣值基本吻合，驗證了臭氧與溴酸鹽反應(yīng)動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。雖然有少數(shù)研究認(rèn)為臭氧的自衰減更符合二級反應(yīng)動力學(xué)。不過，仍然有很多研究者[4,30-31]證明以一級反應(yīng)動力學(xué)來預(yù)測臭氧的衰減效果更理想，前提是被氧化的有機物不會過快地自我分解。

表2 臭氧接觸池相關(guān)影響因素模擬研究總結(jié)

雖然Chick-Watson二級反應(yīng)動力學(xué)以其高度簡化和普適性被許多研究者所采用，但是它沒有考慮有機物初始濃度對降解的影響，所以計算結(jié)果往往與實際有所偏差。實際工程中的反應(yīng)級數(shù)很可能介于一級與二級之間。戚圣琦[32]在前人CFD研究的基礎(chǔ)上自制中試實驗裝置模擬反應(yīng)池內(nèi)有機物的降解情況，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)等級與水源水種類密切相關(guān)，當(dāng)以地下水作為水源時，有機物降解符合Chick-Watson二級反應(yīng)動力學(xué)，但當(dāng)以腐殖酸配水作為水源時，反應(yīng)動力學(xué)則介于一二級之間。

表3列出了目前臭氧接觸池CFD模擬研究所常用的不同物質(zhì)對應(yīng)的反應(yīng)動力學(xué)方程。從表3中可以看出，各物質(zhì)相關(guān)的反應(yīng)常數(shù)對模擬預(yù)測的準(zhǔn)確性有著重要的影響。而反應(yīng)常數(shù)取決于特定的環(huán)境參數(shù)，如pH、溫度等。因此在模擬時，需要基于所研究接觸池的具體環(huán)境，仔細(xì)選用合適的反應(yīng)常數(shù)。

表3 臭氧接觸池內(nèi)不同物質(zhì)的反應(yīng)動力學(xué)模型

4 結(jié) 論

隨著數(shù)值模擬的日益進步及計算機運算能力的增強，CFD在臭氧接觸池研究中的應(yīng)用已經(jīng)越發(fā)廣泛。然而，CFD的應(yīng)用仍然存在如下問題：

(1)目前研究偏向于模擬水流，即單一的液相，而忽視了氣液兩相的相互作用，未來應(yīng)當(dāng)更多地模擬氣液兩相流，將氣泡尺寸、氣液傳質(zhì)等相互影響因素加入CFD模型中。

(2)池內(nèi)的實際臭氧氧化過程往往由一系列元素之間的化學(xué)反應(yīng)組成，反應(yīng)系統(tǒng)復(fù)雜，因此有必要探究出較為完整的反應(yīng)機制。

(3)池內(nèi)有機物的降解機理至今尚未完全明確，降解動力學(xué)常數(shù)往往會隨著有機物種類、pH、溫度等因素產(chǎn)生變化，具有不確定性，且降解反應(yīng)究竟屬于一級、二級甚至更高級反應(yīng)仍有待探究。

(4)池內(nèi)湍流與化學(xué)反應(yīng)之間的相互作用仍缺乏深入的研究；而池內(nèi)湍流很可能對化學(xué)反應(yīng)有較大的影響。

(5)目前有關(guān)臭氧接觸池的CFD模擬大多數(shù)仍停留在二維模擬，而簡化后的二維模擬往往會導(dǎo)致模擬結(jié)果的失準(zhǔn)，因此未來應(yīng)當(dāng)以三維建模為主。

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