計算流體力學(xué)在廢水處理中的應(yīng)用
——以活性污泥法二沉池為例

范 蘢，施漢昌，劉 嶠，董 強，丁愛琴，徐 農(nóng)

(1.合肥學(xué)院 能源材料與化工學(xué)院，合肥 230601；2.清華大學(xué) 環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室，北京 100084；3.中國科學(xué)院 生化工程國家重點實驗室，北京 100090)

0 引 言

計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)是一門隨著計算機的發(fā)展而發(fā)展起來的新興學(xué)科，它通過計算機的高速數(shù)值計算和圖像處理，可以對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)現(xiàn)象的系統(tǒng)進行分析。具體來說，CFD是在流動基本方程控制下對流體流動的數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬，可以得到復(fù)雜流動問題的流場內(nèi)各個位置上的基本物理量的分布，如速度、溫度、濃度、壓力等等，以及這些物理量隨時間的變化情況。通過這些分析，可以對體系內(nèi)部的特性、特征等進行描述和分析，進一步加深理解[1-2]。

由于CFD通過數(shù)值計算即可得到相關(guān)的特性參數(shù)，它具有諸多優(yōu)點，如適應(yīng)性強，應(yīng)用廣泛，可以通過計算機進行各種數(shù)值實驗，從而進行多種方案的優(yōu)劣比較。另外，它不受物理模型和實驗?zāi)Ｐ偷南拗?，省錢省時，具有較大的靈活性。只要給出詳細和完整的參考資料，很容易模擬各種特殊條件，或無法達到的理想條件。雖然CFD有一定的局限性，但已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于化工、環(huán)境、能源、航天等諸多領(lǐng)域。

環(huán)境保護領(lǐng)域中的水處理問題在中國尤其受到關(guān)注，廢水處理反應(yīng)器在水處理中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，如何有效的處理廢水，提高廢水的處理效率，一直是環(huán)保工作者關(guān)注的焦點。由于CFD應(yīng)用廣泛，關(guān)于CFD基礎(chǔ)知識的介紹眾多，因此，圍繞CFD在環(huán)保領(lǐng)域廢水處理中的應(yīng)用，以最常見的活性污泥法二沉池為例，重點講述如何發(fā)揮CFD的作用，可以更好地指導(dǎo)廢水處理的設(shè)計和生產(chǎn)。

1 活性污泥法和二沉池簡介

1913年Fowler G J博士指導(dǎo)Arden E和Lockett W T發(fā)明的活性污泥法(Conventional Activated Sludge Processes，CASP)是當前世界各國應(yīng)用最廣泛的一種廢水生物處理方法。其基本工藝流程是：廢水首先進入初次沉淀池，經(jīng)過沉砂和初沉等工藝進行一級處理，除去大部分懸浮物和部分可生化降解有機物(Biochemical Oxygen Demand，BOD)后進入一個為進行好氧生化反應(yīng)而人工建造的曝氣池，池子猶如河道的一段，池中有無數(shù)能氧化分解水中有機污染物的微生物。同天然河道相比，這一人工凈化生態(tài)系統(tǒng)效率極高，大氣的天然供氧不能滿足這些微生物氧化分解有機物的需要，因此在池中需設(shè)置鼓風(fēng)機或其他人工供氧系統(tǒng)。廢水在曝氣池停留一段時間后，廢水中的有機物絕大多數(shù)被曝氣池中的微生物吸附氧化分解成無機物，隨即進入下一個池子——二次沉淀池。在二次沉淀池中，成絮狀的微生物絮體——活性污泥下沉，處理后的廢水——上清液即可溢流而被排放，活性污泥法的基本工藝路線如圖1所示。

圖1 活性污泥法的基本工藝路線

有機物質(zhì)+微生物微生物↓+CO2↑+H2O+能量

(1)

該方法的主要特點是應(yīng)用微生物，特別是細菌，并在為充分發(fā)揮微生物的作用而專門設(shè)計的生化反應(yīng)曝氣池中，將廢水的污染物轉(zhuǎn)化為微生物細胞以及簡單形式的無機物。

二次沉淀池，簡稱二沉池，在全球范圍內(nèi)，它是活性污泥法廢水生物處理的一個重要處理單元。它具有兩方面的功能[3]，一是對反應(yīng)池出水進行泥水分離，保證出水中的懸浮物達到各國的排放標準；二是對污泥進行濃縮、回流，使反應(yīng)池中的微生物濃度保持在一定范圍內(nèi)，保證廢水生物處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。二沉池的運行狀況對整個廢水生物處理系統(tǒng)的處理效果和處理效率有極重要的影響，是整個廢水處理系統(tǒng)能否大負荷、高質(zhì)量運轉(zhuǎn)的重要制約因素。

在傳統(tǒng)活性污泥法處理工藝的城市污水處理廠中，由于設(shè)計和運行等管理不善，二沉池會出現(xiàn)一系列異?，F(xiàn)象[4]，進而造成出水水質(zhì)變差，污泥流失等現(xiàn)象。活性污泥膨脹是二沉池中最常見的異?，F(xiàn)象之一，由于污泥膨漲的發(fā)生，污泥結(jié)構(gòu)變松散，質(zhì)量變輕，沉淀壓縮性變差，大量污泥流失，出水渾濁，二沉池固液分離困難，無法維持曝氣池的正常工作?；钚晕勰嗌细∫彩窃S多污水處理廠中常常出現(xiàn)的問題，污泥上浮發(fā)生時，活性污泥由于自身原因或外界原因，造成其相對密度小于1，活性污泥上浮至二沉池表面，最終導(dǎo)致泥水分離效果變差。這些異?，F(xiàn)象都嚴重影響著二沉池的水處理效率和效果，因此將CFD應(yīng)用于二沉池優(yōu)化設(shè)計和技術(shù)升級換代，提高其水處理效率，穩(wěn)定出水效果，是研究的主要目的。

2 CFD在二沉池中的應(yīng)用

自20世紀九十年代起，科技工作者開始將CFD應(yīng)用于二沉池工藝。[5-8]CFD在二沉池中最早，也是主要的應(yīng)用，是設(shè)計、放大和優(yōu)化二沉池的結(jié)構(gòu)[9-13]，以提高其效率。隨著對CFD的深入理解，人們開始利用CFD獲得二沉池中的流體力學(xué)特性[7-8,14-17]，以期對二沉池中廢水處理現(xiàn)象有更深刻的了解。除此之外，研究者也嘗試通過CFD模擬，對二沉池中發(fā)生的異常現(xiàn)象進行分析[18-20]，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致異?，F(xiàn)象的原因，進而提出有效的預(yù)防措施。

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院施漢昌教授帶領(lǐng)的科研團隊在我國較早將CFD引入廢水處理的多個領(lǐng)域，該課題組將CFD技術(shù)應(yīng)用于生物流化床、二沉池、氧化溝、膜生物反應(yīng)器等不同的水處理反應(yīng)器、處理單元以及城市給排水管網(wǎng)，取得了豐碩的科研成果，可以采用整個團隊的二沉池研究成果，初步介紹CFD的應(yīng)用進展。

2.1 CFD模型簡介

CFD中通常有兩種計算方法來處理多相流，即歐拉-歐拉法和歐拉-拉格朗日法[21]。在歐拉-歐拉法中，不同的相被處理成互相滲透的連續(xù)介質(zhì)；而在拉格朗日法中，離散相在拉格朗日坐標中模擬，通過跟蹤大量顆粒的軌跡對離散相模擬，僅適用于體積分數(shù)小于10%的情況。在二沉池中多采用歐拉歐拉法處理流動。

對于不可壓縮牛頓流體，二沉池中主要的控制方程可以寫作下式：

(2)

(3)

二沉池中的流動通常為湍流，一般采用標準的k-ε模型處理。其一般形式為：

??

(4)

2.2 二沉池的設(shè)計與優(yōu)化

范蘢等人[22,23]對二沉池進行了初步優(yōu)化設(shè)計，他們假設(shè)二沉池為圓柱形，活性污泥作為固相，認為它是剛性小球，污水作為液相，對池內(nèi)的固液兩相流動進行二維模擬。由于固液兩相的密度接近，液體和固體的流動沒有明顯差別。在二沉池底部，距離出水口下方不遠處加入擋板后，對二沉池內(nèi)的泥水分離效果產(chǎn)生了影響，一定程度上提高了出水水質(zhì)。

雖然這僅是對二沉池內(nèi)流體的初步模擬，但是，該研究對二沉池結(jié)構(gòu)設(shè)計提出新的思路和方向，在一定程度上證明了CFD在二沉池，乃至廢水處理研究上的巨大潛力，它不僅可以對已有反應(yīng)器或處理單元進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，還可以用于設(shè)計新型反應(yīng)器、開發(fā)新工藝。

2.3 二沉池內(nèi)泥水分離現(xiàn)象的解析

在二沉池優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)[22,23]上，課題組借助CFD模型和方法，進一步探討二沉池內(nèi)泥水分離現(xiàn)象，透過對現(xiàn)象的深入理解，進而指導(dǎo)泥水分離工藝操作，最終提高二沉池的出水水質(zhì)。

肖堯等[24]以某城市污水廠的輻流式二沉池展開研究。圖2為中心進水，周邊出水的典型輻流式二沉池，由于該類二沉池的軸對稱性，采用CFD軟件FLUENT在二維尺度下計算，利用歐拉模型得出了二沉池內(nèi)較詳細的流場分布。由結(jié)果可知，不僅在進水口附近有大漩渦，在整個流場中還存在若干個小漩渦，如圖2所示。出水口附近甚至?xí)霈F(xiàn)較大的流速，這些都會對二沉池內(nèi)的泥水分離效果產(chǎn)生負面的影響。

圖2 二沉池半剖面的液體流場

文獻[20]隨后采用離散相模型，在已有流場內(nèi)分析污泥顆粒的沉降軌跡，考察不同污泥顆粒的沉降情況。自進水口流入后，不同粒徑顆粒有著不同的軌跡，如圖3所示：大顆粒(d>150μm)的活性污泥在重力作用下，隨漩渦進入污泥漏斗從而快速離開二沉池；小粒徑活性污泥顆粒(d<100μm)受到流場內(nèi)部小漩渦的作用，被水流帶向出水口，隨出水一起運動，從而影響出水水質(zhì)；圖中粒徑為100μm的顆粒受到的影響較小，在池底沉降下來。

圖3 從10到250 μm不同直徑的顆粒在二沉池內(nèi)部的沉降軌跡

該文對池內(nèi)不同密度顆粒、漩渦的影響、已沉降顆粒的行為均分別進行了討論，認為在二沉池內(nèi)發(fā)生污泥膨脹、反硝化時，泥水混合物的性質(zhì)如粘度等發(fā)生了顯著變化，活性污泥密度差別更大，這是導(dǎo)致泥水分離效果急劇惡化、出水水質(zhì)下降的主要原因。因此，利用CFD對二沉池內(nèi)流體力學(xué)特性進行研究，可以幫助人們從流體運動的角度更好地了解異常現(xiàn)象發(fā)生的本質(zhì)原因，改進操作，避免負影響。

2.4 與活性污泥(Activated Sludge Model，ASM)模型的結(jié)合

對于廢水處理的生化反應(yīng)而言，ASM是較為常用的數(shù)學(xué)模型。將CFD應(yīng)用于廢水處理，不可避免的要與生物特性有所關(guān)聯(lián)；因此，CFD在廢水處理中的另一個應(yīng)用，就是將其模擬結(jié)果與生物反應(yīng)動力學(xué)模擬，如活性污泥模型的模擬，相結(jié)合。

肖堯等[25]首先利用生物反應(yīng)動力學(xué)模擬軟件WEST對二沉池內(nèi)的反硝化污泥上浮進行模擬：以一個排泥操作剛剛完成時刻作為初始狀態(tài)，對二沉池內(nèi)的泥層進行模擬，獲得泥層中氮氣濃度在一天內(nèi)的變化曲線，進而獲得過飽和度隨時間的變化關(guān)系。再將實驗觀察所得氣泡粒徑的變化，與模型結(jié)果相結(jié)合，擬合得到粒徑變化曲線，利用文章提出的污泥上浮模型，即可獲得發(fā)生污泥上浮的時間。

隨后，結(jié)合生物反應(yīng)動力學(xué)模擬的結(jié)果，開展了CFD模擬研究。將實驗獲得的污泥上浮速度用于CFD模擬中，研究上浮顆粒對出水的影響，發(fā)現(xiàn)在泥層處釋放的顆粒會有不同運動軌跡，有些會進入泥斗，有些重新沉降在池底，還有些顆粒則被帶入出水。發(fā)生上浮的帶氣顆粒中，58%的顆粒會被帶至出水，引起出水固體懸浮物(Suspended Solid，SS)濃度的增高，降低水質(zhì)。

另一方面由于含有大量氣泡，上浮污泥密度顯著降低，CFD模擬探討了泥層上浮對出水的影響，見圖4?；钚晕勰嘣?0min內(nèi)即上浮至池面，使得出水SS濃度發(fā)生急劇增加。在泥層發(fā)生上浮后不到10min，出水SS就增加了約2mg/L，出水SS超過了我國城鎮(zhèn)污水處理廠一級排放標準。泥層發(fā)生上浮后不到15min，出水SS已經(jīng)超過了二級排放標準30mg/L。

圖4 污泥層上浮后二沉池中固相濃度的分布

在實驗研究、生物反應(yīng)動力學(xué)模擬和CFD模擬的基礎(chǔ)上，研究者提出了一系列針對二沉池內(nèi)反硝化引起污泥上浮的解決方案和控制策略。

3 結(jié) 論

通過CFD在廢水處理單元—二沉池內(nèi)應(yīng)用的介紹，可以得出幾點啟發(fā)，推廣至其他領(lǐng)域或研究方向。

利用CFD進行結(jié)構(gòu)改進和設(shè)計優(yōu)化，通過計算機的CFD模擬，可以對很多涉及流體力學(xué)的結(jié)構(gòu)分析探討，大大降低了實際實驗的時間、經(jīng)濟成本和人力資源，因此CFD輔助設(shè)計在結(jié)構(gòu)優(yōu)化上具有明顯優(yōu)勢。

通過CFD模擬，可以得出反應(yīng)器、構(gòu)筑物或單元設(shè)備內(nèi)部的流體力學(xué)特性，流體力學(xué)特性往往決定了一臺(套)設(shè)備作用的發(fā)揮，對其操作、運行都有著重要影響，將流體力學(xué)特性與操作運行參數(shù)相結(jié)合，可以對設(shè)備(如反應(yīng)器)內(nèi)部的動量、熱量和質(zhì)量傳遞進行較深層次的分析，理解也會更透徹，對減少或避免某些不利現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高生產(chǎn)效率，發(fā)揮著不可或缺的作用。

CFD與其他數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，可以預(yù)期獲得更多更好的結(jié)果。世界上的事物都是相互關(guān)聯(lián)的，不能孤立、片面看待問題，同樣，處理工程問題時也需要將各方面因素綜合考慮，才能得出更好的結(jié)論；因此，我們在利用CFD模擬時，可以將它與物質(zhì)(或體系)本身特性相關(guān)聯(lián)，與熱力學(xué)、動力學(xué)等模型相結(jié)合，將CFD結(jié)果服務(wù)于其他模擬，其它模型的結(jié)果也可以提供給CFD使用，更好地服務(wù)于特定的研究目標。