微渦流絮凝工藝處理高濁水的數(shù)值模擬與響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

徐琪珂，戴紅玲*，趙國(guó)強(qiáng)，胡鋒平

1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院

2.華東交通大學(xué)土木工程國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心

我國(guó)是高濁水（濁度高于100 NTU 的地表水[1]）河流眾多的國(guó)家之一，最為典型的高濁水源水為長(zhǎng)江與黃河[2]，此外，我國(guó)也存在區(qū)域性和季節(jié)性高濁河流。江河取水的主要任務(wù)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(wú)法通過(guò)自絮凝作用獲得緊實(shí)絮體，導(dǎo)致細(xì)顆粒含量高，而細(xì)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?jīng)Q定著水處理效果，我國(guó)水處理水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，但常規(guī)水處理工藝的表現(xiàn)不盡如人意，于高濁水而言更是收效不佳，僅能通過(guò)投入大量藥劑來(lái)達(dá)到去除要求，且會(huì)造成藥劑浪費(fèi)，二次污染，污泥淤積，生物生態(tài)破壞等問(wèn)題。常規(guī)混凝處理高濁水的研究大多集中在混凝劑或助凝劑復(fù)配與改性[4]、攪拌時(shí)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(jìn)水流量（流速）、水力條件等方面研究較少。因此，常規(guī)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(shù)是將 ABS（acrylonitrile butadiene styrene）塑料制成的空心球體狀渦流反應(yīng)器[5]投加至常規(guī)絮凝池中產(chǎn)生微小渦旋，促進(jìn)高濁水內(nèi)部的懸浮顆粒碰撞、脫穩(wěn)、凝聚[6]，形成大而緊實(shí)的絮團(tuán)，提高絮凝效果。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）可直觀、準(zhǔn)確地反映絮凝反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)的變化，伏雨等[7]選取渦旋速度梯度和湍動(dòng)能作為絮凝評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)柵條絮凝池進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)實(shí)際工程中應(yīng)盡量避免1 000 μm 以上大粒徑絮凝體的出現(xiàn)；陳玉等[8]研究了渦旋速度梯度和能耗散率，結(jié)果表明穿孔旋流絮凝池最佳網(wǎng)格板層數(shù)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(duì)絮凝過(guò)程中絮凝形態(tài)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(shù)已成為流體動(dòng)力學(xué)和流態(tài)可視化研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[10-12]。響應(yīng)面分析法（RSM）可擬合各響應(yīng)因子與各響應(yīng)值間的函數(shù)關(guān)系[13]，獲取最優(yōu)參數(shù)，其與CFD 數(shù)值模擬相耦合的研究方法也廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域[14-16]。多項(xiàng)技術(shù)的聯(lián)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(shù)對(duì)高濁水進(jìn)行處理，借助CFD 數(shù)值模擬軟件對(duì)不同流量（流速）條件下絮凝區(qū)的流場(chǎng)及參數(shù)進(jìn)行分析與研究，并通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)流量、混凝劑投加量及回流比進(jìn)行優(yōu)化，確定適于處理高濁水的微渦流絮凝工藝參數(shù)，以期為高濁水處理技術(shù)的應(yīng)用改造提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)水樣

試驗(yàn)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(biāo)如表1 所示。混凝劑為聚合氯化鋁（PAC）。

表1 配水水質(zhì)Table 1 Distributed water quality

1.2 試驗(yàn)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(shí)物和結(jié)構(gòu)如圖1 所示。CFD 數(shù)值模擬所選區(qū)域?yàn)槌吻宄匦跄齾^(qū)，響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)來(lái)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(shè)有回流設(shè)備，回流比為回流流量（管流量減進(jìn)水流量）與進(jìn)水流量的比值，試驗(yàn)設(shè)定為0.5～1.5。絮凝區(qū)第一反應(yīng)室中按照最佳投配比例[17]放置了不同型號(hào)和數(shù)量的渦流反應(yīng)器，如圖2所示，2 種反應(yīng)器球體直徑均為200 mm。其中HJTM-1 反應(yīng)器開孔直徑為25 mm，總開孔數(shù)為114，開孔率為45%；HJTM-2 反應(yīng)器開孔直徑為35 mm，總開孔數(shù)為78，開孔率為60%。

圖2 渦流反應(yīng)器Fig.2 vortex reactor

1.3 CFD 數(shù)值模擬

1.3.1微渦流絮凝區(qū)模型

采用混合網(wǎng)格三維計(jì)算模型，模型周圍進(jìn)行局部加密，設(shè)置邊界條件以及流體區(qū)域。渦流澄清池及渦流反應(yīng)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(yùn)動(dòng)黏度（ν）為1.006 7×10-6m2/s，水力直徑為0.06 m，動(dòng)力黏性系數(shù)（μ）為1.008 5×10-3kg/ms。其余進(jìn)口參數(shù)見表2，評(píng)價(jià)指標(biāo)見表3，邊界條件和求解方法如表4 所示。

表2 Fluent 數(shù)值模擬工況的進(jìn)口參數(shù)Table 2 Inlet parameters of Fluent numerical simulation conditions

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)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(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用Box-Behnken 方法，以流量（X1）、混凝劑投加量（X2）、回流比（X3）為響應(yīng)因子，以濁度（Y1）、CODMn（Y2）及UV254去除率（Y3）為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)三因素三水平優(yōu)化試驗(yàn)，具體參數(shù)見表5。

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

2 結(jié)果與討論

2.1 CFD 數(shù)值模擬

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

圖4 為絮凝區(qū)縱斷面的速度矢量圖，反映了絮凝區(qū)內(nèi)液流走向和速度分布的情況。液流在上升過(guò)程中會(huì)在渦流反應(yīng)器壁面產(chǎn)生繞流，而在離開壁面時(shí)邊界層分離形成漩渦，從而促進(jìn)顆粒擴(kuò)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(guān)，小流量下，流速小，絮凝時(shí)間長(zhǎng)，液流以繞流為主，無(wú)法卷起底泥，易形成死水區(qū)；流量較大時(shí)，流速大，絮凝時(shí)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(fā)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(qū)入口速度較小，泥渣回流緩慢，因此，在處理高濁水時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加進(jìn)水流量，使污染物顆粒能在合適的混合強(qiáng)度下發(fā)生充分的絮凝。

圖4 不同流量（流速）下絮凝反應(yīng)區(qū)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(dòng)能分布情況，可以直觀地表現(xiàn)湍動(dòng)能在池體中輸入、轉(zhuǎn)移和耗散的情況。從圖5 可以看出，隨著流速增大，絮凝時(shí)間縮短，黃色區(qū)域部分顏色加深，影響范圍逐漸加大，即湍動(dòng)能也隨之增大。投加混凝劑使池體增加多個(gè)絮凝單元，同一高度下各個(gè)單元湍動(dòng)能分配均勻，絮體尺寸和強(qiáng)度相似，而反應(yīng)器表面的湍動(dòng)能明顯大于其內(nèi)部湍動(dòng)能的原因在于反應(yīng)器表面形成的渦旋提高了水流動(dòng)能利用率。

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

圖6 為絮凝區(qū)的有效能耗，其表示由黏性耗散使渦旋傳遞分解產(chǎn)生的能量分布。湍動(dòng)能越大，水流的黏性越大，因而有效能耗也越大，故湍動(dòng)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(dòng)能和有效能耗變化越顯著，水流沖擊動(dòng)能越大，水流擾動(dòng)作用越強(qiáng)。流量增大的同時(shí)，在水流黏性一定的情況下，湍動(dòng)能和能耗均呈增大趨勢(shì)（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(qū)湍動(dòng)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的絮凝時(shí)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(yīng)面優(yōu)化

2.2.1響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)Design-Expert 軟件設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案，選取17 組有效工況，找出處理效果最好的3 個(gè)因素水平，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及中試試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)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(jī)物濃度也進(jìn)一步升高。由表6 可知，微渦流絮凝對(duì)高濁水中濁度和有機(jī)物去除效果良好，有幾點(diǎn)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(jī)物濃度的原水可更快形成密實(shí)的絮體，使得出水指標(biāo)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(biāo)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(tuán)，通過(guò)沉淀作用得到去除，進(jìn)一步提升污染物的去除效果。2）投入渦流反應(yīng)器可增加水中微、小渦流，利于混凝劑的擴(kuò)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(yīng)器內(nèi)部空間可產(chǎn)生立體接觸絮凝，形成的絮體具有吸附功能，可對(duì)有機(jī)物去除產(chǎn)生協(xié)同作用。

2.2.2二次回歸模型分析

經(jīng)RSM 軟件分析擬合各項(xiàng)數(shù)據(jù)得到下列二次回歸模擬方程，方程顯著性檢驗(yàn)見表7。

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

由表7 可知，Y1、Y2、Y3相關(guān)系數(shù)分別為0.953 3、0.961 7、0.939 6，說(shuō)明模型的擬合誤差??；校正后相關(guān)系數(shù)分別為0.893 2、0.912 5、0.861 9，說(shuō)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(shí)度高；模型失擬項(xiàng)和顯著性檢驗(yàn)均表明3 個(gè)模型模擬精準(zhǔn)、可信度高。

2.2.3交互作用分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)RSM 分析獲得各交互因素對(duì)高濁水中濁度、CODMn和UV254去除率的響應(yīng)面，如圖8 所示。

圖8 各因素對(duì)濁度、UV254、CODMn 去除率的交互作用響應(yīng)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(duì)響應(yīng)值的影響與曲面坡度呈正相關(guān)[18]。結(jié)合圖8 發(fā)現(xiàn)，響應(yīng)面形狀均呈上凸?fàn)钋揖哂幸欢ㄆ露?，濁度、UV254、CODMn去除率均呈先增加后減少的趨勢(shì)，每個(gè)變量都存在1 個(gè)最優(yōu)值，此時(shí)污染物去除率達(dá)到最高，顯著性排序?yàn)榛亓鞅龋净炷齽┩都恿浚玖髁?。就混凝劑投加量而言，高濁水中懸浮顆粒數(shù)量多、粒徑大，有效能耗和水力損失大，在此狀態(tài)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(duì)較弱是因?yàn)橄啾绕鹌渌蛩?，吸附架橋、網(wǎng)捕與卷掃作用系高濁水處理的決定性因素，而紊流強(qiáng)度并非最重要的；回流比的作用在于回流部分絮體的同時(shí)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(jìn)入絮凝區(qū)反應(yīng)從而更加穩(wěn)定，而高濁水中的顆粒數(shù)基本滿足最佳絮凝效果條件，所需回流少，回流比過(guò)大會(huì)阻礙新進(jìn)入絮凝區(qū)的顆粒凝聚，從而影響絮凝效果。因此，恰當(dāng)?shù)幕亓鞅扔欣谛跄齽┰俅卫?，同時(shí)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(qū)域內(nèi)的等高線可判定各因素之間交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，橢圓越標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)響應(yīng)因子區(qū)間內(nèi)的峰值[20]，在最佳運(yùn)行參數(shù)下，表現(xiàn)為濁度去除率＞UV254去除率＞CODMn去除率。

各因素間的協(xié)同作用使得高濁水有較好的去除效果，渦流反應(yīng)器的投加增加了流態(tài)的復(fù)雜性及進(jìn)水動(dòng)能的利用率，合適的流量（流速）與回流量有利于混凝劑的擴(kuò)散和絮體的成形，也進(jìn)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(shí)減少污泥產(chǎn)量和混凝劑過(guò)量投加所造成的二次污染問(wèn)題，而高濁水中的顆粒經(jīng)過(guò)絮凝反應(yīng)所形成的絮團(tuán)又可通過(guò)吸附電中和作用，吸附溶解性或小分子有機(jī)物，水流的改變也增加了水中有機(jī)物與絮凝體的碰撞概率，使有機(jī)物去除率得到提升。

通過(guò)多項(xiàng)式方程的極值求解，得出微渦流絮凝對(duì)高濁水中濁度、UV254、CODMn去除的最優(yōu)反應(yīng)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(yù)測(cè)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(jié)果優(yōu)化

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型可靠性及預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)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(fù)3 次驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果見圖9。從圖9 可以看出，此時(shí)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(yù)測(cè)值接近且誤差在可接受范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該模型對(duì)于高濁水處理試驗(yàn)中相應(yīng)因子（流量、混凝劑投加量、回流比）預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，也進(jìn)一步證實(shí)了CFD 技術(shù)與REM 方法二者結(jié)合的可行性與有效性。

圖9 最優(yōu)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(jié)論

（1）湍動(dòng)能、有效能耗及G均與流量（流速）呈正相關(guān)，但流量（流速）過(guò)大會(huì)導(dǎo)致絮凝時(shí)間過(guò)短，使得反應(yīng)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(yàn)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(xiàng)式模型，中試結(jié)果與各軟件的模擬預(yù)測(cè)值相近，擬合性良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了CFD 與Kolmogorov 渦旋理論及RSM 技術(shù)結(jié)合的可行性，微渦流絮凝工藝處理高濁水試驗(yàn)中各響應(yīng)因子的影響為回流比＞混凝劑投加量＞流量，最佳參數(shù)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(shí)對(duì)高濁水中濁度、UV254、CODMn去除率分別達(dá)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(zhì)，在去除濁度和有機(jī)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(wèn)題，可以獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。