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(jīng)濟發(fā)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(fā)嚴重的水源、水環(huán)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(nèi)的水系中的污染物種類和數(shù)量不斷增加，河口淤積嚴重，因此，常規(guī)水處理工藝已無法滿足安全衛(wèi)生飲用水處理要求。大量科學(xué)實驗和應(yīng)用實踐證明，臭氧預(yù)氧化工藝具有較為突出的除污染效能，將CFD 技術(shù)應(yīng)用于臭氧給水處理工藝中，有望提高給水處理質(zhì)量。因此，探究基于CFD技術(shù)的臭氧給水處理工藝的研究進展與應(yīng)用現(xiàn)狀具有非常重要的意義。

1 CFD技術(shù)概述

CFD 技術(shù)（Computational Fluid Dynamics，計算流體力學(xué)）是一種通過求解關(guān)于流體流動微分方程（守恒控制偏微分方程組）的數(shù)值，獲得連續(xù)區(qū)域上流體流動離散分布狀態(tài)，完成流體流動狀態(tài)近似模擬的方法。CFD 技術(shù)將流體力學(xué)、數(shù)值分析、熱學(xué)、計算機科學(xué)進行了有機整合，適應(yīng)性強，應(yīng)用面廣，可以在泵站工程等多個領(lǐng)域應(yīng)用。例如，王照福、白光輝、劉毅杰在2021年發(fā)表于《水電能源科學(xué)》的《基于CFD技術(shù)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(shù)與有限元FEA 分析技術(shù)進行了無縫銜接，完成了轉(zhuǎn)輪水力優(yōu)化，獲得了強度、剛度足夠且效率高、質(zhì)量佳的轉(zhuǎn)輪［1］；談亞麗、李嘯、張小龍等在2021年發(fā)表于《食品安全導(dǎo)刊》的《基于CFD 技術(shù)優(yōu)化50L 發(fā)酵罐空氣分布器實現(xiàn)馬克斯克魯維酵母高密度發(fā)酵》一文中，以50L 反應(yīng)器內(nèi)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(yōu)化成雙層圓環(huán)形構(gòu)造，在解決高密度發(fā)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(yīng)器供養(yǎng)性能和發(fā)酵液傳質(zhì)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(qū)得到了有效的應(yīng)用，也吸引了大批專家學(xué)者關(guān)注。當前，關(guān)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(yīng)用。例如，殷祺在2020年發(fā)表于《凈水技術(shù)》的《恒水位控制消除預(yù)臭氧接觸池及配水井漩渦》中提出，臭氧接觸池的設(shè)計不單單關(guān)乎臭氧滅菌消毒、利用率、臭氧氧化效果，而且涉及經(jīng)濟成本，加之臭氧本身具有強氧化性，一旦池型設(shè)計不當或者呼吸閥調(diào)控不佳，就會引發(fā)尾氣破壞，甚至對池體、廠區(qū)環(huán)境安全造成威脅［3］?；诖?，可以根據(jù)預(yù)臭氧工藝、沉淀池產(chǎn)生氣浮現(xiàn)象之間的關(guān)系，在明確浮渣產(chǎn)生與臭氧投加量無關(guān)而與出水管口位置不規(guī)則、不連續(xù)旋渦有關(guān)的基礎(chǔ)上，利用恒水位控制方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)旋渦消除裝置，有效去除預(yù)臭氧接觸池、配水井內(nèi)出現(xiàn)的旋渦，降低后續(xù)沉淀池內(nèi)氣浮現(xiàn)象出現(xiàn)概率。另外，劉文琛、周偉偉、成小翔等學(xué)者在2020年發(fā)表于《中國給水排水》的《臭氧組合技術(shù)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(shù)引發(fā)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(shù)的應(yīng)用，得出臭氧給水處理技術(shù)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(shù)的臭氧給水處理工藝研究進展

3.1 以CFD 技術(shù)進行臭氧接觸池中流場的表征和建模

基于CFD 技術(shù)的臭氧給水處理工藝研究過程中，以CFD 技術(shù)進行臭氧接觸池中流場的表征非常必要。在基于CFD 技術(shù)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(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展與應(yīng)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(yīng)用。例如，李青云在2020年發(fā)表于《當代化工》的《基于CFD 的小型反應(yīng)釜中不同湍流模型數(shù)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(shù)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(shè)：（1）在反應(yīng)器內(nèi)部，氣相、液相體積比的相加值為恒定值，均為1；（2）在反應(yīng)器內(nèi)部，液相、氣相符合連續(xù)性方程要求，不間斷存在；（3）在模型網(wǎng)格內(nèi)，液相、氣相的運動與動量守恒定律相符；（4）在臭氧曝氣時，產(chǎn)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(shè)提出之后，研究者立足NS 基本流動方程（Navier-Stokes），進行系統(tǒng)平均后，在獲得的湍流平均量方程內(nèi)，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(jié)果，證實了CFD技術(shù)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(qū)域進行高精度模擬，但在回流區(qū)域模擬誤差較大，表明SSTk-ε模型在模擬液相、氣相傳質(zhì)與回流現(xiàn)象中存在不足。同時，借助莫里斯篩選方法分析SST模型常數(shù)，得出對計算結(jié)果影響較為顯著的參數(shù)，通過優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)，可以達到降低模擬誤差、提高優(yōu)化參數(shù)適用性的效果。

3.2 以CFD技術(shù)模擬優(yōu)化接觸池的運行參數(shù)和結(jié)構(gòu)

3.2.1 運行參數(shù)

對于臭氧接觸池來說，運行參數(shù)的優(yōu)化至關(guān)重要，而參數(shù)優(yōu)化與原參數(shù)下接觸池水力效率直接相關(guān)，需要通過直觀評價原參數(shù)下臭氧接觸池水力效率，根據(jù)評價值，進行接觸池參數(shù)的優(yōu)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(nèi)臭氧氧化效率，加之臭氧接觸池內(nèi)流體流動狀態(tài)并不是完全的推流，還存在死水區(qū)、回流區(qū)，最終出現(xiàn)的評價結(jié)果會出現(xiàn)低估值。而RTD 分布曲線特指累積液齡分布函數(shù)曲線，具體表示為流過系統(tǒng)物質(zhì)粒子停留時間小于標準時間物質(zhì)粒子占據(jù)總停留時間的百分率，易受模型網(wǎng)格密度干擾。CT值特指以數(shù)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(nèi)臭氧濃度變化等因素，現(xiàn)有EPA（美國環(huán)保局）推薦的簡化計算方法無法獲得準確的臭氧素質(zhì)，加之臭氧接觸池內(nèi)臭氧的濃度處于降低狀態(tài)，最終計算的臭氧值也易被低估。因此，CFD 技術(shù)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(fā)表于《凈水技術(shù)》的《臭氧—上向流生物活性炭工藝運行參數(shù)的優(yōu)化》中，以典型含氮消毒副產(chǎn)物N-DBPs（二氯乙腈與二氯乙酰胺前體物）的去除為出發(fā)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(shù)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(diào)整了臭氧投加量、反沖洗時間、反沖洗周期、上升流速參數(shù)，對比了不同迎角下局部最優(yōu)大范圍最佳工藝參數(shù)。進而利用拉格朗日插值函數(shù)法，建立了春季、秋季、夏季、冬季不同季節(jié)與臭氧投加量、最佳上升流速、接觸池反沖洗周期之間函數(shù)關(guān)系，在驗證局部最優(yōu)閉合常數(shù)對數(shù)值模擬影響的同時，得到了春、夏、秋、冬4 個季節(jié)臭氧接觸池最佳運行參數(shù)。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(shù)還包括氣泡尺寸變化、死水區(qū)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(shù)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(shù)，但是，現(xiàn)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(zhì)、氣泡尺寸等存在相互影響的因素，加之臭氧接觸池內(nèi)臭氧現(xiàn)實氧化環(huán)節(jié)包括多種類型的元素，相關(guān)元素之間存在復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，單純的二維模擬無法得到完整的臭氧氧化化學(xué)反應(yīng)機制，對臭氧接觸池內(nèi)有機物降解原理也造成了一定影響。因此，在后續(xù)基于CFD 技術(shù)的臭氧接觸池運行參數(shù)分析時，應(yīng)圍繞臭氧接觸池內(nèi)湍流與化學(xué)反應(yīng)相互作用，加入氣泡尺寸、氣相與液相傳質(zhì)等存在相互影響的因子，為臭氧接觸池運行參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

3.2.2 結(jié)構(gòu)

在臭氧給水處理工藝中，應(yīng)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(jié)構(gòu)特點，導(dǎo)致回流區(qū)、死水區(qū)大量存在，對接觸池運行效率及接觸池內(nèi)部氣相、液相傳質(zhì)造成了較大干擾，也間接制約了臭氧接觸池內(nèi)部有機物去除、顏色脫除、臭味去除。此時，進行臭氧接觸池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化就非常必要。臭氧接觸池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化本質(zhì)上是促使臭氧接觸池內(nèi)流體流動狀態(tài)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(xù)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(zhì)的狀態(tài)，傳統(tǒng)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(jīng)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(jié)合，深入探究影響臭氧接觸池內(nèi)流體流動狀態(tài)接近推流的因素。根據(jù)臭氧接觸池在給水處理中的功能，結(jié)合給水處理時污染物去除達到國家污水排放標準要求，優(yōu)化臭氧催化氧化結(jié)構(gòu)，規(guī)劃科學(xué)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(xiàn)難降解物質(zhì)的快速轉(zhuǎn)速，并降低生物毒性。

例如，陳翔宇在《基于CFD的臭氧接觸池結(jié)構(gòu)優(yōu)化及臭氧化過程的模擬》中，根據(jù)臭氧接觸池封閉特點，利用CFD技術(shù)對臭氧接觸池內(nèi)流態(tài)進行了模擬，同時，以數(shù)值分析的方式獲得了臭氧接觸池內(nèi)衰減及其液相濃度分布、臭氧氣相與液相傳質(zhì)情況［7］，并在三維表征臭氧接觸池內(nèi)水體流動狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對臭氧接觸池內(nèi)回流、死水區(qū)問題進行了分析，獲得了4 種網(wǎng)格設(shè)置、2 種雙擋板、1 種格柵設(shè)置等臭氧接觸池池體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。在方案得出后，研究者借助自制水力實驗?zāi)Ｐ?，以示蹤劑的方式，得到了CFD 模型原池型、優(yōu)化后液齡分布函數(shù)曲線，驗證了基于CFD 技術(shù)優(yōu)化臭氧接觸池結(jié)構(gòu)的可行性，得出利用CFD 技術(shù)優(yōu)化臭氧接觸池結(jié)構(gòu)，可以同步提升臭氧接觸池內(nèi)水力效率、臭氧氧化效率，促使臭氧接觸池內(nèi)液相與氣相傳質(zhì)無限接近于推流。

4 結(jié)語

綜上所述，在計算機運算能力持續(xù)增強的背景下，CFD 技術(shù)在臭氧給水處理工藝中的研究也不斷深入。當前，關(guān)于臭氧給水處理工藝的研究主要集中于臭氧接觸池結(jié)構(gòu)優(yōu)化及臭氧組合給水處理工藝的應(yīng)用上。CFD 技術(shù)主要應(yīng)用于臭氧接觸池結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以通過建模與數(shù)值模擬的方式，得出臭氧接觸池水力效率，規(guī)劃更佳的臭氧接觸池結(jié)構(gòu)與運行參數(shù)，為臭氧接觸池內(nèi)死水區(qū)、回流區(qū)問題的解決提供依據(jù)。后續(xù)CFD 技術(shù)可應(yīng)用于臭氧接觸池的三維模擬，解決二維模擬存在的結(jié)果準確度不足問題，為臭氧給水處理工藝的有效應(yīng)用提供支持。