基于CFD技术的臭氧给水处理工艺研究进展

亓华

（新泰市自来水有限公司 山东新泰 271299）

在人口不断增加、社会经济发展速度不断加快的背景下，城市化进程快速推进，随之而来的是愈发严重的水源、水环境污染问题。全国包含珠江水系、淮河水系、长江水系、辽河水系、海河水系、黄河水系在内的水系中的污染物种类和数量不断增加，河口淤积严重，因此，常规水处理工艺已无法满足安全卫生饮用水处理要求。大量科学实验和应用实践证明，臭氧预氧化工艺具有较为突出的除污染效能，将CFD 技术应用于臭氧给水处理工艺中，有望提高给水处理质量。因此，探究基于CFD技术的臭氧给水处理工艺的研究进展与应用现状具有非常重要的意义。

1 CFD技术概述

CFD 技术（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）是一种通过求解关于流体流动微分方程（守恒控制偏微分方程组）的数值，获得连续区域上流体流动离散分布状态，完成流体流动状态近似模拟的方法。CFD 技术将流体力学、数值分析、热学、计算机科学进行了有机整合，适应性强，应用面广，可以在泵站工程等多个领域应用。例如，王照福、白光辉、刘毅杰在2021年发表于《水电能源科学》的《基于CFD技术的黄坛口水电站机组提效增容改造》一文中，立足黄坛口水电站机组出力不足问题，聚焦水轮机出力因素，将CFD技术与有限元FEA 分析技术进行了无缝衔接，完成了转轮水力优化，获得了强度、刚度足够且效率高、质量佳的转轮［1］；谈亚丽、李啸、张小龙等在2021年发表于《食品安全导刊》的《基于CFD 技术优化50L 发酵罐空气分布器实现马克斯克鲁维酵母高密度发酵》一文中，以50L 反应器内空气分布器为对象，通过计算其流场特性，将原有单管式空气分布器优化成双层圆环形构造，在解决高密度发酵阶段好氧型微生物溶氧限制问题的同时，有效改善了反应器供养性能和发酵液传质效率［2］。

2 臭氧给水处理工艺分析

臭氧给水处理工艺在我国部分地区得到了有效的应用，也吸引了大批专家学者关注。当前，关于臭氧给水处理工艺的研究主要聚焦在基于臭氧隔板式接触池的运行效率分析及臭氧给水处理工艺的组合应用。例如，殷祺在2020年发表于《净水技术》的《恒水位控制消除预臭氧接触池及配水井漩涡》中提出，臭氧接触池的设计不单单关乎臭氧灭菌消毒、利用率、臭氧氧化效果，而且涉及经济成本，加之臭氧本身具有强氧化性，一旦池型设计不当或者呼吸阀调控不佳，就会引发尾气破坏，甚至对池体、厂区环境安全造成威胁［3］。基于此，可以根据预臭氧工艺、沉淀池产生气浮现象之间的关系，在明确浮渣产生与臭氧投加量无关而与出水管口位置不规则、不连续旋涡有关的基础上，利用恒水位控制方式代替传统旋涡消除装置，有效去除预臭氧接触池、配水井内出现的旋涡，降低后续沉淀池内气浮现象出现概率。另外，刘文琛、周伟伟、成小翔等学者在2020年发表于《中国给水排水》的《臭氧组合技术对给水处理低压膜污染控制研究进展》中，针对基于微滤、超滤的低压膜饮用水过滤处理技术引发的膜污染问题，研究了臭氧催化氧化、臭氧/吸附、臭氧/双氧水、臭氧/混凝技术的应用，得出臭氧给水处理技术不仅可以有效去除饮用水中天然有机物，而且可以缓解膜污染问题［4］。

3 基于CFD技术的臭氧给水处理工艺研究进展

3.1 以CFD 技术进行臭氧接触池中流场的表征和建模

基于CFD 技术的臭氧给水处理工艺研究过程中，以CFD 技术进行臭氧接触池中流场的表征非常必要。在基于CFD 技术的臭氧接触池中流场表征前，需要选择精度高、准确度高的CFD 湍流模型。在近几年计算机流体数值模拟技术发展与应用范围扩展过程中，CFD 湍流模型不断完善，以k-ε模型为代表的湍流模型得到了大面积的研究与应用。例如，李青云在2020年发表于《当代化工》的《基于CFD 的小型反应釜中不同湍流模型数值模拟比较》中，以单层四叶搅拌桨小型搅拌釜为对象，利用CFD 数值模拟方法进行了标准k-ε模型、SST（Shear-Srtess Transport）k-ε模型和RNGk-ε模型、RANS（Reynolds 平均方法）模型的筛选［5］。在筛选过程中，其提出了以下基本假设：（1）在反应器内部，气相、液相体积比的相加值为恒定值，均为1；（2）在反应器内部，液相、气相符合连续性方程要求，不间断存在；（3）在模型网格内，液相、气相的运动与动量守恒定律相符；（4）在臭氧曝气时，产生的气泡尺寸始终不变，形状始终为球形，不受水压的影响。在假设提出之后，研究者立足NS 基本流动方程（Navier-Stokes），进行系统平均后，在获得的湍流平均量方程内，进行了湍流大尺度运动三维非定常模拟，得到了准确度较高的小型搅拌釜流场以及压力场、速度场、线速度分布、湍流强度分布结果，证实了CFD技术在流程表征中的适用性，并得出SSTk-ε模型相较于LES 模型（Large Eddy Simulation），可以在臭氧接触池死水区域进行高精度模拟，但在回流区域模拟误差较大，表明SSTk-ε模型在模拟液相、气相传质与回流现象中存在不足。同时，借助莫里斯筛选方法分析SST模型常数，得出对计算结果影响较为显著的参数，通过优化关键参数，可以达到降低模拟误差、提高优化参数适用性的效果。

3.2 以CFD技术模拟优化接触池的运行参数和结构

3.2.1 运行参数

对于臭氧接触池来说，运行参数的优化至关重要，而参数优化与原参数下接触池水力效率直接相关，需要通过直观评价原参数下臭氧接触池水力效率，根据评价值，进行接触池参数的优化模拟。以往常用的臭氧接触池水力效率评价指标为T10/HRT、RTD 分布曲线、CT值等。其中，T10/HRT特指将示踪剂加入臭氧接触池入口后10%示踪剂的流出时间、示踪剂平均水力停留时间的比值，理想推流下，这一比值为1。这一指标较为常用，但仅考虑了水力指标，未考虑臭氧接触池内臭氧氧化效率，加之臭氧接触池内流体流动状态并不是完全的推流，还存在死水区、回流区，最终出现的评价结果会出现低估值。而RTD 分布曲线特指累积液龄分布函数曲线，具体表示为流过系统物质粒子停留时间小于标准时间物质粒子占据总停留时间的百分率，易受模型网格密度干扰。CT值特指以数值表示的水中臭氧浓度对臭氧氧化作用时长积分。在臭氧接触池实际运行过程中，CT 值的计算涉及了臭氧衰减、臭氧接触池内臭氧浓度变化等因素，现有EPA（美国环保局）推荐的简化计算方法无法获得准确的臭氧素质，加之臭氧接触池内臭氧的浓度处于降低状态，最终计算的臭氧值也易被低估。因此，CFD 技术就为臭氧接触池水力效率模拟提供了有效的指标。

例如，陶昱明、周冰洁、耿冰等在2021年发表于《净水技术》的《臭氧—上向流生物活性炭工艺运行参数的优化》中，以典型含氮消毒副产物N-DBPs（二氯乙腈与二氯乙酰胺前体物）的去除为出发点，在考虑溶解性有机碳、浑浊度、溶解性有机氮、高锰酸盐指数等指标的前提下，建立了Spalart-Allmaras湍流模型方程［6］，并以正交试验的方式，调整了臭氧投加量、反冲洗时间、反冲洗周期、上升流速参数，对比了不同迎角下局部最优大范围最佳工艺参数。进而利用拉格朗日插值函数法，建立了春季、秋季、夏季、冬季不同季节与臭氧投加量、最佳上升流速、接触池反冲洗周期之间函数关系，在验证局部最优闭合常数对数值模拟影响的同时，得到了春、夏、秋、冬4 个季节臭氧接触池最佳运行参数。例如，在春季，最佳臭氧投加量为1.2mg/L，最佳上升流速与反冲洗周期分别为9m/h、11d。

除水力效率外，臭氧接触池运行参数还包括气泡尺寸变化、死水区体积占比、进口形状、池体高宽比、时间长度间隔等。虽然基于CFD技术的臭氧接触池二维模拟法可以在一定程度上计算臭氧接触池参数，但是，现有基于CFD 的二维模拟偏向于水流模拟，模拟对象为单一液相，未考虑气相与液相传质、气泡尺寸等存在相互影响的因素，加之臭氧接触池内臭氧现实氧化环节包括多种类型的元素，相关元素之间存在复杂的化学反应，单纯的二维模拟无法得到完整的臭氧氧化化学反应机制，对臭氧接触池内有机物降解原理也造成了一定影响。因此，在后续基于CFD 技术的臭氧接触池运行参数分析时，应围绕臭氧接触池内湍流与化学反应相互作用，加入气泡尺寸、气相与液相传质等存在相互影响的因子，为臭氧接触池运行参数优化提供依据。

3.2.2 结构

在臭氧给水处理工艺中，应用频率较高的臭氧接触池类型为隔板式臭氧接触池，隔板式臭氧接触池因本身结构特点，导致回流区、死水区大量存在，对接触池运行效率及接触池内部气相、液相传质造成了较大干扰，也间接制约了臭氧接触池内部有机物去除、颜色脱除、臭味去除。此时，进行臭氧接触池结构的优化就非常必要。臭氧接触池结构的优化本质上是促使臭氧接触池内流体流动状态与推流最大限度接近。推流即污水混合液从臭氧接触池的一端流入，并在后续水流的推动下沿着臭氧接触池长度方向流动到臭氧接触池的另外一端，直到流出臭氧接触池。推流是一种气相、液相充分传质的状态，传统隔板式臭氧接触池无法满足推流的要求。因此，在考虑彻底更改臭氧接触池经济成本损耗的情况下，可以将CFD 模拟与水厂实测、中试进行结合，深入探究影响臭氧接触池内流体流动状态接近推流的因素。根据臭氧接触池在给水处理中的功能，结合给水处理时污染物去除达到国家污水排放标准要求，优化臭氧催化氧化结构，规划科学性高、合理性佳的臭氧催化氧化工艺流程路线，促使臭氧催化氧化加速，实现难降解物质的快速转速，并降低生物毒性。

例如，陈翔宇在《基于CFD的臭氧接触池结构优化及臭氧化过程的模拟》中，根据臭氧接触池封闭特点，利用CFD技术对臭氧接触池内流态进行了模拟，同时，以数值分析的方式获得了臭氧接触池内衰减及其液相浓度分布、臭氧气相与液相传质情况［7］，并在三维表征臭氧接触池内水体流动状态的基础上，对臭氧接触池内回流、死水区问题进行了分析，获得了4 种网格设置、2 种双挡板、1 种格栅设置等臭氧接触池池体结构优化方案。在方案得出后，研究者借助自制水力实验模型，以示踪剂的方式，得到了CFD 模型原池型、优化后液龄分布函数曲线，验证了基于CFD 技术优化臭氧接触池结构的可行性，得出利用CFD 技术优化臭氧接触池结构，可以同步提升臭氧接触池内水力效率、臭氧氧化效率，促使臭氧接触池内液相与气相传质无限接近于推流。

4 结语

综上所述，在计算机运算能力持续增强的背景下，CFD 技术在臭氧给水处理工艺中的研究也不断深入。当前，关于臭氧给水处理工艺的研究主要集中于臭氧接触池结构优化及臭氧组合给水处理工艺的应用上。CFD 技术主要应用于臭氧接触池结构优化，可以通过建模与数值模拟的方式，得出臭氧接触池水力效率，规划更佳的臭氧接触池结构与运行参数，为臭氧接触池内死水区、回流区问题的解决提供依据。后续CFD 技术可应用于臭氧接触池的三维模拟，解决二维模拟存在的结果准确度不足问题，为臭氧给水处理工艺的有效应用提供支持。