基于CFD技术的臭氧给水处理工艺研究进展

陈翔宇， 姚娟娟， 王庆涛， 刘 存

(重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室， 重庆 400045)

现今，由于水环境的恶化，加剧了用水需求与水源污染的矛盾，使水资源问题成为制约经济发展和人民生活水平改善的环境问题之一[1]。人工合成的有机物是水体有机污染的主要成分，在环境中不易被去除，对人体健康和水环境均构成了严重威胁。目前，常规的给水处理工艺难以去除水体中的痕量有机污染物，因此迫切需要对水源水进行深度处理。臭氧处理以其对水中有机物的高效去除以及良好的气味控制而在给水处理中越发受到重视[2]。作为一种新兴的水处理研究方法，计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)已经较多地被应用于臭氧工艺的优化与研究当中。本文对CFD技术在臭氧水处理工艺的研究与应用进行了总结。

1 臭氧给水处理工艺与CFD简介

臭氧处理工艺在传入我国后取得了良好的给水处理效果。臭氧工艺的主要反应器为臭氧接触池，目前全国已建及在建具有臭氧工艺的水厂共75个，大部分集中在东南沿海地区[3]，现今国内外的常用池型为隔板式接触池。然而它在运行时往往存在相当大体积的回流区与死水区，极大影响了运行效率。而且因池体封闭及臭氧的毒性，目前对池内的化学反应及有机物降解状况缺少详细的了解。因此，如何提高运行效率以及深入探索池内的化学反应机理成为目前国际上臭氧工艺研究的一个重点[4]。

CFD是利用计算机的数值计算和图像显示，对包含流体流动等的相关物理系统所做的分析。目前，CFD已经越来越多地被应用于给水处理的研究，许多由于条件限制而无法进行实验的难题因而得到解决，并且节省了大量的实验费用[5-7]。由于它与实际工程的高度贴合性及优良的经济效益，近十几年CFD技术也不断地被国内外研究者应用于对臭氧接触池的研究之中[8]。

2 CFD对臭氧接触池内流场的表征与建模

2.1 湍流模型的选取与建立

建立精确的CFD模型是研究成功的必要前提。CFD技术发展至今，已经基本发展出了完善的湍流模型，而应用最广泛的是k-ε模型[9]。在现有的湍流模拟中，为方便研究，包含了如下基本假设：(1)反应器内各相连续，均符合连续性方程；(2)反应器内气液两相体积比之和恒为1；(3)臭氧曝气时所产生气泡为球形且尺寸恒定，水压对气泡的影响不计；(4)各相在模型网格内的运动均遵守动量守恒定律等。发展较为完备的数值模拟法有Reynolds平均方法(RANS)、大涡模拟(LES)和直接数值模拟(DNS)3种。RANS法通过对Navier-Stokes(N-S)基本流动方程进行系统平均后得到湍流平均量方程，目前使用最为广泛。k-ε模型即为RANS的子模型；LES法通过对N-S方程进行低通滤波得到描述湍流大尺度运动的方程；DNS法则是直接求解完整的三维非定常N-S方程组，它的精确度最高，但计算耗时耗力，目前很少使用[10]。

虽然目前RANS模型应用最多，但Kim等[11]用LES湍流模型来模拟池内湍流后，表明LES模型在池内呈现出了被RANS模型忽视的细微涡流，这些涡流对近壁面流态产生了影响，且LES模拟出的示踪剂停留时间分布曲线(RTD)与中试规模得出的实验数据更为吻合。Zhang等[12]同时运用RANS与LES模型对同一池型进行模拟对比，发现LES模型确实可以表征出RANS模型所忽略的的小涡流，但是RANS模型对池内整体涡流和死水区的表征则更为准确，这也表明RANS的整体模拟结果优于LES模型。从现有研究来看，RANS模型与LES模型各有优劣，但目前LES模型的应用仍会大量消耗计算机内存与计算时间，因此还很难在工程应用中推广。

2.2 接触池运行效率评价指标的建立与发展

水力效率的评估需要直观的评价指标，目前对臭氧接触池的水力效率评价指标较为常用的是：(1)RTD分布曲线：即累积液龄分布函数F(t)，表示流过系统的物质粒子中停留时间小于t的物质粒子所占的百分率。(2)T10/HRT:即T10是从入口投加示踪剂后，10%示踪剂的流出时间,HRT是示踪剂的平均水力停留时间。如果是理想推流(活塞流)则T10/HRT=1。T10/HRT是目前最常用的评价指标；(3)CT值：即水中臭氧浓度对其作用时间的积分值。实际运行中，池中臭氧浓度分布往往不均匀，因此CT值计算还应考虑到空间的浓度变化、臭氧衰减等因素，计算非常复杂。目前普遍采用的是美国环保局(EPA)推荐的简化计算方法即计算出水CT10值[13]。C为出水剩余臭氧浓度。

然而以上指标均存在一定不足。RTD曲线会受到模型网格密度的影响，T10/HRT则只单一考虑到了水力指标而并未考虑到池内臭氧的氧化效率；对于CT10而言，池内流态并非推流，存在回流与死水区，T10会使得实际CT值被低估[14]。且出水口处的臭氧浓度无法代表全部接触池中的臭氧浓度，因臭氧在水中不断衰减，因此从进水口处流到出水口处，臭氧的浓度在时时降低，因此如果只是采用出水臭氧浓度替代C值，将同样在相当程度上低估池内实际的CT值。

因此，有研究者意识到需要建立更为全面的评价指标。Zhang等[15]对Tampa水厂的臭氧接触池进行2D建模，比较了RTD、T10/HRT、CT10各自的优点与局限，以全面的角度，提出一种融合了环境、经济、能耗等各种因素在内的综合加权指标——CI(composite indicator)，用以综合评估接触池的运行效率及其所带来的环境、电能消耗、经济费用等负担。实验证明这一指标的运用兼顾了接触池的高效运行与水厂的经济效益，具有很高的推广价值。

评价指标随着CFD建模的不断发展而变化。CFD建模经历了4个阶段：(1)对池内流场的还原；(2)模拟示踪剂运输以评价水力效率；(3)对池内臭氧浓度及衰减的表征；(4)对池内有机物降解及相关化学反应的模拟。评价指标如今日趋丰富与多元化，因此对于接触池运行的评估已不能依靠单一指标，而应该将多种指标综合运用。

3 应用CFD对接触池运行参数及结构的模拟优化

3.1 对接触池运行参数及结构的优化

隔板式臭氧接触池在运行时往往存在大片的回流与死水区，在很大程度上影响到接触池的运行效率，池内的气液传质会受到很大影响，进而影响到接触池内臭氧的脱色除嗅及有机物的去除，因此优化接触池的结构与外观是十分必要的。优化结构的主要目的是使得池内的流态最大程度地接近推流，使池内气液传质更加充分等。在实际工程中，改动结构会耗费巨大成本，因此应用CFD进行模拟优化则具有巨大的优势[16]。

一个普遍被采用的改进方法就是在池内增设导流板或横挡板，目的是将流场进行分割，扩大水流的有效流动范围，以减少池内的回流区和死水区。Wols等[17]对荷兰典型的臭氧接触池型进行二维建模后，在池体内隔板的上、下方设置一定角度的导流板，之后又增设横挡板，利用示踪剂法绘制出不同改进后的RTD分布曲线，结果发现无论设置导流板还是横挡板都能够极大提高池内的水力效率。但设置斜向导流板后的RTD曲线相较于横挡板更为接近理想推流，池体水力效率相较于原始池型增加了近50%。纪家林[18]对深圳笔架山水厂的主接触池进行了二维模拟，对在池内单独增加导流板或横挡板和同时增加导流、横挡板3种方案进行了对比，以T10/HRT值作为评价指标。结果发现同时增设导流与横挡板效果最佳，通过该方案使得该水厂的T10/HRT在原设计基础上提高了近70%。陆丽等[19]通过不同池型内流场的模拟和HRT的计算，发现水平挡板与导流板相结合时效果却不如单独设置水平挡板，设置水平挡板后水力效率比两者结合时要高出近30%。

还有一种较常采用的方法就是增加池内反应室的个数。Kim等[14]采用LES模型模拟发现适当减小隔室长度，即在池型长度不变的情况下增加反应室数目能提高池内的水力效率，随后Zhang等[15]分别对增设挡板与增加反应室数目这两种优化方案进行了对比，发现增加隔室数目可将池内的水力效率达到相当理想的水平，但是过多增加反应室数目会引起过高的运行能耗，提高了运营成本。因此作者创立了新的指标评测后发现应当将反应室数目控制在一定范围内，在保证水力效率提高的同时减少不必要的能量损失。

除此之外， 不少研究者将CFD模拟与水厂实测、中试实验相结合，对影响臭氧接触池效率的相关因素做了深入的探究，积累了丰富的成果。表2总结了众多研究者的相关结论。

3.2 对臭氧在池内的传质、衰减及化学反应的模拟

臭氧在池内如何衰减与传质的问题历来是研究的重点，因为它直接关系到接触池的运行效率以及相关消毒副产物如溴酸盐的生成情况。有些研究者[17,29]将CFD技术与中试实验相结合，在一定简化的基础上，得出池内的臭氧衰减与溴酸盐生成均符合一级反应动力学模型，而池内的有机物降解过程符合Chick-Watson二级反应动力学。Zhang等[22]对美国Tampa水厂臭氧接触池进行三维建模，并通过开源数据编程向池内引入臭氧的衰减、传质及溴酸盐浓度变化，模拟得出的结果与水厂的定点取样值基本吻合，验证了臭氧与溴酸盐反应动力学模型的准确性。虽然有少数研究认为臭氧的自衰减更符合二级反应动力学。不过，仍然有很多研究者[4,30-31]证明以一级反应动力学来预测臭氧的衰减效果更理想，前提是被氧化的有机物不会过快地自我分解。

表2 臭氧接触池相关影响因素模拟研究总结

虽然Chick-Watson二级反应动力学以其高度简化和普适性被许多研究者所采用，但是它没有考虑有机物初始浓度对降解的影响，所以计算结果往往与实际有所偏差。实际工程中的反应级数很可能介于一级与二级之间。戚圣琦[32]在前人CFD研究的基础上自制中试实验装置模拟反应池内有机物的降解情况，发现反应等级与水源水种类密切相关，当以地下水作为水源时，有机物降解符合Chick-Watson二级反应动力学，但当以腐殖酸配水作为水源时，反应动力学则介于一二级之间。

表3列出了目前臭氧接触池CFD模拟研究所常用的不同物质对应的反应动力学方程。从表3中可以看出，各物质相关的反应常数对模拟预测的准确性有着重要的影响。而反应常数取决于特定的环境参数，如pH、温度等。因此在模拟时，需要基于所研究接触池的具体环境，仔细选用合适的反应常数。

表3 臭氧接触池内不同物质的反应动力学模型

4 结 论

随着数值模拟的日益进步及计算机运算能力的增强，CFD在臭氧接触池研究中的应用已经越发广泛。然而，CFD的应用仍然存在如下问题：

(1)目前研究偏向于模拟水流，即单一的液相，而忽视了气液两相的相互作用，未来应当更多地模拟气液两相流，将气泡尺寸、气液传质等相互影响因素加入CFD模型中。

(2)池内的实际臭氧氧化过程往往由一系列元素之间的化学反应组成，反应系统复杂，因此有必要探究出较为完整的反应机制。

(3)池内有机物的降解机理至今尚未完全明确，降解动力学常数往往会随着有机物种类、pH、温度等因素产生变化，具有不确定性，且降解反应究竟属于一级、二级甚至更高级反应仍有待探究。

(4)池内湍流与化学反应之间的相互作用仍缺乏深入的研究；而池内湍流很可能对化学反应有较大的影响。

(5)目前有关臭氧接触池的CFD模拟大多数仍停留在二维模拟，而简化后的二维模拟往往会导致模拟结果的失准，因此未来应当以三维建模为主。

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