计算流体力学在废水处理中的应用——以活性污泥法二沉池为例

范 茏，施汉昌，刘 峤，董 强，丁爱琴，徐 农

(1.合肥学院 能源材料与化工学院，合肥 230601；2.清华大学 环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京 100084；3.中国科学院 生化工程国家重点实验室，北京 100090)

0 引 言

计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)是一门随着计算机的发展而发展起来的新兴学科，它通过计算机的高速数值计算和图像处理，可以对包含有流体流动和热传导等相关现象的系统进行分析。具体来说，CFD是在流动基本方程控制下对流体流动的数值模拟，通过数值模拟，可以得到复杂流动问题的流场内各个位置上的基本物理量的分布，如速度、温度、浓度、压力等等，以及这些物理量随时间的变化情况。通过这些分析，可以对体系内部的特性、特征等进行描述和分析，进一步加深理解[1-2]。

由于CFD通过数值计算即可得到相关的特性参数，它具有诸多优点，如适应性强，应用广泛，可以通过计算机进行各种数值实验，从而进行多种方案的优劣比较。另外，它不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，具有较大的灵活性。只要给出详细和完整的参考资料，很容易模拟各种特殊条件，或无法达到的理想条件。虽然CFD有一定的局限性，但已经被广泛应用于化工、环境、能源、航天等诸多领域。

环境保护领域中的水处理问题在中国尤其受到关注，废水处理反应器在水处理中发挥着至关重要的作用，如何有效的处理废水，提高废水的处理效率，一直是环保工作者关注的焦点。由于CFD应用广泛，关于CFD基础知识的介绍众多，因此，围绕CFD在环保领域废水处理中的应用，以最常见的活性污泥法二沉池为例，重点讲述如何发挥CFD的作用，可以更好地指导废水处理的设计和生产。

1 活性污泥法和二沉池简介

1913年Fowler G J博士指导Arden E和Lockett W T发明的活性污泥法(Conventional Activated Sludge Processes，CASP)是当前世界各国应用最广泛的一种废水生物处理方法。其基本工艺流程是：废水首先进入初次沉淀池，经过沉砂和初沉等工艺进行一级处理，除去大部分悬浮物和部分可生化降解有机物(Biochemical Oxygen Demand，BOD)后进入一个为进行好氧生化反应而人工建造的曝气池，池子犹如河道的一段，池中有无数能氧化分解水中有机污染物的微生物。同天然河道相比，这一人工净化生态系统效率极高，大气的天然供氧不能满足这些微生物氧化分解有机物的需要，因此在池中需设置鼓风机或其他人工供氧系统。废水在曝气池停留一段时间后，废水中的有机物绝大多数被曝气池中的微生物吸附氧化分解成无机物，随即进入下一个池子——二次沉淀池。在二次沉淀池中，成絮状的微生物絮体——活性污泥下沉，处理后的废水——上清液即可溢流而被排放，活性污泥法的基本工艺路线如图1所示。

图1 活性污泥法的基本工艺路线

有机物质+微生物微生物↓+CO2↑+H2O+能量

(1)

该方法的主要特点是应用微生物，特别是细菌，并在为充分发挥微生物的作用而专门设计的生化反应曝气池中，将废水的污染物转化为微生物细胞以及简单形式的无机物。

二次沉淀池，简称二沉池，在全球范围内，它是活性污泥法废水生物处理的一个重要处理单元。它具有两方面的功能[3]，一是对反应池出水进行泥水分离，保证出水中的悬浮物达到各国的排放标准；二是对污泥进行浓缩、回流，使反应池中的微生物浓度保持在一定范围内，保证废水生物处理系统的稳定运行。二沉池的运行状况对整个废水生物处理系统的处理效果和处理效率有极重要的影响，是整个废水处理系统能否大负荷、高质量运转的重要制约因素。

在传统活性污泥法处理工艺的城市污水处理厂中，由于设计和运行等管理不善，二沉池会出现一系列异常现象[4]，进而造成出水水质变差，污泥流失等现象。活性污泥膨胀是二沉池中最常见的异常现象之一，由于污泥膨涨的发生，污泥结构变松散，质量变轻，沉淀压缩性变差，大量污泥流失，出水浑浊，二沉池固液分离困难，无法维持曝气池的正常工作。活性污泥上浮也是许多污水处理厂中常常出现的问题，污泥上浮发生时，活性污泥由于自身原因或外界原因，造成其相对密度小于1，活性污泥上浮至二沉池表面，最终导致泥水分离效果变差。这些异常现象都严重影响着二沉池的水处理效率和效果，因此将CFD应用于二沉池优化设计和技术升级换代，提高其水处理效率，稳定出水效果，是研究的主要目的。

2 CFD在二沉池中的应用

自20世纪九十年代起，科技工作者开始将CFD应用于二沉池工艺。[5-8]CFD在二沉池中最早，也是主要的应用，是设计、放大和优化二沉池的结构[9-13]，以提高其效率。随着对CFD的深入理解，人们开始利用CFD获得二沉池中的流体力学特性[7-8,14-17]，以期对二沉池中废水处理现象有更深刻的了解。除此之外，研究者也尝试通过CFD模拟，对二沉池中发生的异常现象进行分析[18-20]，发现导致异常现象的原因，进而提出有效的预防措施。

清华大学环境学院施汉昌教授带领的科研团队在我国较早将CFD引入废水处理的多个领域，该课题组将CFD技术应用于生物流化床、二沉池、氧化沟、膜生物反应器等不同的水处理反应器、处理单元以及城市给排水管网，取得了丰硕的科研成果，可以采用整个团队的二沉池研究成果，初步介绍CFD的应用进展。

2.1 CFD模型简介

CFD中通常有两种计算方法来处理多相流，即欧拉-欧拉法和欧拉-拉格朗日法[21]。在欧拉-欧拉法中，不同的相被处理成互相渗透的连续介质；而在拉格朗日法中，离散相在拉格朗日坐标中模拟，通过跟踪大量颗粒的轨迹对离散相模拟，仅适用于体积分数小于10%的情况。在二沉池中多采用欧拉欧拉法处理流动。

对于不可压缩牛顿流体，二沉池中主要的控制方程可以写作下式：

(2)

(3)

二沉池中的流动通常为湍流，一般采用标准的k-ε模型处理。其一般形式为：

∇∇

(4)

2.2 二沉池的设计与优化

范茏等人[22,23]对二沉池进行了初步优化设计，他们假设二沉池为圆柱形，活性污泥作为固相，认为它是刚性小球，污水作为液相，对池内的固液两相流动进行二维模拟。由于固液两相的密度接近，液体和固体的流动没有明显差别。在二沉池底部，距离出水口下方不远处加入挡板后，对二沉池内的泥水分离效果产生了影响，一定程度上提高了出水水质。

虽然这仅是对二沉池内流体的初步模拟，但是，该研究对二沉池结构设计提出新的思路和方向，在一定程度上证明了CFD在二沉池，乃至废水处理研究上的巨大潜力，它不仅可以对已有反应器或处理单元进行结构优化，还可以用于设计新型反应器、开发新工艺。

2.3 二沉池内泥水分离现象的解析

在二沉池优化设计的基础[22,23]上，课题组借助CFD模型和方法，进一步探讨二沉池内泥水分离现象，透过对现象的深入理解，进而指导泥水分离工艺操作，最终提高二沉池的出水水质。

肖尧等[24]以某城市污水厂的辐流式二沉池展开研究。图2为中心进水，周边出水的典型辐流式二沉池，由于该类二沉池的轴对称性，采用CFD软件FLUENT在二维尺度下计算，利用欧拉模型得出了二沉池内较详细的流场分布。由结果可知，不仅在进水口附近有大漩涡，在整个流场中还存在若干个小漩涡，如图2所示。出水口附近甚至会出现较大的流速，这些都会对二沉池内的泥水分离效果产生负面的影响。

图2 二沉池半剖面的液体流场

文献[20]随后采用离散相模型，在已有流场内分析污泥颗粒的沉降轨迹，考察不同污泥颗粒的沉降情况。自进水口流入后，不同粒径颗粒有着不同的轨迹，如图3所示：大颗粒(d>150μm)的活性污泥在重力作用下，随漩涡进入污泥漏斗从而快速离开二沉池；小粒径活性污泥颗粒(d<100μm)受到流场内部小漩涡的作用，被水流带向出水口，随出水一起运动，从而影响出水水质；图中粒径为100μm的颗粒受到的影响较小，在池底沉降下来。

图3 从10到250 μm不同直径的颗粒在二沉池内部的沉降轨迹

该文对池内不同密度颗粒、漩涡的影响、已沉降颗粒的行为均分别进行了讨论，认为在二沉池内发生污泥膨胀、反硝化时，泥水混合物的性质如粘度等发生了显著变化，活性污泥密度差别更大，这是导致泥水分离效果急剧恶化、出水水质下降的主要原因。因此，利用CFD对二沉池内流体力学特性进行研究，可以帮助人们从流体运动的角度更好地了解异常现象发生的本质原因，改进操作，避免负影响。

2.4 与活性污泥(Activated Sludge Model，ASM)模型的结合

对于废水处理的生化反应而言，ASM是较为常用的数学模型。将CFD应用于废水处理，不可避免的要与生物特性有所关联；因此，CFD在废水处理中的另一个应用，就是将其模拟结果与生物反应动力学模拟，如活性污泥模型的模拟，相结合。

肖尧等[25]首先利用生物反应动力学模拟软件WEST对二沉池内的反硝化污泥上浮进行模拟：以一个排泥操作刚刚完成时刻作为初始状态，对二沉池内的泥层进行模拟，获得泥层中氮气浓度在一天内的变化曲线，进而获得过饱和度随时间的变化关系。再将实验观察所得气泡粒径的变化，与模型结果相结合，拟合得到粒径变化曲线，利用文章提出的污泥上浮模型，即可获得发生污泥上浮的时间。

随后，结合生物反应动力学模拟的结果，开展了CFD模拟研究。将实验获得的污泥上浮速度用于CFD模拟中，研究上浮颗粒对出水的影响，发现在泥层处释放的颗粒会有不同运动轨迹，有些会进入泥斗，有些重新沉降在池底，还有些颗粒则被带入出水。发生上浮的带气颗粒中，58%的颗粒会被带至出水，引起出水固体悬浮物(Suspended Solid，SS)浓度的增高，降低水质。

另一方面由于含有大量气泡，上浮污泥密度显著降低，CFD模拟探讨了泥层上浮对出水的影响，见图4。活性污泥在20min内即上浮至池面，使得出水SS浓度发生急剧增加。在泥层发生上浮后不到10min，出水SS就增加了约2mg/L，出水SS超过了我国城镇污水处理厂一级排放标准。泥层发生上浮后不到15min，出水SS已经超过了二级排放标准30mg/L。

图4 污泥层上浮后二沉池中固相浓度的分布

在实验研究、生物反应动力学模拟和CFD模拟的基础上，研究者提出了一系列针对二沉池内反硝化引起污泥上浮的解决方案和控制策略。

3 结 论

通过CFD在废水处理单元—二沉池内应用的介绍，可以得出几点启发，推广至其他领域或研究方向。

利用CFD进行结构改进和设计优化，通过计算机的CFD模拟，可以对很多涉及流体力学的结构分析探讨，大大降低了实际实验的时间、经济成本和人力资源，因此CFD辅助设计在结构优化上具有明显优势。

通过CFD模拟，可以得出反应器、构筑物或单元设备内部的流体力学特性，流体力学特性往往决定了一台(套)设备作用的发挥，对其操作、运行都有着重要影响，将流体力学特性与操作运行参数相结合，可以对设备(如反应器)内部的动量、热量和质量传递进行较深层次的分析，理解也会更透彻，对减少或避免某些不利现象的出现，提高生产效率，发挥着不可或缺的作用。

CFD与其他数学模型相结合，可以预期获得更多更好的结果。世界上的事物都是相互关联的，不能孤立、片面看待问题，同样，处理工程问题时也需要将各方面因素综合考虑，才能得出更好的结论；因此，我们在利用CFD模拟时，可以将它与物质(或体系)本身特性相关联，与热力学、动力学等模型相结合，将CFD结果服务于其他模拟，其它模型的结果也可以提供给CFD使用，更好地服务于特定的研究目标。