微涡流絮凝工艺处理高浊水的数值模拟与响应面优化试验

徐琪珂，戴红玲*，赵国强，胡锋平

1.华东交通大学土木建筑学院

2.华东交通大学土木工程国家实验教学示范中心

我国是高浊水（浊度高于100 NTU 的地表水[1]）河流众多的国家之一，最为典型的高浊水源水为长江与黄河[2]，此外，我国也存在区域性和季节性高浊河流。江河取水的主要任务之一就是降浊，高浊水泥沙含量高，且颗粒比表面积大，但悬浮颗粒无法通过自絮凝作用获得紧实絮体，导致细颗粒含量高，而细颗粒含水量高、比重小、体积大，增大了絮凝沉降的难度[3]。水处理方式决定着水处理效果，我国水处理水质标准不断提高，但常规水处理工艺的表现不尽如人意，于高浊水而言更是收效不佳，仅能通过投入大量药剂来达到去除要求，且会造成药剂浪费，二次污染，污泥淤积，生物生态破坏等问题。常规混凝处理高浊水的研究大多集中在混凝剂或助凝剂复配与改性[4]、搅拌时间、酸碱度等方面，且多停留在小试阶段，而在混凝工艺和工艺中的进水流量（流速）、水力条件等方面研究较少。因此，常规水处理工艺在高浊水处理方面仍需解决诸多难题。

微涡流絮凝技术是将 ABS（acrylonitrile butadiene styrene）塑料制成的空心球体状涡流反应器[5]投加至常规絮凝池中产生微小涡旋，促进高浊水内部的悬浮颗粒碰撞、脱稳、凝聚[6]，形成大而紧实的絮团，提高絮凝效果。计算流体力学（CFD）可直观、准确地反映絮凝反应器内部流场的变化，伏雨等[7]选取涡旋速度梯度和湍动能作为絮凝评价指标，对栅条絮凝池进行数值模拟，发现实际工程中应尽量避免1 000 µm 以上大粒径絮凝体的出现；陈玉等[8]研究了涡旋速度梯度和能耗散率，结果表明穿孔旋流絮凝池最佳网格板层数为4、最佳间距为40 cm；He 等[9]在等效剪切速率情况下，研究了絮凝池形状对絮凝过程中絮凝形态演化的影响，指出由带挡板的方形絮凝池形成的絮体最大、最紧凑，该技术已成为流体动力学和流态可视化研究领域的研究热点[10-12]。响应面分析法（RSM）可拟合各响应因子与各响应值间的函数关系[13]，获取最优参数，其与CFD 数值模拟相耦合的研究方法也广泛应用于水处理领域[14-16]。多项技术的联用可以更好地探究高效处理高浊水的工艺。

笔者采用微涡流絮凝技术对高浊水进行处理，借助CFD 数值模拟软件对不同流量（流速）条件下絮凝区的流场及参数进行分析与研究，并通过响应面法对流量、混凝剂投加量及回流比进行优化，确定适于处理高浊水的微涡流絮凝工艺参数，以期为高浊水处理技术的应用改造提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验水样

试验用水由孔目湖湖水及高岭土混合制成，配水中粗颗粒泥沙较多、浊度偏高，各指标如表1 所示。混凝剂为聚合氯化铝（PAC）。

表1 配水水质Table 1 Distributed water quality

1.2 试验装置

中试装置为微涡流澄清池，池体尺寸（D×H）为2.0 m×2.5 m，其实物和结构如图1 所示。CFD 数值模拟所选区域为澄清池絮凝区，响应面优化试验结果数据来自微涡流澄清池中试装置。

图1 微涡流澄清池Fig.1 Micro-vortex clarifier

中试装置上设有回流设备，回流比为回流流量（管流量减进水流量）与进水流量的比值，试验设定为0.5～1.5。絮凝区第一反应室中按照最佳投配比例[17]放置了不同型号和数量的涡流反应器，如图2所示，2 种反应器球体直径均为200 mm。其中HJTM-1 反应器开孔直径为25 mm，总开孔数为114，开孔率为45%；HJTM-2 反应器开孔直径为35 mm，总开孔数为78，开孔率为60%。

图2 涡流反应器Fig.2 vortex reactor

1.3 CFD 数值模拟

1.3.1微涡流絮凝区模型

采用混合网格三维计算模型，模型周围进行局部加密，设置边界条件以及流体区域。涡流澄清池及涡流反应器建模如图3 所示。

图3 涡流澄清池模型Fig.3 Vortex clarifier model

1.3.2边界条件和求解方法

模拟中拟定回流比为1.0，水温为20 ℃，运动黏度（ν）为1.006 7×10-6m2/s，水力直径为0.06 m，动力黏性系数（µ）为1.008 5×10-3kg/ms。其余进口参数见表2，评价指标见表3，边界条件和求解方法如表4 所示。

表2 Fluent 数值模拟工况的进口参数Table 2 Inlet parameters of Fluent numerical simulation conditions

表3 评价指标Table 3 Result evaluation indicators

表4 边界条件和求解方法Table 4 Boundary conditions and algorithm

1.4 响应面试验设计

采用Box-Behnken 方法，以流量（X1）、混凝剂投加量（X2）、回流比（X3）为响应因子，以浊度（Y1）、CODMn（Y2）及UV254去除率（Y3）为响应值，设计三因素三水平优化试验，具体参数见表5。

表5 高浊水中试试验响应面分析因素与水平Table 5 Response surface analysis factors and levels for high turbidity water pilot test

2 结果与讨论

2.1 CFD 数值模拟

以絮凝区第一反应室的速度梯度（G）为指标，研究不同流量（流速）下涡流澄清池流场参数的变化，得到涡流澄清池处理高浊水响应面优化研究流量因素的最佳范围。

图4 为絮凝区纵断面的速度矢量图，反映了絮凝区内液流走向和速度分布的情况。液流在上升过程中会在涡流反应器壁面产生绕流，而在离开壁面时边界层分离形成漩涡，从而促进颗粒扩散和碰撞凝聚，提高混凝效率。从图4 可以看出，池底流速与流量呈正相关，小流量下，流速小，絮凝时间长，液流以绕流为主，无法卷起底泥，易形成死水区；流量较大时，流速大，絮凝时间短，易在中心和边壁位置形成短流，使得部分液体卷带的颗粒物难以发生有效絮凝。由于高浊水特性，水流在澄清池喷嘴与喉管的水头损失大，絮凝区入口速度较小，泥渣回流缓慢，因此，在处理高浊水时，应适当增加进水流量，使污染物颗粒能在合适的混合强度下发生充分的絮凝。

图4 不同流量（流速）下絮凝反应区速度矢量Fig.4 Velocity diagram of flocculation reaction zone under different flow rates (flow velocities)

图5 反映了池中湍动能分布情况，可以直观地表现湍动能在池体中输入、转移和耗散的情况。从图5 可以看出，随着流速增大，絮凝时间缩短，黄色区域部分颜色加深，影响范围逐渐加大，即湍动能也随之增大。投加混凝剂使池体增加多个絮凝单元，同一高度下各个单元湍动能分配均匀，絮体尺寸和强度相似，而反应器表面的湍动能明显大于其内部湍动能的原因在于反应器表面形成的涡旋提高了水流动能利用率。

图5 不同流量（流速）下涡流澄清池湍动能Fig.5 Cloud chart of turbulent kinetic energy in vortex clarifier under different flow rates (flow velocities)

图6 为絮凝区的有效能耗，其表示由黏性耗散使涡旋传递分解产生的能量分布。湍动能越大，水流的黏性越大，因而有效能耗也越大，故湍动能和有效能耗云图分布情况相似。从图6 可知，流量越大，入口速度越大，湍动能和有效能耗变化越显著，水流冲击动能越大，水流扰动作用越强。流量增大的同时，在水流黏性一定的情况下，湍动能和能耗均呈增大趋势（图7）。

图6 不同流量（流速）下涡流澄清池有效能耗Fig.6 Cloud chart of effective energy consumption in vortex clarifier under different flow rates (flow velocities)

图7 不同流量（流速）下涡流澄清池絮凝区湍动能、有效能耗和G 的变化曲线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)

由图7 可知，在一定回流比的情况下，流量（流速）越大G越大，且增大速率越快。絮凝最佳G为30～60 s-1，所对应的最佳流量为4.2～7.0 m3/h（最佳流速为0.41～0.67 m/s），考虑回流量，所对应的絮凝时间(T)为25.4～14.5 min，GT为45 720～52 200，该流量范围合理。

2.2 响应面优化

2.2.1响应面试验结果

通过Design-Expert 软件设计的试验方案，选取17 组有效工况，找出处理效果最好的3 个因素水平，试验设计及中试试验结果见表6。

表6 优化试验设计及结果Table 6 Optimization of experimental design and analysis of results

随着高岭土的投加，混合后水样浊度大幅提升，有机物浓度也进一步升高。由表6 可知，微涡流絮凝对高浊水中浊度和有机物去除效果良好，有几点原因：1）混凝法的有效处理取决于足够的颗粒浓度，而高浊度、高有机物浓度的原水可更快形成密实的絮体，使得出水指标与未投加高岭土水样的处理效果差距不大，但由于原水初始指标偏高，因而去除率高。此外，高浊水中泥沙颗粒的比表面积大，具有一定的吸附能力，这类颗粒可以吸附部分小分子污染物而凝聚成团，通过沉淀作用得到去除，进一步提升污染物的去除效果。2）投入涡流反应器可增加水中微、小涡流，利于混凝剂的扩散，提升混凝剂的利用率，增加颗粒有效碰撞几率及絮体成形概率，提高混凝效率；另一方面，反应器内部空间可产生立体接触絮凝，形成的絮体具有吸附功能，可对有机物去除产生协同作用。

2.2.2二次回归模型分析

经RSM 软件分析拟合各项数据得到下列二次回归模拟方程，方程显著性检验见表7。

表7 浊度、CODMn 和UV254 去除率回归方程显著性检验Table 7 Significance test of regression equation of turbidity,CODMn and UV254 removal rate

由表7 可知，Y1、Y2、Y3相关系数分别为0.953 3、0.961 7、0.939 6，说明模型的拟合误差小；校正后相关系数分别为0.893 2、0.912 5、0.861 9，说明模型回归性好；信噪比分别为11.849、12.492、9.783，表明模型的真实度高；模型失拟项和显著性检验均表明3 个模型模拟精准、可信度高。

2.2.3交互作用分析及试验验证

通过RSM 分析获得各交互因素对高浊水中浊度、CODMn和UV254去除率的响应面，如图8 所示。

图8 各因素对浊度、UV254、CODMn 去除率的交互作用响应面Fig.8 Response surface diagram of the interaction effect of factors on turbidity,UV254,CODMn removal rate

各因素间交互作用对响应值的影响与曲面坡度呈正相关[18]。结合图8 发现，响应面形状均呈上凸状且具有一定坡度，浊度、UV254、CODMn去除率均呈先增加后减少的趋势，每个变量都存在1 个最优值，此时污染物去除率达到最高，显著性排序为回流比＞混凝剂投加量＞流量。就混凝剂投加量而言，高浊水中悬浮颗粒数量多、粒径大，有效能耗和水力损失大，在此状态下絮凝剂分子易被其包裹从而降低利用率，因此增加混凝剂投加量的作用较为明显；流量影响相对较弱是因为相比起其他因素，吸附架桥、网捕与卷扫作用系高浊水处理的决定性因素，而紊流强度并非最重要的；回流比的作用在于回流部分絮体的同时增加胶体粒子及悬浮颗粒的浓度和接触几率，使絮体颗粒重新进入絮凝区反应从而更加稳定，而高浊水中的颗粒数基本满足最佳絮凝效果条件，所需回流少，回流比过大会阻碍新进入絮凝区的颗粒凝聚，从而影响絮凝效果。因此，恰当的回流比有利于絮凝剂再次利用，同时有利于缓解流量和混凝剂投加量之间的交互作用。

由图8 黄色区域内的等高线可判定各因素之间交互效应的强弱，椭圆越标准则表示交互作用越显著[19]。两两因素间，混凝剂投加量和回流比之间交互作用最为显著，其次是混凝剂投加量和流量间的交互作用，最不显著的是流量和回流比间的交互作用。最小椭圆等高线的中心处为目标响应因子区间内的峰值[20]，在最佳运行参数下，表现为浊度去除率＞UV254去除率＞CODMn去除率。

各因素间的协同作用使得高浊水有较好的去除效果，涡流反应器的投加增加了流态的复杂性及进水动能的利用率，合适的流量（流速）与回流量有利于混凝剂的扩散和絮体的成形，也进一步加剧颗粒间有效碰撞，提高混凝效率和混凝剂利用率，从而减少混凝剂投加量，同时减少污泥产量和混凝剂过量投加所造成的二次污染问题，而高浊水中的颗粒经过絮凝反应所形成的絮团又可通过吸附电中和作用，吸附溶解性或小分子有机物，水流的改变也增加了水中有机物与絮凝体的碰撞概率，使有机物去除率得到提升。

通过多项式方程的极值求解，得出微涡流絮凝对高浊水中浊度、UV254、CODMn去除的最优反应条件，流量为5.88 m3/h，混凝剂投加量为34.78 mg/L，回流比为0.83。在此条件下，模型预测浊度的最大去除率为99.62%，UV254的最大去除率为95.94%，、CODMn的最大去除率为71.50%。

2.3 结果优化

为了进一步验证模型可靠性及预测结果的准确性，采用流量为5.9 m3/h，混凝剂投加量为34.8 mg/L，回流比为0.8 的工况，重复3 次验证试验，结果见图9。从图9 可以看出，此时浊度去除率为99.23%，UV254的去除率为95.03%，CODMn的去除率为71.42%，与预测值接近且误差在可接受范围内，验证了该模型对于高浊水处理试验中相应因子（流量、混凝剂投加量、回流比）预测的准确性，也进一步证实了CFD 技术与REM 方法二者结合的可行性与有效性。

图9 最优工况下浊度、UV254、CODMn 的去除率Fig.9 Removal rate of turbidity,UV254,CODMn under the optimal conditions

3 结论

（1）湍动能、有效能耗及G均与流量（流速）呈正相关，但流量（流速）过大会导致絮凝时间过短，使得反应不充分，影响絮凝效果，初步确定微涡流絮凝工艺处理高浊水的最佳流量为4.2～7.0 m3/h（最佳流速为0.41～0.67 m/s），GT为45 720～52 200，该流量范围合理。

（2）建立了微涡流絮凝中试试验流量、混凝剂投加量、回流比分别与浊度、UV254及CODMn去除率间的二次回归多项式模型，中试结果与各软件的模拟预测值相近，拟合性良好，进一步验证了CFD 与Kolmogorov 涡旋理论及RSM 技术结合的可行性，微涡流絮凝工艺处理高浊水试验中各响应因子的影响为回流比＞混凝剂投加量＞流量，最佳参数组合，流量为5.9 m3/h，混凝剂投加量为34.8 mg/L，回流比为0.8，此时对高浊水中浊度、UV254、CODMn去除率分别达到99.23%、95.03%、71.42%。

（3）微涡流絮凝工艺提高了高浊水的出水水质，在去除浊度和有机物方面具有良好效果，此外还能减少混凝剂用量，从而减少污泥体积，避免了二次污染等问题，可以获得更大的经济效益和环境效益。