CFD在水处理反应器研究中的应用进展

第22卷第6期2011年12月水资源与水工程学报Journal of Water Resources ＆Water EngineeringVol．22No．6Dec ．，2011收稿日期：2011-08-16基金项目：上海市教委重点学科建设项目（J50502）；上海市研究生创新基金项目（JWCXSL1102）作者简介：黄远东（1965-），男，湖南邵阳人，博士，教授，从事河流动力学及环境模拟技术的研究。

CFD 在水处理反应器研究中的应用进展黄远东，顾静，赵树夫，周中华，姜剑伟（上海理工大学环境与建筑学院，上海200093）摘要：计算流体动力学（CFD ）已在水处理反应器研究中得到了较为广泛的应用。

本文综述了CFD 技术在固液分离反应器、生物处理反应器以及化学处理反应器研究中的应用现状，并指出了应用中所存在的不足，进而提出了CFD 应用于水处理反应器模拟中有待进一步研究的问题。

关键词：计算流体动力学；水处理；反应器；数值模拟中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1672-643X （2011）06-0011-05Application progress of CFD in study of water treatment reactorsHUANG Yuandong ，GU Jing ，ZHAO Shufu ，ZHOU Zhonghua ，JIANG Jianwei（School of Environment and Architecture ，University of Shanghai for Science and Technology ，Shanghai 200093，China ）Abstract ：Computational fluid dynamics （CFD ）has been widely utilized in the study of water treatment reactors．This paper firstly reviewed the application status of CFD in the study on solid －liquid separation reactors ，biological treatment reactors and chemical treatment reactors ，and then pointed out the weakness of CFD application in modeling reactors．This paper finally put forward some important issues for further usage of CFD in simulating water treatment reactors．Key words ：computational fluid dynamics ；water treatment ；reactor ；numerical simulation0引言计算流体动力学（computational fluid dynamics ，简称CFD ）是流体力学的一个重要分支，其通过数值求解流体运动（单相流动或多相流动）控制方程来获取流场的基本信息。

随着计算机硬件和计算方法的快速发展，特别是伴随商用CFD 软件（例如FLUENT 、PHOENICS 、CFX 和STAR －CD 等）的推广，使得CFD 已成为探究和解决水处理工程中与流体流动相关问题的重要手段之一。

本文简述CFD 在水处理反应器研究中的应用现状与存在的不足，进而对CFD 在水处理反应器中的未来应用进行了展望。

1CFD 在水处理反应器研究中的应用现状在水处理工程中，参与过程处理的构筑物和设备都可称为反应器。

CFD 技术在固液分离反应器、生物处理反应器和化学处理反应器的研究中都得到了应用。

1．1CFD 在沉淀池（固液分离反应器）中的应用沉淀池可分为普通沉淀池和斜板（管）沉淀池。

按池内水流方向的不同，普通沉淀池可分为平流式、竖流式和辐射式3种；沉淀池按其在水处理流程中的位置，主要分为初沉池和二沉池。

近年来，CFD 技术在沉淀池内部两相流场分析、沉淀池结构改进和水力条件优化等方面研究中已得到了较为广泛的应用。

2005年，Kim 等［1］对韩国釜山某水处理厂的一个矩形平流式二沉池内的水流特性和悬浮颗粒物浓度分布进行了二维数值模拟，所得数值模拟结果与同位素示踪测试结果两者基本相符。

2009年，Sam-marraee 等［2］利用FLUENT 软件，采用单向耦合的欧拉－拉格朗日两相流模型对某水处理厂的一个矩形平流式沉淀池内的颗粒沉降特性进行了三维大涡模拟（LES ），得到了沉淀池内的水流场、颗粒速度场和颗粒浓度分布，计算获取了不同粒度大小颗粒的沉降效率和总颗粒沉降效率，并分析了颗粒的沉降现象。

进一步，针对同一平流式沉淀池，Sammarraee 等［3］还模拟分析了挡板设置对颗粒沉降效果的影响，发现在沉淀池顶部设置挡板可抑制水流的水平运动，将颗粒强制导向池底，从而可有效改善沉淀池的性能。

2011年，Rostami等［4］采用VOF方法和选取RNG湍流模型，通过二维数值模拟研究了进水口处孔口位置和孔口数目对矩形平流式初沉池内水流状态的影响。

对于CFD在圆形辐射式沉淀池中的应用上，2007年Fan等［5］采用双流体模型对一城市废水处理系统中的圆形二沉池内两相流场进行了模拟，重点仿真了沉淀池内挡板位置和挡板高度的变化对池内流场和颗粒物浓度分布的影响。

2007年，Weiss 等［6］利用FLUENT软件，对装有污泥吸升去除机构的一个实际平底圆形二沉池内的活性污泥沉降进行了模拟预测，模拟中计及了污泥的流变学特性，所得池内污泥分布模拟结果与实测结果符合良好。

2008年，针对饮用水处理系统中的一个圆形沉淀池，Gou-la等［7－8］利用FLUENT软件模拟研究了进水流动控制挡板形态以及入流水体温度变化对颗粒沉降效果的影响。

在斜板式沉淀池研究中的应用上，2008年Okoth等［9］通过数值模拟研究了逆向流斜板沉淀池的水力条件优化以及粘性颗粒的分离效率等问题。

最近Salam等［10］利用CFX－10软件，针对一个模型斜板沉淀池，模拟研究了水流进口的结构变化对池内水力特性和颗粒沉降效果的影响。

从上述学者的研究中可以看出，在模拟沉淀池内部的流动问题时，根据颗粒的浓度大小不同，既有采用单相流模型也有应用两相流模型。

在两相流模型中既采用了欧拉－拉格朗日模型，也采用了欧拉－欧拉模型（双流体模型）；对于颗粒浓度的空间分布，也有采用污染物的对流扩散方程求解。

此外，有些研究还考虑到了非牛顿流体特性。

事实上，基于反应器型式、水中悬浮颗粒的性质和浓度，可以形成四种不同的沉淀类型：自由沉淀、絮凝沉淀、拥挤沉淀和压缩沉淀。

但目前所构建的CFD模型尚难以模拟拥挤沉淀和压缩沉淀。

1．2CFD在生物处理反应器中的应用近年来，CFD技术已应用于稳定塘、活性污泥法中的曝气池以及厌氧消化池中，主要用于反应器内的流场模拟、结构优化和运行条件分析等方面。

稳定塘，又称氧化塘或生物塘，是一种类似池塘（天然或经一定人工构筑）的污水净化系统。

2006年，Abbas等［11］采用地表水模拟系统SMS7．0软件，通过求解深度平均的水流场和BOD及DO浓度场，探究了稳定塘的结构尺寸变化和塘内挡板设置等对废水处理效果的影响。

2007年，Pougatch等［12］首先建立起一个经过实验验证的曝气塘数值模型，该模型计及了曝气装置中液体在吸出管内的流动以及从吸出管内推出的液体经雾化后形成的气液流动，然后将该模型应用到一个大型的工业废水处理曝气塘中，模拟其水力特性。

Pougatch指出其所构建的曝气塘数值模型可为分析曝气装置的布置和曝气塘设计提供一个工程工具。

2011年Olukanni等［13］采用CFD技术开展了废水稳定塘的优化设计研究，其针对发展中国家的实际，优化程序中不仅考虑到稳定塘的结构尺寸优化，也考虑到投资费用因素。

最近，Sah等［14］在Delft3D软件平台上对某一实际废水处理的二级兼性稳定塘进行了三维数值模拟，评估了风和挡板设置对塘内水流状态、温度分布以及处理效率的影响。

该三维数值模型耦合了水动力学模型和水质子模型。

水质子模型的构建基于活性污泥模型（ASM）的基本思想，除将埃希氏菌属大肠杆菌的去除模拟成一阶衰减反应外，将COD和营养物的去除表达成细菌生长的函数（细菌生长服从Mond动力学）。

由于是二级处理稳定塘，模拟中忽略了与颗粒物沉积的相关问题。

2011年，Wu等［15］利用FLUENT软件预测了一个加盖厌氧塘内的水流场、水力停留时间、温度场以及预测了BOD的降低和甲烷的生成等问题。

活性污泥法工艺是一种应用广泛而行之有效的传统污水生物处理方法。

曝气池是该方法处理流程的重要组成部分。

2007年，Fayolle等［16］采用两相流动模型对装有微气泡扩散器和轴向慢速搅拌器的曝气池内氧气传递进行了数值模拟预测。

2007年，Díez等［17］通过CFD、PIV试验和人工神经网络相结合的杂交方法研究了一个序批式反应池内（SBR）的多相流动。

在该杂交方法中，PIV试验结果作为CFD模拟的初始条件，可缩短CFD模拟计算时间，而CFD模拟结果及相关参数用于神经网络的训练。

2010年，Fan等［18］采用FLUENT软件，选用双流体模型，对配备倒伞型表面曝气装置的一个实验室尺度大小的氧化沟内液固两相流场进行了三维数值模拟，模拟结果的可靠性得到了PDA实验的验证。

最近，Yang等［19］为优化能耗和出口水质，采用CFD技术对一个实际卡鲁塞尔（Carrousel）氧化沟的两种操作运行条件进行了数值模拟分析。

膜生物反应器（MBR）是用超滤膜代替二沉池进行污泥固液分离的污水处理装置，为膜分离技术与活性污泥法的有21水资源与水工程学报2011年机结合等［20］。

CFD技术在膜生物反应器构型方面的研究、反应器内流态模拟、液体循环流速和剪切力的研究以及气泡模拟等方面得到了较为广泛的应用［21］。

最近，于艳等［21］对CFD在膜生物反应器中的应用进行了综述和展望。

CFD技术在污水的厌氧生物处理上也得到了应用，主要用于仿真厌氧消化池内的流态和混合等问题。

例如，2005年Vesvakar等［22］数值模拟了厌氧消化池内的流动状态，表明CFD技术可用于厌氧消化池的结构优化。

2009年，Terashima等［23］建立起计及污泥流变学特性的CFD模型，并用其模拟了一个全尺度厌氧消化池内的混合过程，以求得不同固相浓度下实现充分混合所需要的时间。

此外，其他学者也于近期数值模拟了厌氧消化池内的流场和混合问题［24－26］，在他们的模拟中考虑了不同固相浓度、不同结构形状的厌氧消化池和不同的搅拌混合方式等。