计算流体力学在水处理反应器优化设计运行中的应用.pdf
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1、第 22 卷第 2期 2006 年3 月 水资源保护 WATER RESOURCES PROTECTION Vol. 22 No. 2 Mar. 2006 ? ? 作者简介: 冯骞( 1977 ? ) , 浙江绍兴人, 讲师, 主要从事给水排水工程方面的研究。E?mail:xiaofq1977 sohu. com 计算流体力学在水处理反应器优化设计运行中的应用 冯 ? 骞1, 薛朝霞1, 汪 ?岁羽1 ( 河海大学环境科学与工程学院, 江苏 南京? 210098) 摘要: 计算流体力学主要通过计算机模拟获得流体在特定条件下的有关信息, 这一技术的出现和发展, 使得 利用数学模型精确模拟水处理反
2、应器设计条件下的处理过程成为可能。综述了应用计算流体力学优化水处 理反应器设计和运行的国内外研究, 指出了研究中存在的问题: 未从生化反应的基本原理出发建立基于流 动、 环境因子浓度分布和生化反应的数值模型, 优化反应器的设计和运行; ! 缺乏足够的数据验证数值模拟 结果。在此基础上提出了今后的研究重点。 关键词: 计算流体力学; 水处理反应器; 数值模拟; 优化设计 中图分类号: O35,X505? ? 文献标识码: A? ? 文章编号: 1004?6933( 2006) 02?0011?05 Application of CFD theory in optimal design and o
3、peration of water treatment reactor FENG Qian, XUE Zhao?xia, WANG Hui ( College of Environmental Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China) Abstract:The presence and development of computational fluid dynamics( CFD) , with which the information about the fluid under special co
4、nditions is available by computer simulation, make the accurate simulation in water treatment reactor possible. This paper summarizes the usage of CFD in optimal design and operation of water treatment reactor. Problems in the research are pointed out,including without establishment of biochemical r
5、eaction model based on flow and concentration distribution of environmental parameters from the basic principle of biochemical reaction and lack of sufficient field data to validate the numerical model. The important research issues of further study are also pointed out. Key words: computational flu
6、id Dynamics; water treatment reactor; numerical simulation; optimal design ? ? 在水处理工程中, 能进行水处理效应的单元构 筑物、 设备和容器都可以称为反应器1。目前水处 理反应器的设计多依据给水排水设计手册和相关规 范中确定的经验参数和公式进行, 这些经验参数和 公式是根据大量工程实践总结得出的, 使用简捷方 便, 应用多年来取得了一定的效果, 为水处理工程的 设计和运行提供了有力的支持。但在设计过程中, 也存在设计参数范围较宽、 参数选择经验性较强的 问题, 一旦参数略有差异, 可能对水处理反应器的水 力混合过程
7、和处理效果造成较大的影响。大量研究 表明, 仅依据经验公式设计的水处理反应器不能保 证水力混合状态良好, 也无法对其运行效果进行较 为精确的预测, 更无法实现水处理反应器的优化设 计和运行。 流体是水处理反应器中物质和能量传递的主要 载体, 反应器的水力特性直接影响反应器的混合过 程, 制约着反应器的处理效果。因此, 利用流体力学 的方法研究反应器的水力特性, 结合反应器基本原 理建立反应器模拟和分析的数学模型, 对反应器的 设计和运行状况进行分析, 将为水处理反应器的优 化设计和运行开辟一条新的思路和方法。 11 1? 概? 述 计算流体力学( Computational Fluid Dyn
8、amics, 缩 写为 CFD) 是流体力学理论研究的一个分支, 它主要 通过有限差分、 有限单元或有限体积等方法将控制 方程离散后, 利用计算机进行数值求解, 最终通过数 值模拟获得流体在特定条件下的有关信息。这一技 术的出现和发展, 改变了目前采用脉冲示踪法或阶 跃示踪法 2 ? 5, 通过测定反应器停留时间的分布来分 析反应器水力特性的现状, 解决了流体参量在反应 器( 池) 中均化分布的缺陷, 也使利用数学模型精确 模拟水处理单元在设计条件下的流动特性和行为成 为可能, 为反应器模拟和分析数学模型的建立提供 了一种有效手段。同时, 利用 CFD 技术有利于减少 反应器分析中物理模型研究
9、的必要性, 降低研究成 本, 实现反应器的优化设计和运行。美国有报道表 明, 在污水处理厂处理单元构筑物的设计和运行中 使用 CFD 技术后, 优化了反应器的设计, 解决了运 行中存在的问题, 反应器的处理效率也提高了 10% 35% 6 。 1. 1 ? 应用 CFD技术优化水处理反应器设计和运行 的国外研究 ? ? CFD技术在国外起步早, 发展也较快, 在各类水 处理反应器的设计和运行中也有不少应用报道。 ? ? LARSEN P. On the hydraulics of rectangular setting basins ?experimental and theoretical
10、studies report No. 1001, Lund Institute of Technology, Lund, Sweden, 1977. 1. 1. 1? 在沉淀池及其他固液分离反应器( 池) 中的 应用 ? ? 这类固液分离反应器主要包括沉淀池、 沉砂池 和格栅等, 在其中进行的处理属于物理过程。水中 的悬浮杂质在水流和重力的共同作用下, 通过自然 沉淀、 筛滤和截留等方式在反应器中被截留, 实现不 同粒径的固体杂质与水体的分离。由于此类反应器 处理过程不涉及化学和生物反应, 处理机理相对简 单, 利用 CFD技术建立的数学模型也相对简单。 1977年, Larsen 首先将混合
11、长理论用于平流式 沉淀池水流紊动黏性系数的计算中 , 并在此基础 上提出了一个相对完整的沉淀池计算数学模型, 用 于沉淀池运行过程的分析, 这也是 CFD 技术应用水 处理领域最早的报道之一。但这一模型只求解了一 维条件下的流动方程, 对流场特性的分析不够全面, 对处理效果的研究也仅停留在流场分析的基础上, 未能利用流场分析结果进一步求解悬浮物浓度场, 考察沉淀池出口处悬浮物浓度分布, 研究沉淀池运 行效果。20 世纪 80 年代, 随着 CFD 技术的发展, 应 用二维 k?紊流模型分析沉淀池水流状况, 并与悬 浮物输移模型结合组成沉淀池模拟的数值模型, 也 在沉淀池的优化设计和运行中得到了
12、一定的应用。 数值模型中采用的离散方法涵盖了有限差分法、 有 限单元法和有限体积法, 涉及的沉淀池型式包括矩 形平流式沉淀池( rectangular tank) 、 圆形辐流式沉淀 池( circular tank) 、 平底澄清池( flat bottom clarifier) 、 薄 片分 离 器 ( lamella/ plate separator) 、絮 凝 沉 淀 池 等 7 ? 14。此外, Weiss 等和 Spence 也分别利用 CFD 技术, 在格栅和旋流式沉砂池中建立了相应型式反 应器中的数值分析模型, 并预测了固液分离的效 率 15,16。 在这部分研究中, 多采用
13、CFD 技术模拟二维流 场, 在流场分析的基础上, 通过对设计工况下反应器 出口悬浮物浓度的预测, 分析反应器设计和运行状 况, 提出相应优化方案。与建立在反应器理论上的 传统模型相比, 利用 CFD 技术建立的数值模型能更 准确地分析反应器中的流场和悬浮物浓度场分布, 实现反应器的优化设计和运行。但在实际过程中也 发现, 反应器型式、 沉降的边壁条件和悬浮物浓度的 不同会形成不同类型的沉降过程, 造成悬浮物沉降 规律的差别。如沉砂池中悬浮物多以拥挤沉降规律 为主, 絮凝沉淀池中则表现出颗粒在沉降过程中不 断增大的沉降规律。对不同类型的沉降规律研究的 不足, 也会制约悬浮物输移模型模拟的准确度
14、, 影响 反应器设计和运行优化的可靠性。 1. 1. 2? 在化学处理反应器( 池) 中的应用 这类反应器主要有混凝反应池、 消毒池、 超临界 氧化池等。在化学处理反应器中, 往往需要通过某 些特定的化学反应产生具有一定化学处理能力的化 学物质, 并随水流扩散到反应器中, 才能实现杂质的 去除, 保障处理的效果。例如混凝剂在混合单元中, 往往需要通过水解反应, 形成具有混凝效果的水合 离子, 并迅速分散到原水中, 才能保证混凝的效果; 液氯或臭氧消毒反应器中, 也需要通过相应的化学 反应, 产生具有强氧化能力的次氯酸或原子氧, 并通 过水流运动扩散到反应器后才能发挥良好的消毒作 用。考虑到反应
15、器中发挥处理效果的化学物质浓度 分布会直接影响反应器的处理效果, 对此类反应器 设计和运行状况的分析, 除了需要利用 CFD 技术对 反应器中水流特性分析外, 还必须结合工程的实际 情况, 确定化学反应产生的这些化学物质的发生量, 在流场分析的基础上预测它们的浓度扩散和分布规 律, 进而判断反应器的设计及运行效果。 美国亚利桑那州 66% 的污水处理厂在消毒工 12 艺中使用 CFD 技术优化消毒池的设计和运行过程, 结果表明, 通过合理调整接触池的工艺尺寸可以改 善反应器的水力特性, 减少池中短流发生的可能性, 实际降低氯耗 20% 70% 17 。Do?Quang 等、 Evans 等、
16、Murrer 等18 ? 20在臭氧接触消毒池的设计中也分 别进行过类似的尝试, 并在实际工作中得到了验证。 在紫外线消毒反应器中, Janex 等和 Blatchley 等也利 用CFD技术和 LSI( Linear Source Integration Model) 源 强发生模式组合成的综合软件系统, 模拟了设计和 运行参数对反应器运行的影响, 提出了优化反应器 的设计方案, 并在实验室条件下得到了验证21 ?23。 此外, 在混凝反应器、 超临界水氧化反应器等化学处 理反应器的优化设计和运行中应用 CFD 技术, 也有 一些相关报道。 与前一类反应器相比, 影响处理效果的化学物 质在化
17、学处理反应器中的分布成为考察反应器设计 和运行效果的关键。相关研究中采用了 CFD 技术 分析反应器中的流场和化学物质浓度场, 并以此为 基础对反应器设计和运行的效果进行分析, 但这种 分析方法并未能真正建立基于反应处理效果指标分 析的反应器数值模拟模型, 应用中也存在着处理效 果的化学物质浓度与水质指标的关系复杂, 最优化 学物质浓度不易取得的弊病, 影响反应器的优化设 计和运行。 1. 1. 3? 在生物处理反应器中的应用 生物反应器利用自凝聚形成的活性污泥或黏附 在载体上形成的生物膜这两种微生物聚集体, 在水 流对物质和能量的传递作用下, 从水中吸附溶解性 的多种污染物, 合成微生物细胞
18、, 自身增殖的同时降 解水中的污染物质。CFD技术应用于生物处理反应 器中, 主要通过分析反应器中的流场和影响微生物 生长的环境因素变化, 优化反应器的设计和运行。 塘系统是最接近自然降解状态的生物处理反应 器。Wood 等24利用技术, 采用 FIDAP 有限元软件 建立了四塘串联系统稳态条件下的二维流动模型, 并用于废水稳定塘的运行效果分析和优化设计中。 Vega 等25利用 MIKE 21 软件分析了哥伦比亚西南 部的一个厌氧塘的运行过程, 通过模拟不同污泥量、 不同进出口位置、 不同隔板位置和不同几何尺寸的 氧化塘中的流场, 提出了氧化塘的优化设计方案: 十 字交叉( 对角相对) 的进
19、出口分布、 2#1 的长宽比、 在 1/ 3 长和 2/ 3 长的位置放置两个隔板。Salter 等 26 则利用 CFD 技术模拟了泰国一个低 BOD 去除率的 氧化塘的运行过程, 发现了其中的短流现象, 并比较 了恒定流条件下有挡板和无挡板时氧化塘的流速和 停留时间分布。近年来利用 Phoenics、 Fluent 等其他 CFD 通用软件, 进行塘系统设计和运行优化的研究 也有一些报道27 ?29。活性污泥反应器( 池) 中, 污 泥、 水和氧气间的多相传质过程更为复杂。Karama 等 30利用 PHOENICS 软件模拟了不同结构参数下 活性污泥反应池的运行工况, 分析了活性污泥反应
20、 器中低溶解氧区域的分布和变化, 并与试验数据进 行了对比, 在此基础上提出了优化设计的方案。 Cockx 等31则用 ASTRID 软件, 对两相流生化反应器 的设计和运行进行了模拟优化, 并在给定初始界面 质量传递条件下, 精确地预测了气提循环式反应器 和活性污泥反应器中溶解氧浓度。 与物理处理和化学处理反应器相比, 生物处理 反应器由于涉及生化反应、 多相流动以及气固液间 的物质、 能量传递等多领域的问题, 模拟分析最为复 杂。鉴于反应器中流动本身的复杂性, 多数研究者 在利用 CFD 进行流场分析时仍以单相流动为主, 仅 有少数研究者考虑了反应器中生物絮体的影响, 采 用了两相流理论进
21、行分析。这种流动的单相假设尽 管简化了数值模拟的过程, 但却造成了研究中模拟 过程的偏差。对流动状况的分析缺乏足够有效的实 测数据进行验证, 也制约了 CFD 应用的深入。此 外, 在模拟生物反应器设计和运行状况时, 研究也多 基于流动状态分析和溶解氧分布模拟, 从反应器中 是否发生短流或溶解氧是否会成为受限因子来考察 反应器的处理效果, 并未能真正结合生化反应的基 本原理, 从微生物生长的角度建立基于流动、 环境因 子浓度分布和生化反应的生物反应器数值模型。 1. 2? 应用 CFD 技术优化水处理反应器设计和运行 的国内研究 ? 国内CFD 技术最早应用于水处理反应器中的 报道出现在 19
22、97 年, 清华大学的张庄32利用 k?紊 流模型分析了中心进水的辐流式沉淀池的运行, 模 拟了沉淀池的流态和悬浮物的浓度分布, 并比较了 挡板不同位置对处理效果的影响。河海大学的蔡金 傍、 何国建33, 34也分别利用二维紊流模型, 基于不 同的悬浮物沉降规律, 分析了实际条件下不同进口 挡板高度、 进口流速和长高比对平流式沉淀池流态 和悬浮物去除效果的影响。在化学和生物处理反应 器中, 詹咏35利用平面二维 N?S 方程分析了絮凝池 中不同边壁条件下的流场, 结合模型试验研究了边 壁条件对絮凝效果的影响; 季民等36则对移动床生 物膜反应器( MBBR) 中的流场进行了二维数值模拟, 并在
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- 计算 流体力学 水处理 反应器 优化 设计 运行 中的 应用
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