前言

作為生化技術(shù)的一個(gè)門(mén)類(lèi)，“活性污泥法”通常是中大型污水處理系統(tǒng)的核心，其運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)劣將直接關(guān)系到水中的污染物指標(biāo)（主要包括CODCr、BOD5、NH3-N等）能否達(dá)到排放要求。

“傳統(tǒng)活性污泥法”是眾多活性污泥法中發(fā)展最早、運(yùn)用最廣泛的一種，其有效性無(wú)論是在時(shí)間維度上（百年發(fā)展史）還是空間維度上（全球范圍）均得到了充分的驗(yàn)證。有別于填料接觸氧化法、生物濾池技術(shù)或MBBR技術(shù)，傳統(tǒng)活性污泥法中“活性污泥”在曝氣攪拌的作用下懸浮于池體中，這也是其能與廢水中的污染物充分接觸和反應(yīng)的前提條件。

CFD可以預(yù)測(cè)空間中流體的流動(dòng)特性，并用可視化的手段呈現(xiàn)出來(lái)。相比于傳統(tǒng)試驗(yàn)方法，CFD可以在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)多種工況和設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，而對(duì)于難以實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的場(chǎng)景，CFD技術(shù)更是研發(fā)或工程人員評(píng)估方案有效性的首選工具。

本文模擬研究的對(duì)象是一個(gè)處理食品行業(yè)生產(chǎn)廢水的好氧活性污泥系統(tǒng)，旨在看看通過(guò)CFD技術(shù)能夠獲取生化反應(yīng)池內(nèi)的哪些信息。內(nèi)容被拆成上下兩篇，上篇以概念和項(xiàng)目闡述為主，下篇會(huì)發(fā)散開(kāi)，對(duì)比曝氣器的不同布置方案和不同的曝氣量會(huì)給流場(chǎng)帶來(lái)哪些變化，未來(lái)能給曝氣系統(tǒng)的精細(xì)化設(shè)計(jì)和節(jié)能降碳提供哪些指導(dǎo)。雖然目前曝氣器的布置方式基本已“成熟化”，但是“成熟的”的方案是否就是正確或最優(yōu)的？在技術(shù)發(fā)展已非常成熟的階段，每突破一小步都不容易。拋磚引玉……

1、傳統(tǒng)活性污泥法概述

1.1 工藝發(fā)展史

1912年英國(guó)的Clark和Gage發(fā)現(xiàn)對(duì)污水進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間曝氣會(huì)產(chǎn)生污泥，同時(shí)水質(zhì)會(huì)得到明顯的改善。繼而英國(guó)工程師Edward Ardern和William Lockett對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，并于1914年發(fā)表了研究成果，“活性污泥”這一專(zhuān)業(yè)名詞也隨即誕生。同年，第一座活性污泥法污水處理試驗(yàn)廠(chǎng)在英國(guó)的曼徹斯特建成，這也標(biāo)志著活性污泥法正式進(jìn)入了工程實(shí)踐階段。

布萊恩·阿瑟曾說(shuō)：“技術(shù)是捕捉現(xiàn)象并加以利用的過(guò)程。”活性污泥法的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展史充分印證了這一觀點(diǎn)，從其起源至今的百余年歷史中，其底層原理的可靠性已得到了充分的驗(yàn)證，并且同步衍生出了其它生化技術(shù)，包括接觸氧化法、SBR法、A/O法、MBBR法等，雖然它們?cè)诹鞒袒蛟O(shè)計(jì)細(xì)節(jié)方面有差異，但底層原理都是通過(guò)人工培養(yǎng)的微生物來(lái)降解有機(jī)污染物，核心就是如何把污泥養(yǎng)好。

相較于其它處理有機(jī)物的水處理技術(shù)，活性污泥法有著噸水處理成本低這一顯著優(yōu)勢(shì)，并且COD去除率高、次生污染少，這些是它能在污水處理領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用的重要原因。

1.2 工藝流程和生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

傳統(tǒng)活性污泥法的工藝流程如圖1.1所示：

圖1.1 活性污泥法工藝流程圖（摘自華東理工大學(xué)本科教材，2007/12）

在活性污泥反應(yīng)池中，有機(jī)污染物、微生物和氧氣之間在經(jīng)過(guò)了復(fù)雜的互相作用后，部分有機(jī)物會(huì)被礦化為無(wú)機(jī)碳而進(jìn)入大氣，部分作為微生物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分而成為活性污泥的一部分，最終以剩余污泥的形式被排出系統(tǒng)。

米凱·利斯-門(mén)坦（Michaelis-Menten）于1913年通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出：在微生物酶催化作用下，微生物對(duì)底物降解速率與底物濃度間符合“米門(mén)方程”：

式中：v為底物的比降解速率，即單位生物量對(duì)底物的降解速率；vmax為底物最大比降解速率；Km為半飽和常數(shù)，即v=1/2vmax時(shí)的底物濃度；S為底物濃度。

不同于描述微生物增長(zhǎng)的莫諾（Monod）方程，米門(mén)方程更偏向于是一個(gè)理論方程。與所有的理論一樣，它也有其成立的前提條件，包括穩(wěn)態(tài)假設(shè)、單一底物、低酶濃度、單向反應(yīng)等。

在實(shí)際的廢水處理過(guò)程中，水中有機(jī)物的不可能只有一種，且不同行業(yè)的廢水水質(zhì)千差萬(wàn)別。即便是同一個(gè)城市或同一個(gè)工廠(chǎng)，其廢水的排放量及水質(zhì)也會(huì)隨著季節(jié)、生產(chǎn)周期、生產(chǎn)工藝等的變化而變化。再有，基于廢水處理行業(yè)所特有的行業(yè)屬性，深入研究各種廢水底物降解動(dòng)力學(xué)并不能給EPC方或O方帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。所以基于各種原因，想在工程運(yùn)用層面找到一個(gè)能精確描述有機(jī)物降解動(dòng)力學(xué)的方程是極為困難的。同樣的情形也適用于描述微生物增長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)方程。

但是，這并代表包括米門(mén)方程、莫諾方程在內(nèi)的一些基礎(chǔ)方程沒(méi)有實(shí)際運(yùn)用價(jià)值，雖然它們離對(duì)實(shí)際進(jìn)行“定量”描述有一定距離，但要“定性”描述還是沒(méi)問(wèn)題的。目前用于設(shè)計(jì)活性污泥系統(tǒng)的各種計(jì)算公式基本上是建立在這些基本方程之上的，即它們的形式與基本方程保持著高度的一致性，只是方程中相關(guān)參數(shù)值的設(shè)定依賴(lài)于細(xì)分行業(yè)或具體場(chǎng)景。圖1.2是本人以前自編寫(xiě)的A/O法EXCEL計(jì)算書(shū)的一角，里面計(jì)算公式的確定綜合參考了各種設(shè)計(jì)手冊(cè)和教材，以“硝化菌比增長(zhǎng)速率”為例，其計(jì)算公式就基本維持了莫諾方程的形式。

圖1.2 本人自編的A/O法EXCEL計(jì)算書(shū)的一角

當(dāng)然，細(xì)分行業(yè)里那些厲害的“污師”可以完全跳開(kāi)這些計(jì)算書(shū)而完全憑借工程經(jīng)驗(yàn)直接給出關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。而極少數(shù)大神可以自己總結(jié)歸納出屬于特定場(chǎng)景或行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)公式，這些經(jīng)驗(yàn)公式融入了專(zhuān)屬于他們自己的設(shè)計(jì)思想和理念，他們不但有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)還有深厚的理論功底，華東理工大學(xué)的金老師當(dāng)屬其列。

1.3 生化反應(yīng)與曝氣充氧

在活性污泥法中，微生物需要借助氧氣來(lái)氧化有機(jī)物，所以曝氣系統(tǒng)的第一個(gè)作用是給生化反應(yīng)池充氧。“生化充氧量”的計(jì)算方式有很多，以下是一個(gè)比較精細(xì)化的公式：

式中符號(hào)的具體意義不多細(xì)述。等號(hào)右邊第一項(xiàng)表示“所有去除的有機(jī)底物都是被氧氣礦化的情況下的需氧量”。但是并非所有的有機(jī)物都是被氧氣礦化的，有一部分是隨著剩余污泥的排放而被帶走的，這一部分有機(jī)物對(duì)應(yīng)的需氧量須在第一項(xiàng)中被抵扣，這就是第二項(xiàng)的意義。第三項(xiàng)表示“所有去除的氨氮都是被氧氣氧化的情況下的需氧量”，但與有機(jī)底物一樣，需要考慮剩余污泥所直接帶走的部分。第五項(xiàng)表示硝態(tài)氮被還原所釋放的氧量。

但是從曝氣器中充入生化反應(yīng)池中的氧氣并不是直接就能與微生物、有機(jī)物發(fā)生生化反應(yīng)的，而是先有一個(gè)“傳質(zhì)”的過(guò)程。同其它流體傳質(zhì)的模型一樣，氧氣在池中的傳遞阻力也主要集中在“邊界層”中，只不過(guò)在氣液兩相流中，邊界層包含了液相邊界層和氣相邊界層，如圖1.3所示：

圖1.3 氧傳質(zhì)雙膜模型圖（摘自華東理工大學(xué)本科教材，2007/12）

氧的傳質(zhì)速率可用以下積分方程表示：

式中：V表示單位時(shí)間內(nèi)的氧傳遞量；D為擴(kuò)散系數(shù)；μ為氧的化學(xué)勢(shì)；L為擴(kuò)散程的長(zhǎng)度，可以用邊界層的厚度來(lái)代替；S為氣液兩相接觸界面的面積。

基于這個(gè)方程可以定性得出幾個(gè)結(jié)論：1，因?yàn)檠鯕庠跉庀嘀械幕瘜W(xué)勢(shì)μ與其分壓正相關(guān)，故而一般來(lái)說(shuō)池體深度越深，氧傳遞速率就會(huì)越大；2，在同樣的曝氣量下，氣泡直徑越小，比表面積就越大，即氣液接觸面積S就越大，氧傳遞速度V也就越大；3，邊界層厚度L越薄，氧傳遞速度V就越大，而L的大小是由池內(nèi)流場(chǎng)決定的——曝氣量、氣泡大小、曝氣器的位置布置等因素共同決定了池內(nèi)的流場(chǎng)特性。

但是試想如果活性污泥完全沉積在池底，那么即便水中溶解氧充足，生化反應(yīng)也無(wú)法有效進(jìn)行，因?yàn)榛钚晕勰嗪蛷U水無(wú)法充分接觸。所以曝氣系統(tǒng)的另一個(gè)重要作用就是“攪拌”，保證活性污泥能夠均勻地懸浮在生化反應(yīng)池中。讓污泥均勻懸浮這一要求在生化處理工藝中是普適的，比如在缺氧池中需要關(guān)注推流攪拌機(jī)的推進(jìn)功率和安裝位置，而在厭氧塔中要關(guān)注廢水在塔底分布的均勻性和整體的上升流速。

現(xiàn)在曝氣器的種類(lèi)和形式有很多，在傳統(tǒng)活性污泥法中常用的有微孔曝氣器、旋流曝氣器和射流曝氣器。一般來(lái)說(shuō)微孔曝氣器產(chǎn)生的氣泡直徑最小，大多在2~4mm，故而在同樣的曝氣量下具有最高的氧轉(zhuǎn)移速率。而旋流曝氣器的氣泡直徑會(huì)更大些，在同樣的氧轉(zhuǎn)移速率下其攪拌效果會(huì)強(qiáng)于微孔曝氣，且不易堵塞。而射流曝氣器能制造出更高的攪拌強(qiáng)度，但相應(yīng)地也會(huì)有更高的能耗。

圖1.4 從左到右依次為微孔曝氣器（上海尚析）、旋流曝氣器、射流曝氣器

2、CFD與研究對(duì)象概述

2.1 CFD簡(jiǎn)介

CFD是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）的縮寫(xiě)，是一種通過(guò)數(shù)值方法模擬和分析流體流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等物理現(xiàn)象的技術(shù)。其核心是通過(guò)數(shù)值方法求解基本的方程組（比如N-S方程、氣體狀態(tài)方程、化學(xué)反應(yīng)方程）來(lái)獲取流場(chǎng)內(nèi)的各種信息。由于基本的方程的準(zhǔn)確性是經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證的，故而原則上求解這些方程組所獲得的信息也是可靠的。

2.2 CFD模擬對(duì)象概述

模擬對(duì)象為一個(gè)食品行業(yè)廢水處理系統(tǒng)的活性污泥生化反應(yīng)池，池體被分成若干格，每一格的尺寸約為2.2m長(zhǎng)×2.2m寬×2.3m高有效水深，池底采用的是管式微孔曝氣管，其布置如圖2.1所示：

圖2.1 曝氣管平面布置圖

現(xiàn)在曝氣器廠(chǎng)家、工程公司或設(shè)計(jì)院通常都是按照這種等間距的方式來(lái)布置曝氣器的。

表2.1為連續(xù)5天的現(xiàn)場(chǎng)取樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)：

表2.1 連續(xù)5天水樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)

SVI值（基于SV30和MLSS計(jì)算所得）在80~130范圍內(nèi)，正常。DO值均大于2mg/L，也沒(méi)有問(wèn)題。SV30偏低，但這是MLSS偏低所導(dǎo)致的，即池內(nèi)懸浮保有的污泥濃度偏低（當(dāng)時(shí)只看到了化驗(yàn)數(shù)據(jù)，取樣點(diǎn)是否合理不得而知）。因這邊主要分析池內(nèi)流場(chǎng)，所以其它水質(zhì)和工藝參數(shù)就不羅列了（也不便全部羅列）。

本人當(dāng)時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)時(shí)進(jìn)水負(fù)荷不高，每格池子接受的氣量也很小，約為6Nm3/h，不過(guò)單從COD去除角度看的話(huà)這個(gè)曝氣量是夠的。圖2.2為現(xiàn)場(chǎng)拍攝的視頻的截圖，從視頻中看池面泡沫覆蓋的面積較大且平穩(wěn)，投加的部分MBBR填料聚集在池面的邊緣和角落處（雖投加了MBBR填料，但是它們有聚集現(xiàn)象且附著的泥量很少，故還是以傳統(tǒng)活性污泥法稱(chēng)之），綜合來(lái)看曝氣攪拌效果弱。

圖2.2 活性污泥反應(yīng)池現(xiàn)場(chǎng)視頻截圖

3、CFD數(shù)值模擬結(jié)果與討論

3.1 CFD基本設(shè)置

基于生化反應(yīng)池的實(shí)際尺寸、曝氣器的實(shí)際尺寸和布置方式進(jìn)行3D建模。因進(jìn)出水流量小、對(duì)整體流場(chǎng)的影響弱，故而在邊界設(shè)置中未計(jì)入進(jìn)出水。曝氣量按6Nm3/h，其它主要的設(shè)置條件如表3.1所示：

表3.1 CFD建模參數(shù)設(shè)置概要

3.2 CFD計(jì)算結(jié)果與討論

圖3.1 池體水平截面速度云圖（z為豎直坐標(biāo)軸，曝氣管底標(biāo)高z=0.0m）

從圖3.1中可以看出，池底和池面是一個(gè)非常明顯的低流速區(qū)域——平均流速遠(yuǎn)小于0.1m/s。

關(guān)于流速：

①《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè).第05冊(cè).城鎮(zhèn)排水》：好氧曝氣池內(nèi)平均水流速度在0.25m/s左右；

②《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014-2006)：生物反應(yīng)池中的好氧區(qū)（池），采用鼓風(fēng)曝氣器時(shí)，處理每立方米污水的供氣量不應(yīng)小于3m3。

③鄧榮森等[1,2]在研究氧化溝流態(tài)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在活性污泥系統(tǒng)內(nèi)底部流速大于0.15m/s即可避免污泥淤積; Nakasone等[3]將速度定為0.1m/s，華東理工大學(xué)環(huán)境工程研究所[4]在研究氧化溝流態(tài)時(shí)也采用該值。

無(wú)論采用哪一個(gè)流速值作為基準(zhǔn)，z=-10~20cm區(qū)域均會(huì)是一個(gè)極易發(fā)生污泥淤積的區(qū)域。而池面的低流速也會(huì)使得MBBR填料一旦進(jìn)入到該區(qū)域后便較難再被水流帶回到下部。

圖3.2 池體x方向豎直截面速度云圖（x為橫向坐標(biāo)軸，池體中心截面x=0.0m）

圖3.3 池體y方向豎直截面速度云圖（y為橫向坐標(biāo)軸，池體中心截面y=0.0m）

圖3.4 v=0.15m/s等值面圖

從圖3.2~3.4中可以看出，中心位置截面處平均流速最快，越靠近池壁平均流速越慢。這種速度分布的特性，也為池底曝氣器布置的調(diào)整給出了某種提示或可能的方向。

圖3.5 池體水平截面速度云圖（x=0.0m）

從速度矢量圖中可以看出，剖面上水流方向雜亂，沒(méi)有在豎直方向上形成較為明顯的大型渦流，這易導(dǎo)致MBBR填料的不均勻分布甚至聚集。而對(duì)于真正無(wú)填料的傳統(tǒng)活性污泥法，有無(wú)大渦流對(duì)于氧傳質(zhì)、污泥的攪動(dòng)和懸浮均布會(huì)產(chǎn)生何種影響，將在下篇中進(jìn)行討論和分析。

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本文轉(zhuǎn)載自《北斗數(shù)學(xué)與物理》“CFD與好氧活性污泥法曝氣系統(tǒng)（上篇-概述）”

審核編輯 黃宇