CFD优化实现污水处理曝气系统节能降碳的应用实践(上)

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前言

作为生化技术的一个门类，“活性污泥法”通常是中大型污水处理系统的核心，其运行状态的优劣将直接关系到水中的污染物指标（主要包括CODCr、BOD5、NH3-N等）能否达到排放要求。

“传统活性污泥法”是众多活性污泥法中发展最早、运用最广泛的一种，其有效性无论是在时间维度上（百年发展史）还是空间维度上（全球范围）均得到了充分的验证。有别于填料接触氧化法、生物滤池技术或MBBR技术，传统活性污泥法中“活性污泥”在曝气搅拌的作用下悬浮于池体中，这也是其能与废水中的污染物充分接触和反应的前提条件。

CFD可以预测空间中流体的流动特性，并用可视化的手段呈现出来。相比于传统试验方法，CFD可以在较短时间内对多种工况和设计进行评估，而对于难以实验观测的场景，CFD技术更是研发或工程人员评估方案有效性的首选工具。

本文模拟研究的对象是一个处理食品行业生产废水的好氧活性污泥系统，旨在看看通过CFD技术能够获取生化反应池内的哪些信息。内容被拆成上下两篇，上篇以概念和项目阐述为主，下篇会发散开，对比曝气器的不同布置方案和不同的曝气量会给流场带来哪些变化，未来能给曝气系统的精细化设计和节能降碳提供哪些指导。虽然目前曝气器的布置方式基本已“成熟化”，但是“成熟的”的方案是否就是正确或最优的？在技术发展已非常成熟的阶段，每突破一小步都不容易。抛砖引玉……

1、传统活性污泥法概述

1.1 工艺发展史

1912年英国的Clark和Gage发现对污水进行长时间曝气会产生污泥，同时水质会得到明显的改善。继而英国工程师Edward Ardern和William Lockett对该问题进行了系统性的研究，并于1914年发表了研究成果，“活性污泥”这一专业名词也随即诞生。同年，第一座活性污泥法污水处理试验厂在英国的曼彻斯特建成，这也标志着活性污泥法正式进入了工程实践阶段。

布莱恩·阿瑟曾说：“技术是捕捉现象并加以利用的过程。”活性污泥法的发现和发展史充分印证了这一观点，从其起源至今的百余年历史中，其底层原理的可靠性已得到了充分的验证，并且同步衍生出了其它生化技术，包括接触氧化法、SBR法、A/O法、MBBR法等，虽然它们在流程或设计细节方面有差异，但底层原理都是通过人工培养的微生物来降解有机污染物，核心就是如何把污泥养好。

相较于其它处理有机物的水处理技术，活性污泥法有着吨水处理成本低这一显著优势，并且COD去除率高、次生污染少，这些是它能在污水处理领域被广泛运用的重要原因。

1.2 工艺流程和生化反应动力学

传统活性污泥法的工艺流程如图1.1所示：

图1.1 活性污泥法工艺流程图（摘自华东理工大学本科教材，2007/12）

在活性污泥反应池中，有机污染物、微生物和氧气之间在经过了复杂的互相作用后，部分有机物会被矿化为无机碳而进入大气，部分作为微生物生长所需的养分而成为活性污泥的一部分，最终以剩余污泥的形式被排出系统。

米凯·利斯-门坦（Michaelis-Menten）于1913年通过实验得出：在微生物酶催化作用下，微生物对底物降解速率与底物浓度间符合“米门方程”：

式中：v为底物的比降解速率，即单位生物量对底物的降解速率；vmax为底物最大比降解速率；Km为半饱和常数，即v=1/2vmax时的底物浓度；S为底物浓度。

不同于描述微生物增长的莫诺（Monod）方程，米门方程更偏向于是一个理论方程。与所有的理论一样，它也有其成立的前提条件，包括稳态假设、单一底物、低酶浓度、单向反应等。

在实际的废水处理过程中，水中有机物的不可能只有一种，且不同行业的废水水质千差万别。即便是同一个城市或同一个工厂，其废水的排放量及水质也会随着季节、生产周期、生产工艺等的变化而变化。再有，基于废水处理行业所特有的行业属性，深入研究各种废水底物降解动力学并不能给EPC方或O方带来显著的经济效益。所以基于各种原因，想在工程运用层面找到一个能精确描述有机物降解动力学的方程是极为困难的。同样的情形也适用于描述微生物增长的动力学方程。

但是，这并代表包括米门方程、莫诺方程在内的一些基础方程没有实际运用价值，虽然它们离对实际进行“定量”描述有一定距离，但要“定性”描述还是没问题的。目前用于设计活性污泥系统的各种计算公式基本上是建立在这些基本方程之上的，即它们的形式与基本方程保持着高度的一致性，只是方程中相关参数值的设定依赖于细分行业或具体场景。图1.2是本人以前自编写的A/O法EXCEL计算书的一角，里面计算公式的确定综合参考了各种设计手册和教材，以“硝化菌比增长速率”为例，其计算公式就基本维持了莫诺方程的形式。

图1.2 本人自编的A/O法EXCEL计算书的一角

当然，细分行业里那些厉害的“污师”可以完全跳开这些计算书而完全凭借工程经验直接给出关键的设计参数。而极少数大神可以自己总结归纳出属于特定场景或行业的经验公式，这些经验公式融入了专属于他们自己的设计思想和理念，他们不但有丰富的工程经验还有深厚的理论功底，华东理工大学的金老师当属其列。

1.3 生化反应与曝气充氧

在活性污泥法中，微生物需要借助氧气来氧化有机物，所以曝气系统的第一个作用是给生化反应池充氧。“生化充氧量”的计算方式有很多，以下是一个比较精细化的公式：

式中符号的具体意义不多细述。等号右边第一项表示“所有去除的有机底物都是被氧气矿化的情况下的需氧量”。但是并非所有的有机物都是被氧气矿化的，有一部分是随着剩余污泥的排放而被带走的，这一部分有机物对应的需氧量须在第一项中被抵扣，这就是第二项的意义。第三项表示“所有去除的氨氮都是被氧气氧化的情况下的需氧量”，但与有机底物一样，需要考虑剩余污泥所直接带走的部分。第五项表示硝态氮被还原所释放的氧量。

但是从曝气器中充入生化反应池中的氧气并不是直接就能与微生物、有机物发生生化反应的，而是先有一个“传质”的过程。同其它流体传质的模型一样，氧气在池中的传递阻力也主要集中在“边界层”中，只不过在气液两相流中，边界层包含了液相边界层和气相边界层，如图1.3所示：

图1.3 氧传质双膜模型图（摘自华东理工大学本科教材，2007/12）

氧的传质速率可用以下积分方程表示：

式中：V表示单位时间内的氧传递量；D为扩散系数；μ为氧的化学势；L为扩散程的长度，可以用边界层的厚度来代替；S为气液两相接触界面的面积。

基于这个方程可以定性得出几个结论：1，因为氧气在气相中的化学势μ与其分压正相关，故而一般来说池体深度越深，氧传递速率就会越大；2，在同样的曝气量下，气泡直径越小，比表面积就越大，即气液接触面积S就越大，氧传递速度V也就越大；3，边界层厚度L越薄，氧传递速度V就越大，而L的大小是由池内流场决定的——曝气量、气泡大小、曝气器的位置布置等因素共同决定了池内的流场特性。

但是试想如果活性污泥完全沉积在池底，那么即便水中溶解氧充足，生化反应也无法有效进行，因为活性污泥和废水无法充分接触。所以曝气系统的另一个重要作用就是“搅拌”，保证活性污泥能够均匀地悬浮在生化反应池中。让污泥均匀悬浮这一要求在生化处理工艺中是普适的，比如在缺氧池中需要关注推流搅拌机的推进功率和安装位置，而在厌氧塔中要关注废水在塔底分布的均匀性和整体的上升流速。

现在曝气器的种类和形式有很多，在传统活性污泥法中常用的有微孔曝气器、旋流曝气器和射流曝气器。一般来说微孔曝气器产生的气泡直径最小，大多在2~4mm，故而在同样的曝气量下具有最高的氧转移速率。而旋流曝气器的气泡直径会更大些，在同样的氧转移速率下其搅拌效果会强于微孔曝气，且不易堵塞。而射流曝气器能制造出更高的搅拌强度，但相应地也会有更高的能耗。

图1.4 从左到右依次为微孔曝气器（上海尚析）、旋流曝气器、射流曝气器

2、CFD与研究对象概述

2.1 CFD简介

CFD是计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics）的缩写，是一种通过数值方法模拟和分析流体流动、传热、化学反应等物理现象的技术。其核心是通过数值方法求解基本的方程组（比如N-S方程、气体状态方程、化学反应方程）来获取流场内的各种信息。由于基本的方程的准确性是经过充分验证的，故而原则上求解这些方程组所获得的信息也是可靠的。

2.2 CFD模拟对象概述

模拟对象为一个食品行业废水处理系统的活性污泥生化反应池，池体被分成若干格，每一格的尺寸约为2.2m长×2.2m宽×2.3m高有效水深，池底采用的是管式微孔曝气管，其布置如图2.1所示：

图2.1 曝气管平面布置图

现在曝气器厂家、工程公司或设计院通常都是按照这种等间距的方式来布置曝气器的。

表2.1为连续5天的现场取样化验数据：

表2.1 连续5天水样化验数据

SVI值（基于SV30和MLSS计算所得）在80~130范围内，正常。DO值均大于2mg/L，也没有问题。SV30偏低，但这是MLSS偏低所导致的，即池内悬浮保有的污泥浓度偏低（当时只看到了化验数据，取样点是否合理不得而知）。因这边主要分析池内流场，所以其它水质和工艺参数就不罗列了（也不便全部罗列）。

本人当时到现场时进水负荷不高，每格池子接受的气量也很小，约为6Nm3/h，不过单从COD去除角度看的话这个曝气量是够的。图2.2为现场拍摄的视频的截图，从视频中看池面泡沫覆盖的面积较大且平稳，投加的部分MBBR填料聚集在池面的边缘和角落处（虽投加了MBBR填料，但是它们有聚集现象且附着的泥量很少，故还是以传统活性污泥法称之），综合来看曝气搅拌效果弱。