水处理仿真全解析：必备知识大揭秘

水处理就是通过物理、化学、生物等手段，去除水中一些对生产、生活不需要的有害物质的水质调理过程。利用实验手段来进行水处理研究的花费较大，随着现代CAE仿真技术的日趋成熟，企业完全可以将这种先进的研发手段与试验和经验相结合，形成互补，从而提升研发设计能力，有效指导水处理的相关研发设计，节省成本，缩短设计周期，从而大幅度提高企业的市场竞争力。

污水入口设施

污水入口设施CFD模拟流线

紫外消毒

紫外消毒优化设计方法有试验模拟与数值模拟两种。试验模拟通过对真实消毒系统进行分析、验证和优化，需要大量的装置加工和生物验证工作。数值模拟采用计算流体力学CFD作为研究工具，借助高性能计算机，利用CFD软件，模拟紫外杀菌并实现结构和操作参数的优化。紫外消毒数值模拟的关键因素有以下两个方面：

光强的模拟

在紫外消毒反应器的设计上，得到紫外光强在反应器内的分布，反应器内介质的吸收，套管及灯光的反射、折射等细节都是非常重要的。光强的分布直接影响到紫外反应器的计量分布及灭菌效果。利用CFD的可视化优势，结合数值模拟，直观地得到反应器内光强分布，为反应器的设计优化提供了边界条件。

ANSYS FLUENT的辐射模型非常丰富，其中的DO（Discrete Ordinate）模型可以充分的模拟紫外线光强，该模型可以模拟吸收、反射、多频段波以及对称、周期边界。

DO模型模拟得到的光强分布

当量剂量计算

紫外线消毒设备的消毒效果与紫外线剂量(UV dose)的大小直接相关。当量剂量(Reduction Equivalent Dose， RED)能很好地评价反应器的消毒效果，它是指反应器中所有微生物随水流运动，经过消毒区域后按相同存活率折算的紫外剂量之和。当量剂量不仅与光强分布有关，还与微生物在反应器中停留时间等参数有关。

ANSYS FLUENT对紫外反应器当量剂量的模拟主要采取拉格朗日方法，对应的CFD模型为离散型模型(Discrete Phase Model, DMP)。在该模型中，微生物被看作离散相，水作为连续相，在拉格朗日框架下通过求解N-S方程得到每个投加粒子的运动情况，追踪粒子的运动轨迹。

紫外消毒器几何分布

UV强度分布和颗粒分布

活性污泥法

活性污泥法是以活性污泥为主体的废水生物处理的主要方法，该法是在人工充氧的条件下，对污水中的各种微生物群体进行连续混合培养，形成活性污泥。利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，以分解去除污水中的有机污染物。然后使污泥与水分离，大部分污泥再回流到曝气池，多余部分则排出活性污泥系统。活性污泥法的CFD模拟关键主要有以下两个方面：

曝气的模拟分析

曝气是指将空气中的氧强制向液体中转移的过程，其目的是获得足够的溶解氧。此外，曝气还有防止池内悬浮体下沉，加强池内有机物与微生物及溶解氧接触的目的，从而保证池内微生物在有充足溶解氧的条件下，对污水中有机物的氧化分解作用。

曝气池中的溶解氧可以用ANSYS FLUENT的欧拉多相流模型、组分输送模型来模拟。通过求解动量守恒方程、质量守恒方程、液相和气相中的组分输运方程可以得到水中的氧含量。

水的体积分数分布图

氧气的质量分数分布

生物反应的模拟分析

ANSYS FLUENT中的活性污泥模型(ASM)可以模拟污染去除情况，污染物组分浓度可以通过组分输运方程计算得到，该方程包含生物反应源项，该源项与ASM模型中生物反应动力学参数有关，是基于微生物的生长和衰减过程，通过动力学和化学计量学参数与营养物质浓度联系起来。因此，在CFD模型中结合组分输运方程可以实现流体力学与ASM模型的连接。 CFD可以模拟生物反应器流体力学特性，结合CFD和ASM模型有利于从流体力学角度提高污染物去除率。

活性污泥水处理反应器几何结构与网格

反应器内的速度矢量及大小分布

反应器内的溶解氧含量分布

反应器内微生物的浓度分布

反应器设计

水处理中典型的固液分离反应器就是沉淀池；生物处理反应器包括稳定塘、活性污泥法中的曝气池以及厌氧消化池等；化学处理反应器包括絮凝池和接触池等，其中常见的絮凝池有搅拌反应池和隔板式水力絮凝池。以常见的搅拌釜为例，搅拌釜设计过程中有许多放大准则，但是针对具体的搅拌过程，究竟哪个准则比较实用却极大的依赖于经验。通过试验的方法逐级放大，造成设计过程周期长、投入的人力、物力、财力大。

采用CFD的方法来辅助搅拌器的设计，可以极大的避免上述试验研究的不足。下例为某一生物搅拌式反应器中的桨叶形式，对于生物反应器来说需要提供适宜的剪切力，剪切不够，造成生物体生长所需的营养物质分布不匀，生物体生长缓慢，剪切过强又会造成菌丝体、细胞的破裂死亡，因此，需要对搅拌桨叶进行优化。

搅拌桨叶几何形状与网格划分

优化前搅拌釜内的流场分布

优化后搅拌釜内的流场分布

水处理辅助设备

水处理装置包含许多辅助设备，例如，污泥脱水需要离心泵、污水调节与控制需要阀门、污水的输送需要管道等。若想要提高水处理技术，必然不能忽略辅助设备的重要作用，但许多辅助设备结构较复杂，很难通过试验研究来深入了解其内部特性，于是水处理设计研发企业和单位常常借助CFD技术来进行研究。 ANSYS软件能够解决复杂几何的网格划分问题，并拥有丰富的物理模型，被广泛地应用于各种水处理设备的设计优化过程中，并取得了可喜的成果。

以泵为例，其叶轮内是高度的湍流流动，水力设计和性能预测也是泵设计的核心工作， ANSYS软件能够设计各种旋转和静止的叶片元件并生成高质量的网格， CFX更是全球公认最好的旋转机械工程CFD软件，被旋转机械领域90%以上的企业作为主要的气动/水动力学分析和设计工具。

北美的EMP公司采用ANSYS-CFX模拟的常规涡壳水泵。 EMP的工程师说， ANSYS-CFX的通用网格界面(GGI)模型使得他们能够用更短的时间，轻松完成涡壳和叶片的网格划分，而所得到的结果包括水泵内每一点的速度和压力，这是实验测量所无法完成的。他们通过ANSYS-CFX模拟，分析水泵内的分离区和回流区产生的原因并加以改进，提高了水泵的效率。