水處理就是通過物理、化學、生物等手段，去除水中一些對生產、生活不需要的有害物質的水質調理過程。利用實驗手段來進行水處理研究的花費較大，隨著現代CAE仿真技術的日趨成熟，企業完全可以將這種先進的研發手段與試驗和經驗相結合，形成互補，從而提升研發設計能力，有效指導水處理的相關研發設計，節省成本，縮短設計周期，從而大幅度提高企業的市場競爭力。

 

                                                                    污水入口設施

 

                                                        污水入口設施CFD模擬流線

 

紫外消毒

紫外消毒優化設計方法有試驗模擬與數值模擬兩種。試驗模擬通過對真實消毒系統進行分析、驗證和優化，需要大量的裝置加工和生物驗證工作。數值模擬采用計算流體力學CFD作為研究工具，借助高性能計算機，利用CFD軟件，模擬紫外殺菌并實現結構和操作參數的優化。紫外消毒數值模擬的關鍵因素有以下兩個方面：

 

• 光強的模擬

在紫外消毒反應器的設計上，得到紫外光強在反應器內的分布，反應器內介質的吸收，套管及燈光的反射、折射等細節都是非常重要的。光強的分布直接影響到紫外反應器的計量分布及滅菌效果。利用CFD的可視化優勢，結合數值模擬，直觀地得到反應器內光強分布，為反應器的設計優化提供了邊界條件。

 

ANSYS FLUENT的輻射模型非常豐富，其中的DO（Discrete Ordinate）模型可以充分的模擬紫外線光強，該模型可以模擬吸收、反射、多頻段波以及對稱、周期邊界。

                                                     DO模型模擬得到的光強分布

 

• 當量劑量計算

紫外線消毒設備的消毒效果與紫外線劑量(UV dose)的大小直接相關。當量劑量(Reduction Equivalent Dose， RED)能很好地評價反應器的消毒效果，它是指反應器中所有微生物隨水流運動，經過消毒區域后按相同存活率折算的紫外劑量之和。當量劑量不僅與光強分布有關，還與微生物在反應器中停留時間等參數有關。

 

ANSYS FLUENT對紫外反應器當量劑量的模擬主要采取拉格朗日方法，對應的CFD模型為離散型模型(Discrete Phase Model, DMP)。在該模型中，微生物被看作離散相，水作為連續相，在拉格朗日框架下通過求解N-S方程得到每個投加粒子的運動情況，追蹤粒子的運動軌跡。

                                                            紫外消毒器幾何分布

                                                           UV強度分布和顆粒分布

 

活性污泥法

活性污泥法是以活性污泥為主體的廢水生物處理的主要方法，該法是在人工充氧的條件下，對污水中的各種微生物群體進行連續混合培養，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機污染物。然后使污泥與水分離，大部分污泥再回流到曝氣池，多余部分則排出活性污泥系統?；钚晕勰喾ǖ腃FD模擬關鍵主要有以下兩個方面：

 

• 曝氣的模擬分析

曝氣是指將空氣中的氧強制向液體中轉移的過程，其目的是獲得足夠的溶解氧。此外，曝氣還有防止池內懸浮體下沉，加強池內有機物與微生物及溶解氧接觸的目的，從而保證池內微生物在有充足溶解氧的條件下，對污水中有機物的氧化分解作用。

 

曝氣池中的溶解氧可以用ANSYS FLUENT的歐拉多相流模型、組分輸送模型來模擬。通過求解動量守恒方程、質量守恒方程、液相和氣相中的組分輸運方程可以得到水中的氧含量。

 

                                                          水的體積分數分布圖

 

                                                         氧氣的質量分數分布

• 生物反應的模擬分析

ANSYS FLUENT中的活性污泥模型(ASM)可以模擬污染去除情況，污染物組分濃度可以通過組分輸運方程計算得到，該方程包含生物反應源項，該源項與ASM模型中生物反應動力學參數有關，是基于微生物的生長和衰減過程，通過動力學和化學計量學參數與營養物質濃度聯系起來。因此，在CFD模型中結合組分輸運方程可以實現流體力學與ASM模型的連接。 CFD可以模擬生物反應器流體力學特性，結合CFD和ASM模型有利于從流體力學角度提高污染物去除率。

 

                                                活性污泥水處理反應器幾何結構與網格

 

                                                   反應器內的速度矢量及大小分布

 

                                                       反應器內的溶解氧含量分布

 

                                                          反應器內微生物的濃度分布

 

反應器設計

水處理中典型的固液分離反應器就是沉淀池；生物處理反應器包括穩定塘、活性污泥法中的曝氣池以及厭氧消化池等；化學處理反應器包括絮凝池和接觸池等，其中常見的絮凝池有攪拌反應池和隔板式水力絮凝池。以常見的攪拌釜為例，攪拌釜設計過程中有許多放大準則，但是針對具體的攪拌過程，究竟哪個準則比較實用卻極大的依賴于經驗。通過試驗的方法逐級放大，造成設計過程周期長、投入的人力、物力、財力大。

 

采用CFD的方法來輔助攪拌器的設計，可以極大的避免上述試驗研究的不足。下例為某一生物攪拌式反應器中的槳葉形式，對于生物反應器來說需要提供適宜的剪切力，剪切不夠，造成生物體生長所需的營養物質分布不勻，生物體生長緩慢，剪切過強又會造成菌絲體、細胞的破裂死亡，因此，需要對攪拌槳葉進行優化。

 

                                                           攪拌槳葉幾何形狀與網格劃分

 

                                                             優化前攪拌釜內的流場分布

 

                                                           優化后攪拌釜內的流場分布

 

水處理輔助設備

水處理裝置包含許多輔助設備，例如，污泥脫水需要離心泵、污水調節與控制需要閥門、污水的輸送需要管道等。若想要提高水處理技術，必然不能忽略輔助設備的重要作用，但許多輔助設備結構較復雜，很難通過試驗研究來深入了解其內部特性，于是水處理設計研發企業和單位常常借助CFD技術來進行研究。 ANSYS軟件能夠解決復雜幾何的網格劃分問題，并擁有豐富的物理模型，被廣泛地應用于各種水處理設備的設計優化過程中，并取得了可喜的成果。

 

以泵為例，其葉輪內是高度的湍流流動，水力設計和性能預測也是泵設計的核心工作， ANSYS軟件能夠設計各種旋轉和靜止的葉片元件并生成高質量的網格， CFX更是全球公認最好的旋轉機械工程CFD軟件，被旋轉機械領域90%以上的企業作為主要的氣動/水動力學分析和設計工具。

 

北美的EMP公司采用ANSYS-CFX模擬的常規渦殼水泵。 EMP的工程師說， ANSYS-CFX的通用網格界面(GGI)模型使得他們能夠用更短的時間，輕松完成渦殼和葉片的網格劃分，而所得到的結果包括水泵內每一點的速度和壓力，這是實驗測量所無法完成的。他們通過ANSYS-CFX模擬，分析水泵內的分離區和回流區產生的原因并加以改進，提高了水泵的效率。

                                                                   水泵內的流線

 

                                                           凝結水泵葉片壓力分布

 

惡臭分析

污水處理廠中污泥脫水機房是惡臭污染較重的處理單元之一。脫水機房惡臭對外可能影周邊居民和環境，對內則會影響身處其中的工作人員身體健康和腐蝕機房內設備。所以有必要研究污泥脫水機房惡臭，以期減輕惡臭污染。污泥脫水機房惡臭物質中的硫化氫氣體是重要的惡臭污染物，并廣泛存在于污泥脫水機房空間。

 

天津市某污水處理廠采用生物法處理市政污水，污泥處理過程中會散發出惡臭氣體，硫化氫即為其中主要成分之一，通過實驗手段來對機房內的硫化氫濃度進行多點檢測既耗時又耗力，借助CFD技術來模擬污泥脫水機房內的硫化氫濃度場可節約大量成本。

 

                                                         污泥脫水機房模型結構

 

                                                             硫化氫濃度等值線

 

                                                       距地面1.0m處硫化氫濃度