設(shè)計(jì)調(diào)整及CFD分析 

1.1 曝氣管布置和總曝氣量的調(diào)整

由于在目前6Nm3/h的總曝氣量下（單位有效池容接受的氣量為0.54Nm3/h），池內(nèi)流速低于0.15m/s的區(qū)域非常多，故而優(yōu)先的調(diào)整策略就是提高曝氣量。首先將總曝氣量提高到原來的3倍，即18Nm3/h。其次，將曝氣管的布置也做了調(diào)整，如圖1.1所示。

圖1.1 坐標(biāo)位置（z=0對(duì)應(yīng)曝氣管平面）和曝氣管的布置方式（上右舊、下新）

其中，在8根管的布置方案中，曝氣器的布置方式是這樣的：間距基于等比數(shù)列，比例系數(shù)為2。

圖1.2 8根曝氣管的布置位置圖

圖1.3 生化池內(nèi)的環(huán)流示意

1.2 CFD數(shù)值模擬分析

首先看一下v=0.15m/s速度等值面圖：

從圖1.4可以看出：

（1）隨著曝氣量的提高，水在池內(nèi)的流速也有了大幅度的提升，低流速區(qū)域的范圍有了顯著的降低。

（2）在曝氣總量相同的情況下，8根曝氣管的方案有著最少的低流速區(qū)域，含有12根曝氣管的方案次之，而有著16根曝氣管的方案反而最差，這在四個(gè)壁面附近體現(xiàn)得更為突出。

接著看一看池底部區(qū)域的速度云圖：

如果池體內(nèi)的空氣攪拌效果差，那么活性污泥會(huì)沉積在底部。若要將它們?cè)俅螖噭?dòng)起來，也勢必需要對(duì)池底區(qū)域輸入足夠的攪拌功率。從圖1.5中可以看出：

（1）當(dāng)總曝氣量為6Nm3/h時(shí)，池底部區(qū)域是一個(gè)明顯的低速區(qū)，污泥極易沉積。當(dāng)總曝氣量提升至18Nm3/h時(shí)，池底部區(qū)域的流速有了明顯的提升，污泥的沉積風(fēng)險(xiǎn)也將會(huì)得到大大的降低。

（2）當(dāng)將曝氣管的數(shù)量從16根依次削減到12根、8根后，z=0.0m平面上的低速區(qū)的位置發(fā)生了變化，但面積肉眼看上去相仿。而在z=0.5m平面上，8根管的方案有著明顯最優(yōu)、12根次之、16根最差。

接著看下四周池壁附近的速度云圖：

從圖1.7中可以看出：

（1）在同樣的16根管的布置方案下，6Nm3/h和18Nm3/h差異并沒有十分顯著。

（2）但是調(diào)整布置方案后，流速就出現(xiàn)了大幅度提升，8根管方案的高速區(qū)域占比超過了2/3，而12根管和16根管的均不到1/2。

最后展示下速度矢量圖和湍動(dòng)能匯總表：

表1.1 不同水平截面上的平均湍動(dòng)能值

圖1.9 機(jī)械攪拌機(jī)產(chǎn)出的流場

從表1.1中能看出，在16根管的布置方案下池體內(nèi)的湍動(dòng)能最高，在8根管下的最低。這說明了在16根管的布置方案下曝氣給池體輸入的能量更多用于形成局部的湍流脈動(dòng)，而8根管下是宏觀的整體渦旋流動(dòng)。

所以從CFD模擬計(jì)算結(jié)果可以得出：在池內(nèi)總曝氣量相同的情況下，8根管方案的攪拌效果最佳，其次為12根管，最差的是16根管。

1.3 對(duì)常規(guī)曝氣器布置方案的思考

1.2節(jié)基于CFD流體模擬對(duì)不同曝氣器布置方案下的攪拌效果進(jìn)行了深入的分析并得出結(jié)論：若單從攪拌效果來看，目前絕大多數(shù)的曝氣器布置方案——即在池中均勻布置曝氣器——有很大的優(yōu)化空間。對(duì)于生化工藝采用MBBR的情形，如果曝氣器布置不合理，極易導(dǎo)致填料在局部堆積而抑制其效用的發(fā)揮。

基于環(huán)保行業(yè)的特殊屬性，在水處理工程項(xiàng)目的初期階段，EPC方和業(yè)主方（尤其是民營的）一般都對(duì)投資成本非常敏感：若能壓低投資成本，前者能提高項(xiàng)目的中標(biāo)概率，后者能節(jié)約一筆設(shè)備投資費(fèi)用，而根據(jù)1.2節(jié)中的調(diào)整策略，曝氣器的投資成本能縮減到原來的1/2。

當(dāng)然，曝氣器的設(shè)計(jì)也要考慮其它因素。一般來說，池內(nèi)曝氣總量的計(jì)算由如下公式來確定：

式中：“生化反應(yīng)需氧量”的計(jì)算公式在上篇中已有展示；而“曝氣氧利用率”與曝氣器的形式（包括“射流”、“旋流”、“微孔”等）以及“單位通氣量”有關(guān)，這里的“單位通氣量”就是單個(gè)曝氣器在單位時(shí)間的曝氣量。當(dāng)曝氣器的形式確定后，一般單位通氣量越大則氧利用率越低。因?yàn)閱挝煌饬吭龃蠛螅瑲馀莸谋缺砻娣e會(huì)減小，氣泡離開曝氣器的速度也會(huì)增大，導(dǎo)致氣液傳質(zhì)接觸面積減小、氣泡在池內(nèi)的停留時(shí)間縮短。如下是某進(jìn)口膜片式微孔曝氣器在一定條件下的“氧利用率~單位通氣量關(guān)系圖”和“壓損~單位通氣量關(guān)系圖”：

通過對(duì)圖表數(shù)據(jù)的分析可知，以本研究為例，當(dāng)單位通氣量由 2Nm³/(h?m) 提升至 4Nm³/(h?m)（實(shí)現(xiàn)翻倍增長）時(shí)，SSOTE（比標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移率）數(shù)值從 30 降至約 22，降幅約達(dá) 27%；同時(shí)，壓力損失從 37mbar 攀升至 43mbar，增長幅度為 16%。

值得留意的是，曝氣器廠商所提供的 SOTE 數(shù)據(jù)，是在脫氧清水環(huán)境及固定曝氣器布置方案下測定的。而實(shí)際工況中，良好的攪拌效果能夠加速氣液相界面的更新頻率，確?；钚晕勰嘣诔伢w內(nèi)均勻懸浮分布，從而有效提升活性污泥對(duì)水中溶解氧的攝取效率。因此，盡管在單位通氣量翻倍后，依據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算 SOTE 下降了 27%，但實(shí)際工況下活性污泥獲取的溶解氧量下降程度必然小于該計(jì)算值。

關(guān)于壓力損失的情況，從鼓風(fēng)機(jī)的工作角度來看，其運(yùn)行時(shí)需克服的阻力主要源于 “水深” 導(dǎo)致的曝氣阻力。在本次研究案例中，曝氣器安裝于水下 2m 位置，此處水壓約為 20000Pa。當(dāng)單位通氣量為 2Nm³/(h?m) 時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)所需揚(yáng)程為 23700Pa（暫不考慮氣體在輸氣管路中的壓力損耗）；當(dāng)單位通氣量提升至 4Nm³/(h?m)，鼓風(fēng)機(jī)所需揚(yáng)程變?yōu)?24300Pa，揚(yáng)程提升比例為 2.5%，相應(yīng)地，鼓風(fēng)機(jī)功率也僅增加 2.5%，增幅較為有限。

此外，還需考量污堵及設(shè)備使用壽命等因素。隨著單位通氣量的增大，污堵發(fā)生的概率會(huì)明顯降低，但由此引發(fā)的設(shè)備震動(dòng)加劇，以及膜片式微孔曝氣器膜片所受撕扯力增強(qiáng)等問題，可能會(huì)因機(jī)械應(yīng)力的影響而縮短曝氣器的使用壽命。

基于上述全面分析，作者制定了適用于本案例的曝氣方案評(píng)分表：

表1.2 不同曝氣器布置方案評(píng)分表

注：在該案例中，每一種曝氣方案都能滿足生化反應(yīng)對(duì)溶解氧的需求，但池中是投加了MBBR填料的，所以對(duì)攪拌的要求非常高。

● 流場優(yōu)化：總曝氣量提升至 18Nm³/h 后，8管非均勻布置方案形成穩(wěn)定雙環(huán)流，池內(nèi)高速區(qū)域占比超 2/3，壁面與底部低速區(qū)縮減60%以上，攪拌效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)均勻布管。

● 能耗平衡：盡管單位通氣量增加導(dǎo)致氧利用率下降27%，但 CFD 模擬顯示，良好的攪拌效果使實(shí)際溶氧利用率降幅小于理論值，且鼓風(fēng)機(jī)揚(yáng)程僅增加 2.5%，實(shí)現(xiàn) “能耗微增、效率躍升”。

● 成本優(yōu)勢：曝氣管數(shù)量從16根減至8根，初期投資成本降低 50%，結(jié)合污堵風(fēng)險(xiǎn)下降與填料均勻懸浮效果，綜合效益提升顯著。

CFD引領(lǐng)行業(yè)從“經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)”到“科學(xué)設(shè)計(jì)”

對(duì)水務(wù)行業(yè)而言，CFD 的價(jià)值不僅在于解決單一項(xiàng)目的曝氣難題，更在于推動(dòng)設(shè)計(jì)思維的迭代更新：當(dāng)化工、能源領(lǐng)域早已通過模擬軟件實(shí)現(xiàn) “理論-仿真-工程” 閉環(huán)時(shí)，環(huán)保行業(yè)也需要以CFD為橋梁，打通流體力學(xué)、傳質(zhì)傳熱等基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐的鴻溝。尤其在 MBBR、AO等復(fù)雜工藝中，通過CFD精準(zhǔn)預(yù)測填料分布、污泥停留時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)，為智慧水務(wù)的精準(zhǔn)調(diào)控提供底層支撐。