CFD技术在水处理紫外消毒中的应用_张艳

环境工程2011年第29卷增刊CFD技术在水处理紫外消毒中的应用＊张艳李继(哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东深圳518055)摘要:介绍了紫外消毒在水处理中应用的现状,阐述了计算流体力学(CFD)的基本原理及其应用背景;论述了CFD技术在紫外消毒模型建立方面的关键因素:水力、辐射和剂量模拟;从消毒效率预测和设备结构优化两个方面对CFD技术在水处理紫外消毒中的应用进行了分析,并对其前景进行了展望,提出了今后的研究重点。关键词:紫外消毒;计算流体力学;设备优化;数值模拟APPLICATIONOFCFDTOULTRAVIOLETDISINFECTIONINWATERTREATMENTZhangYanLiJi(ShenzhenGraduateSchool,HarbinInstituteofTechnology,Shenzhen518055,China)Abstract:ThispaperintroducedtheUVdisinfectioninwatertreatment,thebackgroundandbasicprinciplesofcomputationalfluiddynamics(CFD).KeyfactorstodevelopCFD-basedUVdisinfectionmodelsweredis-cussed,includinghydraulics,UVintensityfield,andUVdose.Theapplicationofthemodelstopredictingdisin-fectionefficiencyandoptimizingUVreactorswerereviewed.Thefocusoffurtherresearchwasdiscussed.Keywords:UVdisinfection;computationalfluiddynamics;optimization;numericalsimulation＊国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07423-04);深圳市科技计划项目(SY200806260019A);国家科技支撑计划(2006BAB17B04,2006BAB17B06)。0引言紫外线杀菌范围广,能力强,运行安全可靠,目前主要用于污水和饮用水中致病微生物的去除。美国环保署2003年6月公布的紫外消毒指南是全球迄今为止内容最为全面和详尽的有关紫外线消毒技术的指导性文献,该手册反映了紫外技术在工程应用中的研究和应用成果[1]。我国2005年7月颁布了GB/T19837-2005《城市给排水紫外线消毒设备》标准,在验证微生物和紫外线剂量的确定方面与上述美国标准有所不同[2]。随着越来越严格的水质排放标准的制定,对紫外消毒效率的要求也越来越高。因此,评价紫外消毒器的消毒效果,对紫外消毒器进行结构及操作参数的优化显得尤为重要。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[3-4]。数值模拟采用计算流体力学(ComputationalFluidDy-namics,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设备结构和操作参数的优化[5]。目前,国外大的紫外消毒设备厂商都开始采用CFD来设计和开发紫外消毒设备;在国内,CFD技术在水处理中的研究还处于起步阶段,在紫外消毒中的应用屈指可数。本文对紫外消毒CFD模拟的基本方法、关键因素以及发展应用进行了论述分析。1紫外消毒CFD模拟的基本方法CFD是基于计算流体基本控制方程的计算机技术,这些基本方程包括连续性方程、动力学方程以及能量方程,应用各种离散化的数学方法,对流体力学的各类问题进行数值试验、计算机模拟和分析研究,以解决各种实际问题。严谨的紫外消毒设计优化方法是采用数值模拟与试验相结合。CFD技术用于紫外消毒的数值模拟分3个主要步骤:1)水力模拟,即选择适当的计算流体动力学模型和参数,建立CFD模型;2)光强分布模拟,即根据光强分布理论,建立光强分布模型;3)有效剂量(或称当量剂量)计算,即基于CFD模型与光强分布模型的耦合,利用消毒动力学参数,计算有效剂量,最后基于小试、中试和生产性生物试验对模型进行验证和完善。技术路线如图1所示。123DOI:10.13205/j.hjgc.2011.s1.064环境工程2011年第29卷增刊图1紫外线消毒CFD模拟技术路线2紫外消毒数值模拟的关键因素2.1流场模拟反应器的水力特性直接影响反应器的混合过程,制约着反应器的处理效果。流场的可视化为研究者的设计优化工作提供了分析依据。只有计算出设备内部流场,才能正确地模拟设备内部消毒反应。因此,利用CFD研究反应器的水力特性,对反应器的设计和运行