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
APPLICATION OF CF D TO ULTRAVIOLET DISINFECTION IN WATER TREATMENT
Zhang Y an  L i Ji
(Shenzhen G raduate School,H arbin Institute of T echnolo gy ,Shenzhen 518055,China)
Abstract:T his paper int roduced t he U V disinfect ion in w at er t reatment,the backg ro und and basic pr
inciples o f co mputatio nal fluid dy namics (CFD ) K ey fact ors to develop CFD -based U V disinfection mo dels w ere dis -cussed,including hy dr aulics,U V intensit y field,and U V do se.T he application o f the models to pr edicting disin -fectio n efficiency and optimizing U V reactor s w ere r eview ed.T he focus o f fur ther r esear ch w as discussed  Keywords:U V disinfection;co mputational fluid dynamics;o ptimizat ion;numerical simulatio n
*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/T 19837-2005 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(Com putational Fluid Dy -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CF D 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。
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状况进行分析尤为必要。
早在20世纪80年代,Romero[6]认识到系统集成的重要性，建立了解决环形紫外消毒反应器的物质、动量、能量平衡及化学反应速率方程所需的基本方程，由于当时缺乏高性能计算机，故简化成二维轴对称模型。这种方法被Cassano等[7]应用于不同几何形状紫外消毒反应器的反应动力学研究。
在最近的十几年里，通过CFD对流场的模拟得到了显著的发展。Bass[8]、Do-Quang[9]、Tag hipour 等[
10]分别用CFD对紫外反应器流场进行了模拟。Chiu[11]及Lyn等[12]采用激光多普勒速度计测定的试验流动测量与模拟进行了比较，对紫外反应器及模块进行了流态研究。Liu[13]在管道式紫外反应器中，分别用六种不同的湍流模型：标准k- 模型,k- RN G模型,k- (88)模型，修改后的k- (98)模型,RST模型以及TF模型对流态进行了模拟试验，通过流场的预测、湍动能的比较、分散率的测定以及PIV方法对流场进行分析，发现剂量分布以及灭活效率与流动模型的选择密切相关，针对的微生物越敏感，在高剂量下对模型的选择也越敏感。莫君毅等人[14]采用标准k- 模型对营养液的紫外消毒反应器进行了流态模拟，并进行了相应的装置改进，提高了反应器的灭菌效率。张光辉等[15]对紫外线消毒器水力特性进行了研究，利用CFD 技术计算了水流累积停留时间，并用示踪试验进行验证，证明CFD模拟能够较好地反映紫外线消毒器的水力条件。
CFD技术能够解决流体参量在反应器中均化分布的缺陷，为反应器模拟和数学模型的建立提供有效手段。同时，利用CFD技术有利于降低研究成本，实现反应器的优化设计和运行。但是，仅仅通过水力条件的模拟并不能全面的反映紫外反应器的消毒效果，因此，在利用CFD技术进行紫外消毒的数值模拟时，还应综合考虑其他影响因素。
2 2 光强模拟
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、折射等细节是非常重要的。光强的分布直接影响到紫外反应器的剂量分布及灭菌效果。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便捷条件。
随着对光强计算模型研究的深入，光强计算模型也不断完善。从基本的点源(Point Source,PS)模型，逐渐发展了多点源叠加(M ult-i Point Sour ce Sum ma-tion,M PSS)、多段叠加(M ultiple Seg ment Sour ce Summ ation,M SSS)、线源积分(Line Source Integ ra-tion,LSI)、柱源(Cy linder)等模型。PS模型不能反映出紫外灯管有限的长度和直径;M PSS模型将一个线型的灯管沿轴向分为相等的n个点源进行叠加计算，经Bo lto n和Dranoff研究表明，该模型在介质透光率为100%,n=1001时该模型较为准确。此后又发展了MSSS模型[16-17],1997年Blatchley[18]将该模型进一步扩展，引进了LSI，该模型忽略了介质对紫外线的吸收，但是它改进了M PSS模型有限个点的限制，计算精度提高，对于光强较弱的反应器，该模型的应用受到限制。Forabo schi提出三维的灯管概念，随后出现的柱状环模型充分考虑了介质的吸收，石英套管的折射及不同介质传递过程中的反射和折射作用，计算更为准确[19]。
模型的精确度对模拟结果影响很大，尤其是在小型反应器的设计上，模型的选择应慎重，在近灯管处的模拟需修正计算。
2 3 当量剂量计算
紫外线消毒设备的消毒效果与紫外线剂量(U V dose)的大小直接相关。在连续流反应器中，微生物随水
流运动，由于反应器中光强分布不均匀，而且每个微生物运动的路径不同，水力停留时间不同，所接受的紫外剂量也不同，因此，得到所有微生物接受的总剂量，求得反应器内的微生物平均存活率非常重要。当量剂量(Reduction Equivalent Do se,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[20]。
目前利用CFD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 M odel,DPM)。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。一个微小粒子从进口进入反应器，通过DPM模型追踪每经过一个微小时间步长 t，粒子的起点和终点坐标及该两点坐标所处网格的平均光强I，得到该时间步长内的粒子受到的紫外辐射剂量(I  t)，从进口追踪到出口，累计所有步长内的剂量，可得到该粒子受到的总紫外辐射剂量，进而可计算该粒子代表的微生物的存在率。
Ly n[21]等采用二维模型，引入连续的拉格朗日近似算法及颗粒流数值，并通过紫外线强度不同领域的空间运动轨迹进行了计算，根据稳定流的假设，得到欧拉的连续预测方法和拉格朗日粒子轨迹方法上的差异。Unluturk和M uno z都用该方法进行了紫外反应器内的剂量模拟并在试验条件下进行了验证[22-23]。
利于CFD技术对紫外反应器的剂量进行模拟，还应在光强模型的选择优化以及综合软件系统的开发方面进一步完善，使得模拟结果更加科学合理。
3 CFD在水处理紫外消毒领域的应用
3 1 消毒效率的预测
借助CFD技术，利用Fluent软件，能够实现对紫外杀菌过程光强分布及动态流体杀菌过程模拟，更直观地了解紫外杀菌过程，根据不同的计算模型，结合流场及光强分布进行剂量模拟，预测反应器的杀菌效率。
Jin等[24]在2005年用不同排列方式的灯管，分析了反射及灯管间的遮挡对消毒效率的影响，用两种模型对紫外剂量进行了模拟预测，并进行了验证。Zo ra-na等[25]采用XeBr*准分子灯作为光源，并用枯草芽孢进行了剂量反应的验证，与光量测定的结果较吻合。Unluturk等[22]通过CFD模拟结合生物验证试验预测紫外剂量，发现模型以及参数设定对模拟结果都有影响,CFD技术的应用尤其是在模型建立、参数选择等方面还应进一步细化。
3 2 反应器的优化设计
紫外反应器设计的目标是高杀菌效率，低能耗。在一个较大的消毒区域，由于水流和光强分布不均导致的短流现象会使消毒效率急剧下降。通过反应器结构优化进而使水力条件得到优化是设计的重要环节。
Zhao等[26]在紫外反应器上游的液压系统配置了90度弯管和直管入口，通过多个紫外线敏感荧光微球和CFD进行数值模拟和试验验证，结果显示直管紫外线剂量比弯头配置的更高。Angelo等[27]通过对进口
为L型和U型两种结构的反应器进行CFD模拟，通过粒子图像测速(PIV)仿真进行评估。Chiu等[28]在低压垂直紫外线系统，通过导流板和波浪设计对壁面进行改进，并结合数值模拟及平行光实验进行效果评价。通过对反应器结构的改变，不同程度的优化了反应器的水力效率，提高了反应器的灭菌效果。Lim和Lee[29]通过试验得到紫外灯倾斜排列能使紫外线剂量增加，特别是较小的倾斜角度能获得更大的紫外线剂量。
reactor软件4 结论
随着计算机科学发展和模拟软件的开发，通过结合流体动力学、辐射分布和紫外消毒动力学,CFD逐渐成为一种模拟和优化紫外消毒反应器的重要工具。它有助于解决某些由于试验技术手段限制难以进行测试的问题。为精确模拟紫外消毒过程，优化紫外消毒反应器的设计和运行，强化反应器的处理效果提供了有利的支持。从研究的现状来看，我国CFD应用于紫外消毒的水处理技术仍处于起步阶段，未能在设计中得到有效应用。今后应在光源理论模型的完善，新的检测手段如PIV(Particle Imaging V elo cimetry)、LDV(Laser Doppler Velocimetry)的开发和使用方面进一步提高，以真正实现CFD技术在水处理领域紫外消毒方面的有效应用。
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作者通信处 李继 518055 深圳市南山区西丽大学城哈尔滨工业大学深圳研究生院
电话 (0755)26032692
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2010-07-28收稿
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2011-06-07收稿

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