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前言

作為生化技術的一個門類，“活性污泥法”通常是中大型污水處理系統的核心，其運行狀態的優劣將直接關系到水中的污染物指標（主要包括CODCr、BOD5、NH3-N等）能否達到排放要求。

“傳統活性污泥法”是眾多活性污泥法中發展最早、運用最廣泛的一種，其有效性無論是在時間維度上（百年發展史）還是空間維度上（全球范圍）均得到了充分的驗證。有別于填料接觸氧化法、生物濾池技術或MBBR技術，傳統活性污泥法中“活性污泥”在曝氣攪拌的作用下懸浮于池體中，這也是其能與廢水中的污染物充分接觸和反應的前提條件。

CFD可以預測空間中流體的流動特性，并用可視化的手段呈現出來。相比于傳統試驗方法，CFD可以在較短時間內對多種工況和設計進行評估，而對于難以實驗觀測的場景，CFD技術更是研發或工程人員評估方案有效性的首選工具。

本文模擬研究的對象是一個處理食品行業生產廢水的好氧活性污泥系統，旨在看看通過CFD技術能夠獲取生化反應池內的哪些信息。內容被拆成上下兩篇，上篇以概念和項目闡述為主，下篇會發散開，對比曝氣器的不同布置方案和不同的曝氣量會給流場帶來哪些變化，未來能給曝氣系統的精細化設計和節能降碳提供哪些指導。雖然目前曝氣器的布置方式基本已“成熟化”，但是“成熟的”的方案是否就是正確或最優的？在技術發展已非常成熟的階段，每突破一小步都不容易。拋磚引玉……

1、傳統活性污泥法概述

1.1 工藝發展史

1912年英國的Clark和Gage發現對污水進行長時間曝氣會產生污泥，同時水質會得到明顯的改善。繼而英國工程師Edward Ardern和William Lockett對該問題進行了系統性的研究，并于1914年發表了研究成果，“活性污泥”這一專業名詞也隨即誕生。同年，第一座活性污泥法污水處理試驗廠在英國的曼徹斯特建成，這也標志著活性污泥法正式進入了工程實踐階段。

布萊恩·阿瑟曾說：“技術是捕捉現象并加以利用的過程。”活性污泥法的發現和發展史充分印證了這一觀點，從其起源至今的百余年歷史中，其底層原理的可靠性已得到了充分的驗證，并且同步衍生出了其它生化技術，包括接觸氧化法、SBR法、A/O法、MBBR法等，雖然它們在流程或設計細節方面有差異，但底層原理都是通過人工培養的微生物來降解有機污染物，核心就是如何把污泥養好。

相較于其它處理有機物的水處理技術，活性污泥法有著噸水處理成本低這一顯著優勢，并且COD去除率高、次生污染少，這些是它能在污水處理領域被廣泛運用的重要原因。

1.2 工藝流程和生化反應動力學

傳統活性污泥法的工藝流程如圖1.1所示：

圖1.1 活性污泥法工藝流程圖（摘自華東理工大學本科教材，2007/12）

在活性污泥反應池中，有機污染物、微生物和氧氣之間在經過了復雜的互相作用后，部分有機物會被礦化為無機碳而進入大氣，部分作為微生物生長所需的養分而成為活性污泥的一部分，最終以剩余污泥的形式被排出系統。

米凱·利斯-門坦（Michaelis-Menten）于1913年通過實驗得出：在微生物酶催化作用下，微生物對底物降解速率與底物濃度間符合“米門方程”：

式中：v為底物的比降解速率，即單位生物量對底物的降解速率；vmax為底物最大比降解速率；Km為半飽和常數，即v=1/2vmax時的底物濃度；S為底物濃度。

不同于描述微生物增長的莫諾（Monod）方程，米門方程更偏向于是一個理論方程。與所有的理論一樣，它也有其成立的前提條件，包括穩態假設、單一底物、低酶濃度、單向反應等。

在實際的廢水處理過程中，水中有機物的不可能只有一種，且不同行業的廢水水質千差萬別。即便是同一個城市或同一個工廠，其廢水的排放量及水質也會隨著季節、生產周期、生產工藝等的變化而變化。再有，基于廢水處理行業所特有的行業屬性，深入研究各種廢水底物降解動力學并不能給EPC方或O方帶來顯著的經濟效益。所以基于各種原因，想在工程運用層面找到一個能精確描述有機物降解動力學的方程是極為困難的。同樣的情形也適用于描述微生物增長的動力學方程。

但是，這并代表包括米門方程、莫諾方程在內的一些基礎方程沒有實際運用價值，雖然它們離對實際進行“定量”描述有一定距離，但要“定性”描述還是沒問題的。目前用于設計活性污泥系統的各種計算公式基本上是建立在這些基本方程之上的，即它們的形式與基本方程保持著高度的一致性，只是方程中相關參數值的設定依賴于細分行業或具體場景。圖1.2是本人以前自編寫的A/O法EXCEL計算書的一角，里面計算公式的確定綜合參考了各種設計手冊和教材，以“硝化菌比增長速率”為例，其計算公式就基本維持了莫諾方程的形式。

圖1.2 本人自編的A/O法EXCEL計算書的一角

當然，細分行業里那些厲害的“污師”可以完全跳開這些計算書而完全憑借工程經驗直接給出關鍵的設計參數。而極少數大神可以自己總結歸納出屬于特定場景或行業的經驗公式，這些經驗公式融入了專屬于他們自己的設計思想和理念，他們不但有豐富的工程經驗還有深厚的理論功底，華東理工大學的金老師當屬其列。

1.3 生化反應與曝氣充氧

在活性污泥法中，微生物需要借助氧氣來氧化有機物，所以曝氣系統的第一個作用是給生化反應池充氧。“生化充氧量”的計算方式有很多，以下是一個比較精細化的公式：

式中符號的具體意義不多細述。等號右邊第一項表示“所有去除的有機底物都是被氧氣礦化的情況下的需氧量”。但是并非所有的有機物都是被氧氣礦化的，有一部分是隨著剩余污泥的排放而被帶走的，這一部分有機物對應的需氧量須在第一項中被抵扣，這就是第二項的意義。第三項表示“所有去除的氨氮都是被氧氣氧化的情況下的需氧量”，但與有機底物一樣，需要考慮剩余污泥所直接帶走的部分。第五項表示硝態氮被還原所釋放的氧量。

但是從曝氣器中充入生化反應池中的氧氣并不是直接就能與微生物、有機物發生生化反應的，而是先有一個“傳質”的過程。同其它流體傳質的模型一樣，氧氣在池中的傳遞阻力也主要集中在“邊界層”中，只不過在氣液兩相流中，邊界層包含了液相邊界層和氣相邊界層，如圖1.3所示：

圖1.3 氧傳質雙膜模型圖（摘自華東理工大學本科教材，2007/12）

氧的傳質速率可用以下積分方程表示：

式中：V表示單位時間內的氧傳遞量；D為擴散系數；μ為氧的化學勢；L為擴散程的長度，可以用邊界層的厚度來代替；S為氣液兩相接觸界面的面積。

基于這個方程可以定性得出幾個結論：1，因為氧氣在氣相中的化學勢μ與其分壓正相關，故而一般來說池體深度越深，氧傳遞速率就會越大；2，在同樣的曝氣量下，氣泡直徑越小，比表面積就越大，即氣液接觸面積S就越大，氧傳遞速度V也就越大；3，邊界層厚度L越薄，氧傳遞速度V就越大，而L的大小是由池內流場決定的——曝氣量、氣泡大小、曝氣器的位置布置等因素共同決定了池內的流場特性。

但是試想如果活性污泥完全沉積在池底，那么即便水中溶解氧充足，生化反應也無法有效進行，因為活性污泥和廢水無法充分接觸。所以曝氣系統的另一個重要作用就是“攪拌”，保證活性污泥能夠均勻地懸浮在生化反應池中。讓污泥均勻懸浮這一要求在生化處理工藝中是普適的，比如在缺氧池中需要關注推流攪拌機的推進功率和安裝位置，而在厭氧塔中要關注廢水在塔底分布的均勻性和整體的上升流速。

現在曝氣器的種類和形式有很多，在傳統活性污泥法中常用的有微孔曝氣器、旋流曝氣器和射流曝氣器。一般來說微孔曝氣器產生的氣泡直徑最小，大多在2~4mm，故而在同樣的曝氣量下具有最高的氧轉移速率。而旋流曝氣器的氣泡直徑會更大些，在同樣的氧轉移速率下其攪拌效果會強于微孔曝氣，且不易堵塞。而射流曝氣器能制造出更高的攪拌強度，但相應地也會有更高的能耗。

圖1.4 從左到右依次為微孔曝氣器（上海尚析）、旋流曝氣器、射流曝氣器

2、CFD與研究對象概述

2.1 CFD簡介

CFD是計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics）的縮寫，是一種通過數值方法模擬和分析流體流動、傳熱、化學反應等物理現象的技術。其核心是通過數值方法求解基本的方程組（比如N-S方程、氣體狀態方程、化學反應方程）來獲取流場內的各種信息。由于基本的方程的準確性是經過充分驗證的，故而原則上求解這些方程組所獲得的信息也是可靠的。

2.2 CFD模擬對象概述

模擬對象為一個食品行業廢水處理系統的活性污泥生化反應池，池體被分成若干格，每一格的尺寸約為2.2m長×2.2m寬×2.3m高有效水深，池底采用的是管式微孔曝氣管，其布置如圖2.1所示：

圖2.1 曝氣管平面布置圖

現在曝氣器廠家、工程公司或設計院通常都是按照這種等間距的方式來布置曝氣器的。

表2.1為連續5天的現場取樣化驗數據：

表2.1 連續5天水樣化驗數據

SVI值（基于SV30和MLSS計算所得）在80~130范圍內，正常。DO值均大于2mg/L，也沒有問題。SV30偏低，但這是MLSS偏低所導致的，即池內懸浮保有的污泥濃度偏低（當時只看到了化驗數據，取樣點是否合理不得而知）。因這邊主要分析池內流場，所以其它水質和工藝參數就不羅列了（也不便全部羅列）。

本人當時到現場時進水負荷不高，每格池子接受的氣量也很小，約為6Nm3/h，不過單從COD去除角度看的話這個曝氣量是夠的。圖2.2為現場拍攝的視頻的截圖，從視頻中看池面泡沫覆蓋的面積較大且平穩，投加的部分MBBR填料聚集在池面的邊緣和角落處（雖投加了MBBR填料，但是它們有聚集現象且附著的泥量很少，故還是以傳統活性污泥法稱之），綜合來看曝氣攪拌效果弱。

圖2.2 活性污泥反應池現場視頻截圖