多梅爾河（Dommel）發(fā)源于比利時(shí)南部邊境，途經(jīng)荷蘭埃因霍溫市（Eindhoven），一路向北匯入寬闊的馬斯河。流域中的污水處理廠以及十多個(gè)城市的 200 多道合流式污水溢流（combined sewer overflows，簡(jiǎn)稱 CSO）都會(huì)向多梅爾河排放污水，日均污水排放量接近 17 萬立方米。

多梅爾河水務(wù)委員會(huì)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)河流的水質(zhì)狀況，并致力于實(shí)現(xiàn)人類生活、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的最佳平衡。水務(wù)委員會(huì)為達(dá)成這一目標(biāo)啟動(dòng)了 KALLISTO 項(xiàng)目，這個(gè)綜合研究項(xiàng)目旨在通過制定一套最具經(jīng)濟(jì)效益的措施，盡可能地減少由污水處理廠的生物水處理與合流式污水溢流共同造成的河水氧含量下降和氨含量上升等問題。通過實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，水務(wù)委員會(huì)不僅能有效實(shí)施《歐盟水框架指令》（Water Framework Directive），更有利于維持多梅爾河生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

多梅爾河水務(wù)委員會(huì)的水處理技術(shù)高級(jí)顧問 Tony Flameling 表示：“我們一直嚴(yán)格控制著多梅爾河水中的磷酸鹽、氮和懸浮物含量。為改善河流的水質(zhì)狀況、擁有更健康的河流，此類物質(zhì)含量的標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)更加嚴(yán)格。”為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，水務(wù)委員會(huì)引進(jìn)了一套曝氣系統(tǒng)（將空氣中的氧強(qiáng)制加入水中），希望在將生物處理廢水排入河流前，提高水中的氧氣含量?！耙M(jìn)曝氣系統(tǒng)的目的是為了避免多梅爾河的生態(tài)系統(tǒng)因水中氧含量過低而遭到破壞。”Flameling 解釋道。

在進(jìn)行曝氣處理之前，需要先對(duì)污水進(jìn)行預(yù)沉淀、污泥活化和澄清處理，以去除營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和固體物質(zhì)。為了盡量降低處理過程中的能耗，需要使水位維持在一定的高度，以確保水能夠流經(jīng)整個(gè)處理廠（圖 1）。

圖 1. 埃因霍溫污水處理廠鳥瞰圖。

為了研究引入曝氣系統(tǒng)對(duì)水體的影響，F(xiàn)lameling 與荷蘭 TAUW 公司的水處理技術(shù)和水資源管理顧問 Ronnie Berg 進(jìn)行了深入的交流。

Berg解釋道：“如果污水管道中的水位過低，氧氣將無法有效傳遞；但如果水位過高，臟水又可能會(huì)從曝氣池中溢出，流入沉淀池，污染出水?！保▓D 2）。

圖 2. 埃因霍溫污水處理廠的水處理流程圖。在將處理后的污水重新注入多梅爾河之前，對(duì)污水進(jìn)行曝氣處理。 圖注：Presetttlement - 預(yù)沉淀；Pumping station - 污水泵站；Activated sledge tank for biological nutrient removal - 用于去除營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的活性污泥池；Clarifier - 澄清池；Aeration - 曝氣；Dommel - 多梅爾河

另一個(gè)潛在問題是，水位過低會(huì)導(dǎo)致污水處理流程無法正常進(jìn)行。通過分析污水通道及與之相連的外流通道中的流體形態(tài)，水務(wù)委員會(huì)可以確定系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)方案，最大限度地提升曝氣效果。

氣泡：魚類的朋友，水流的敵人？

為了充分認(rèn)識(shí)曝氣系統(tǒng)和出水堰（圖 3）對(duì)水流和水位的影響，Berg 使用COMSOL Multiphysics? 軟件建立了多相流仿真。

圖 3. 曝氣通道出口處的可調(diào)出水堰。

引入曝氣池后，需要對(duì)現(xiàn)有通道進(jìn)行改造，為此，Berg 為出水通道創(chuàng)建了一個(gè)幾何模型（圖 4），其中包含通道壁、已有的導(dǎo)流板以及曝氣元件的計(jì)劃安裝位置。

圖 4. 曝氣通道的幾何布局。曝氣單元以黃色表示。 圖注： Adjustable dam - 可調(diào)出水堰； Guide baffles - 導(dǎo)流板； Aeration units - 曝氣單元； Inlet - 入口； Outlet - 出口

Berg 詳細(xì)設(shè)定了曝氣單元的布局、可調(diào)出水堰不同閘門的高度以及多梅爾河的水位。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，Berg 能夠判斷導(dǎo)流板的位置是否合理，以及流體形態(tài)如何隨曝氣、季節(jié)和多梅爾河的水位而變化。

Berg 建立了一個(gè)含有強(qiáng)湍流和分散氣泡的流體流動(dòng)模型。借助軟件中內(nèi)置的 “氣泡流，k-ε”接口，Berg 能夠捕捉曝氣過程對(duì)流體形態(tài)的影響。此外，通過模擬氣泡引起的湍流以及追蹤有效氣體密度，他還分析了氣泡產(chǎn)生的附加阻力和通道內(nèi)的螺旋流。

Berg 利用一組 CFD 仿真結(jié)果研究了多梅爾河的水位對(duì)流體形態(tài)的影響。他能清楚地了解通道內(nèi)任意位置的氣體體積占比，用于判斷曝氣系統(tǒng)的有效性（圖 5）。

圖 5.CFD 仿真分析結(jié)果顯示了多梅爾河處于高水位時(shí)的氣相體積分?jǐn)?shù)（即氣體在水中的體積占比）。

除此之外，Berg 還評(píng)估了曝氣單元在旱季多梅爾河的水位較低時(shí)的表現(xiàn)。當(dāng)河水流量較小時(shí)，在調(diào)節(jié)出水堰的所有壩段高度后，河水在壩下會(huì)產(chǎn)生部分回流（圖 6）。

圖 6. CFD 仿真結(jié)果顯示了在氣候干燥河水流量較小時(shí)，處理后的污水在曝氣系統(tǒng)中的速度場(chǎng)。

Berg 通過分析水位、出水堰高度和曝氣變量對(duì)流體形態(tài)的影響得出了多項(xiàng)結(jié)論。他了解到，如果出水流量較大，曝氣對(duì)水體基本沒有影響。而在干旱時(shí)節(jié)，河水流量減少，曝氣則會(huì)影響流體形態(tài)。然而，由于曝氣產(chǎn)生的阻力相對(duì)較小，所以水流因阻力流回澄清池并污染出水的風(fēng)險(xiǎn)比較低。

Berg 還研究了只打開兩個(gè)出水閘門時(shí)的情況。此時(shí)，外側(cè)彎道的水流量明顯更高，這將導(dǎo)致內(nèi)彎附近形成積水，從而降低曝氣過程的效率?？傮w而言，在三個(gè)閘門全部打開通水時(shí)，才能得到最佳的水流形態(tài)。

仿真指引設(shè)計(jì)之路

Berg 根據(jù)詳細(xì)的 CFD 分析結(jié)果，向多梅爾河水務(wù)委員會(huì)提議不要拆除導(dǎo)流板。他還建議將上游的曝氣組件按照線性布局進(jìn)行排列，因?yàn)檫@種布局不僅有利于改善水質(zhì)，還能將施工成本降到最低。

“仿真軟件讓我們能夠以一種可控的方式來調(diào)整參數(shù)，幫助我們靈活地找到了最佳施工設(shè)計(jì)方案。”Berg 表示，“我們成功地以低成本、高收益的方式提高了埃因霍溫污水處理廠出水的水質(zhì)。”圖 7 為運(yùn)行中的曝氣系統(tǒng)。Flameling 補(bǔ)充說：“為了保護(hù)河流的生態(tài)系統(tǒng)，我們目前正在觀察曝氣系統(tǒng)是否能達(dá)到預(yù)期效果?！痹谖磥淼脑S多年里，這個(gè)性能優(yōu)異的曝氣裝置將為多梅爾河的生態(tài)系統(tǒng)和周邊居民提供長(zhǎng)期可靠的保障。

圖 7.工作狀態(tài)下的埃因霍溫污水處理廠的曝氣通道，它有效增加了注入多梅爾河河水中的含氧量。左：曝氣通道出口處的可調(diào)出水堰。右：從曝氣通道的入口觀察曝氣通道。