流体仿真CFD技术在好氧活性污泥曝气系统改造中的应用

在 “双碳” 目标与水资源短缺的双重挑战下，水务行业正经历从 “达标治理” 到 “高效低碳” 的关键转型。好氧活性污泥法作为污水处理的核心工艺，其曝气系统的效能直接决定了能耗水平、处理成本与水质达标率。然而，传统设计依赖经验公式与规范，常导致曝气不均、能耗高企、污泥沉积等问题，难以满足精细化运营需求。积鼎科技采用计算流体力学（CFD）技术，通过模拟流场分布、优化曝气策略，帮助行业用户精准诊断现有系统的流场缺陷，并通过多方案模拟实现曝气效率与能耗的最优平衡，成为推动水务行业技术升级的核心引擎。

本文以某食品企业废水处理项目为切入点，基于CFD仿真技术提出曝气系统的若干设计方案，文中采用CFD仿真技术计算不同方案下的流场流态数据，并通过系统性比对进行分析，揭示传统曝气系统的三大痛点：低流速区域占比高、污泥沉积风险显著、能量利用率不足，为设计最优的曝气系统提出整改策略建议。

设计调整及CFD分析 

1.1 曝气管布置和总曝气量的调整

由于在目前6Nm3/h的总曝气量下（单位有效池容接受的气量为0.54Nm3/h），池内流速低于0.15m/s的区域非常多，故而优先的调整策略就是提高曝气量。首先将总曝气量提高到原来的3倍，即18Nm3/h。其次，将曝气管的布置也做了调整，如图1.1所示。

                     图1.1 坐标位置（z=0对应曝气管平面）和曝气管的布置方式（上右旧、下新）

其中，在8根管的布置方案中，曝气器的布置方式是这样的：间距基于等比数列，比例系数为2。

图1.2 8根曝气管的布置位置图

由于新版布置是在旧版的基础之上分别去除了中间的4根和8根曝气管，所以在总曝气量不变的情况下，单位通气量（单根曝气管在单位时间内的曝气量）将会分别提高到原来的1.33倍和2倍。这样调整布置的目的，是希望能够在池体中形成宏观的两个纵向大环流（如图1.3所示），同时也能降低曝气管的初期投资成本。

图1.3 生化池内的环流示意

1.2 CFD数值模拟分析

首先看一下v=0.15m/s速度等值面图：

图1.4 v=0.15m/s速度等值面图

从图1.4可以看出：

（1）随着曝气量的提高，水在池内的流速也有了大幅度的提升，低流速区域的范围有了显著的降低。

（2）在曝气总量相同的情况下，8根曝气管的方案有着最少的低流速区域，含有12根曝气管的方案次之，而有着16根曝气管的方案反而最差，这在四个壁面附近体现得更为突出。

接着看一看池底部区域的速度云图：

图1.5 池体底部区域的速度云图

如果池体内的空气搅拌效果差，那么活性污泥会沉积在底部。若要将它们再次搅动起来，也势必需要对池底区域输入足够的搅拌功率。从图1.5中可以看出：

（1）当总曝气量为6Nm3/h时，池底部区域是一个明显的低速区，污泥极易沉积。当总曝气量提升至18Nm3/h时，池底部区域的流速有了明显的提升，污泥的沉积风险也将会得到大大的降低。

（2）当将曝气管的数量从16根依次削减到12根、8根后，z=0.0m平面上的低速区的位置发生了变化，但面积肉眼看上去相仿。而在z=0.5m平面上，8根管的方案有着明显最优、12根次之、16根最差。

接着看下四周池壁附近的速度云图：

图1.6四周池壁区域的速度云图

从图1.7中可以看出：

（1）在同样的16根管的布置方案下，6Nm3/h和18Nm3/h差异并没有十分显著。

（2）但是调整布置方案后，流速就出现了大幅度提升，8根管方案的高速区域占比超过了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图和湍动能汇总表：

                                  图1.8 四个工况的速度矢量图对比

                                  表1.1 不同水平截面上的平均湍动能值

从图1.8可以看出，在16根管的布置方案下水流方向显得非常杂乱无章，在宏观上看没有形成明显的定向流动，流体微元更倾向于在一个局部区域内做小范围脉动。而在8根管的布置方案下，两个稳定且对称的上下环流已具有雏形，每一个流体微元可以在短时内遍历池内上下的大部分区域，其流场与机械搅拌机所形成的流场较为接近，如图1.9所示。

图1.9 机械搅拌机产出的流场

从表1.1中能看出，在16根管的布置方案下池体内的湍动能最高，在8根管下的最低。这说明了在16根管的布置方案下曝气给池体输入的能量更多用于形成局部的湍流脉动，而8根管下是宏观的整体涡旋流动。

所以从CFD模拟计算结果可以得出：在池内总曝气量相同的情况下，8根管方案的搅拌效果最佳，其次为12根管，最差的是16根管。

1.3 对常规曝气器布置方案的思考

1.2节基于CFD流体模拟对不同曝气器布置方案下的搅拌效果进行了深入的分析并得出结论：若单从搅拌效果来看，目前绝大多数的曝气器布置方案——即在池中均匀布置曝气器——有很大的优化空间。对于生化工艺采用MBBR的情形，如果曝气器布置不合理，极易导致填料在局部堆积而抑制其效用的发挥。

基于环保行业的特殊属性，在水处理工程项目的初期阶段，EPC方和业主方（尤其是民营的）一般都对投资成本非常敏感：若能压低投资成本，前者能提高项目的中标概率，后者能节约一笔设备投资费用，而根据1.2节中的调整策略，曝气器的投资成本能缩减到原来的1/2。

当然，曝气器的设计也要考虑其它因素。一般来说，池内曝气总量的计算由如下公式来确定：

式中：“生化反应需氧量”的计算公式在上篇中已有展示；而“曝气氧利用率”与曝气器的形式（包括“射流”、“旋流”、“微孔”等）以及“单位通气量”有关，这里的“单位通气量”就是单个曝气器在单位时间的曝气量。当曝气器的形式确定后，一般单位通气量越大则氧利用率越低。因为单位通气量增大后，气泡的比表面积会减小，气泡离开曝气器的速度也会增大，导致气液传质接触面积减小、气泡在池内的停留时间缩短。如下是某进口膜片式微孔曝气器在一定条件下的“氧利用率~单位通气量关系图”和“压损~单位通气量关系图”：

通过对图表数据的分析可知，以本研究为例，当单位通气量由 2Nm³/(h・m) 提升至 4Nm³/(h・m)（实现翻倍增长）时，SSOTE（比标准氧转移率）数值从 30 降至约 22，降幅约达 27%；同时，压力损失从 37mbar 攀升至 43mbar，增长幅度为 16%。

值得留意的是，曝气器厂商所提供的 SOTE 数据，是在脱氧清水环境及固定曝气器布置方案下测定的。而实际工况中，良好的搅拌效果能够加速气液相界面的更新频率，确保活性污泥在池体内均匀悬浮分布，从而有效提升活性污泥对水中溶解氧的摄取效率。因此，尽管在单位通气量翻倍后，依据数据计算 SOTE 下降了 27%，但实际工况下活性污泥获取的溶解氧量下降程度必然小于该计算值。

关于压力损失的情况，从鼓风机的工作角度来看，其运行时需克服的阻力主要源于 “水深” 导致的曝气阻力。在本次研究案例中，曝气器安装于水下 2m 位置，此处水压约为 20000Pa。当单位通气量为 2Nm³/(h・m) 时，鼓风机所需扬程为 23700Pa（暂不考虑气体在输气管路中的压力损耗）；当单位通气量提升至 4Nm³/(h・m)，鼓风机所需扬程变为 24300Pa，扬程提升比例为 2.5%，相应地，鼓风机功率也仅增加 2.5%，增幅较为有限。

此外，还需考量污堵及设备使用寿命等因素。随着单位通气量的增大，污堵发生的概率会明显降低，但由此引发的设备震动加剧，以及膜片式微孔曝气器膜片所受撕扯力增强等问题，可能会因机械应力的影响而缩短曝气器的使用寿命。

基于上述全面分析，作者制定了适用于本案例的曝气方案评分表：

                                     表1.2 不同曝气器布置方案评分表

注：在该案例中，每一种曝气方案都能满足生化反应对溶解氧的需求，但池中是投加了MBBR填料的，所以对搅拌的要求非常高。

基于CFD仿真技术揭示了传统曝气系统的三大痛点：低流速区域占比高、污泥沉积风险显著、能量利用率不足。通过对比16管、12管、8管三种曝气方案发现：

● 流场优化：总曝气量提升至 18Nm³/h 后，8管非均匀布置方案形成稳定双环流，池内高速区域占比超 2/3，壁面与底部低速区缩减60%以上，搅拌效果显著优于传统均匀布管。

● 能耗平衡：尽管单位通气量增加导致氧利用率下降27%，但 CFD 模拟显示，良好的搅拌效果使实际溶氧利用率降幅小于理论值，且鼓风机扬程仅增加 2.5%，实现 “能耗微增、效率跃升”。

● 成本优势：曝气管数量从16根减至8根，初期投资成本降低 50%，结合污堵风险下降与填料均匀悬浮效果，综合效益提升显著。

CFD引领行业从“经验驱动”到“科学设计”

对水务行业而言，CFD 的价值不仅在于解决单一项目的曝气难题，更在于推动设计思维的迭代更新：当化工、能源领域早已通过模拟软件实现 “理论-仿真-工程” 闭环时，环保行业也需要以CFD为桥梁，打通流体力学、传质传热等基础理论与工程实践的鸿沟。尤其在 MBBR、AO等复杂工艺中，通过CFD精准预测填料分布、污泥停留时间等关键参数，为智慧水务的精准调控提供底层支撑。