水處理設(shè)備就是通過物理、化學(xué)、生物等手段，去除水中一些對生產(chǎn)、生活不需要的有害物質(zhì)的水質(zhì)調(diào)理過程。利用實驗手段來進(jìn)行水處理研究的花費較大，隨著現(xiàn)代CAE仿真技術(shù)的日趨成熟，企業(yè)完全可以將這種先進(jìn)的研發(fā)手段與試驗和經(jīng)驗相結(jié)合，形成互補(bǔ)，從而提升研發(fā)設(shè)計能力，有效指導(dǎo)水處理的相關(guān)研發(fā)設(shè)計，節(jié)省成本，縮短設(shè)計周期，從而大幅度提高企業(yè)的市場競爭力。

　　01、紫外消毒

　　紫外消毒優(yōu)化設(shè)計方法有試驗?zāi)M與數(shù)值模擬兩種。試驗?zāi)M通過對真實消毒系統(tǒng)進(jìn)行分析、驗證和優(yōu)化，需要大量的裝置加工和生物驗證工作。數(shù)值模擬采用計算流體力學(xué)CFD作為研究工具，借助高性能計算機(jī)，利用CFD軟件，模擬紫外殺菌并實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)的優(yōu)化。紫外消毒數(shù)值模擬的關(guān)鍵因素有以下兩個方面：

　　紫外線消毒設(shè)備的消毒效果與紫外線劑量(UV dose)的大小直接相關(guān)。當(dāng)量劑量(Reduction Equivalent Dose，RED)能很好地評價反應(yīng)器的消毒效果，它是指反應(yīng)器中所有微生物隨水流運(yùn)動，經(jīng)過消毒區(qū)域后按相同存活率折算的紫外劑量之和。當(dāng)量劑量不僅與光強(qiáng)分布有關(guān)，還與微生物在反應(yīng)器中停留時間等參數(shù)有關(guān)。

　　ANSYS FLUENT對紫外反應(yīng)器當(dāng)量劑量的模擬主要采取拉格朗日方法，對應(yīng)的CFD模型為離散型模型(Discrete Phase Model,DMP)。在該模型中，微生物被看作離散相，水作為連續(xù)相，在拉格朗日框架下通過求解N-S方程得到每個投加粒子的運(yùn)動情況，追蹤粒子的運(yùn)動軌跡。

　　02、活性污泥法

　　活性污泥法是以活性污泥為主體的廢水生物處理的主要方法，該法是在人工充氧的條件下，對污水中的各種微生物群體進(jìn)行連續(xù)混合培養(yǎng)，形成活性污泥。利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，以分解去除污水中的有機(jī)污染物。然后使污泥與水分離，大部分污泥再回流到曝氣池，多余部分則排出活性污泥系統(tǒng)。活性污泥法的CFD模擬關(guān)鍵主要有以下兩個方面：

　　曝氣是指將空氣中的氧強(qiáng)制向液體中轉(zhuǎn)移的過程，其目的是獲得足夠的溶解氧。此外，曝氣還有防止池內(nèi)懸浮體下沉，加強(qiáng)池內(nèi)有機(jī)物與微生物及溶解氧接觸的目的，從而保證池內(nèi)微生物在有充足溶解氧的條件下，對污水中有機(jī)物的氧化分解作用。

　　曝氣池中的溶解氧可以用ANSYS FLUENT的歐拉多相流模型、組分輸送模型來模擬。通過求解動量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、液相和氣相中的組分輸運(yùn)方程可以得到水中的氧含量。
　　ANSYS FLUENT中的活性污泥模型(ASM)可以模擬污染去除情況，污染物組分濃度可以通過組分輸運(yùn)方程計算得到，該方程包含生物反應(yīng)源項，該源項與ASM模型中生物反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)有關(guān)，是基于微生物的生長和衰減過程，通過動力學(xué)和化學(xué)計量學(xué)參數(shù)與營養(yǎng)物質(zhì)濃度聯(lián)系起來。因此，在CFD模型中結(jié)合組分輸運(yùn)方程可以實現(xiàn)流體力學(xué)與ASM模型的連接。CFD可以模擬生物反應(yīng)器流體力學(xué)特性，結(jié)合CFD和ASM模型有利于從流體力學(xué)角度提高污染物去除率。

　　03、反應(yīng)器設(shè)計

　　水處理中典型的固液分離反應(yīng)器就是沉淀池；生物處理反應(yīng)器包括穩(wěn)定塘、活性污泥法中的曝氣池以及厭氧消化池等；化學(xué)處理反應(yīng)器包括絮凝池和接觸池等，其中常見的絮凝池有攪拌反應(yīng)池和隔板式水力絮凝池。以常見的攪拌釜為例，攪拌釜設(shè)計過程中有許多放大準(zhǔn)則，但是針對具體的攪拌過程，究竟哪個準(zhǔn)則比較實用卻極大的依賴于經(jīng)驗。通過試驗的方法逐級放大，造成設(shè)計過程周期長、投入的人力、物力、財力大。

　　采用CFD的方法來輔助攪拌器的設(shè)計，可以極大的避免上述試驗研究的不足。下例為某一生物攪拌式反應(yīng)器中的槳葉形式，對于生物反應(yīng)器來說需要提供適宜的剪切力，剪切不夠，造成生物體生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)分布不勻，生物體生長緩慢，剪切過強(qiáng)又會造成菌絲體、細(xì)胞的破裂死亡，因此，需要對攪拌槳葉進(jìn)行優(yōu)化。

　　04、水處理輔助設(shè)備

　　水處理裝置包含許多輔助設(shè)備，例如，污泥脫水需要離心泵、污水調(diào)節(jié)與控制需要閥門、污水的輸送需要管道等。若想要提高水處理技術(shù)，必然不能忽略輔助設(shè)備的重要作用，但許多輔助設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，很難通過試驗研究來深入了解其內(nèi)部特性，于是水處理設(shè)計研發(fā)企業(yè)和單位常常借助CFD技術(shù)來進(jìn)行研究。ANSYS軟件能夠解決復(fù)雜幾何的網(wǎng)格劃分問題，并擁有豐富的物理模型，被廣泛地應(yīng)用于各種水處理設(shè)備的設(shè)計優(yōu)化過程中，并取得了可喜的成果。

　　以泵為例，其葉輪內(nèi)是高度的湍流流動，水力設(shè)計和性能預(yù)測也是泵設(shè)計的核心工作，ANSYS軟件能夠設(shè)計各種旋轉(zhuǎn)和靜止的葉片元件并生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，CFX更是全球公認(rèn)最好的旋轉(zhuǎn)機(jī)械工程CFD軟件，被旋轉(zhuǎn)機(jī)械領(lǐng)域90%以上的企業(yè)作為主要的氣動/水動力學(xué)分析和設(shè)計工具。

　　05、惡臭分析

　　污水處理廠中污泥脫水機(jī)房是惡臭污染較重的處理單元之一。脫水機(jī)房惡臭對外可能影周邊居民和環(huán)境，對內(nèi)則會影響身處其中的工作人員身體健康和腐蝕機(jī)房內(nèi)設(shè)備。所以有必要研究污泥脫水機(jī)房惡臭，以期減輕惡臭污染。污泥脫水機(jī)房惡臭物質(zhì)中的硫化氫氣體是重要的惡臭污染物，并廣泛存在于污泥脫水機(jī)房空間。