从杭州自来水异味事件到CFD仿真模拟

1. 引言

2025 年 7 月 16 日，杭州市余杭区仁和街道及良渚街道部分区域出现自来水气味异常。经官方调查确认，原因系藻类厌氧降解产生的硫醚类物质所致。夏季高温天气导致水温升高，藻类生长速度加快。在特定气候条件下，水体中氧气供应不足，藻类进入厌氧分解状态，其蛋白质被细菌分解，产生硫醚类物质。这类物质嗅阈值极低，极微量就能被人体感知，从而引发自来水发臭。相关部门初步排查认为是苕溪原水出现短时间异常，导致仁和水厂水质嗅味指标出现波动，进而引发自来水发臭。

图为某微博网友评论

2. 常见的污水的处理方法

物理处理法：通过物理作用分离污水中呈悬浮状态的固体污染物，如格栅、筛网、沉砂池等拦截较大固体杂质，沉淀池利用重力沉淀分离悬浮固体颗粒。过滤则是使水通过石英砂、无烟煤等滤料层，截留水中的悬浮物。离心分离利用旋转产生的离心力将水中的悬浮物分离出来。

化学处理法：向污水中投加化学药剂，使溶解性污染物转化为沉淀或气体去除。如中和法用于中和酸碱废水；化学沉淀法通过投加药剂与水中溶解性物质反应生成沉淀物去除；氧化还原法利用氧化剂或还原剂将污水中的有害物质氧化或还原为无害物质。

物理化学处理法：结合物理和化学作用去除污水中的污染物。混凝法通过投加混凝剂，使水中胶体颗粒和微小悬浮物脱稳、凝聚沉淀；气浮法通过产生微小气泡将水中的悬浮物带到水面形成浮渣去除。吸附法利用吸附剂的多孔性结构吸附水中的有机物、重金属等污染物；离子交换法利用离子交换树脂与水中离子进行交换，去除水中的重金属离子、氨氮等。

生物处理法：利用微生物的代谢作用分解污水中的有机污染物。好氧生物处理需要在有氧条件下进行，如活性污泥法、生物滤池、生物转盘等，通过好氧微生物将有机物分解为二氧化碳和水；厌氧生物处理则在无氧环境中，利用厌氧微生物将有机物分解为甲烷、二氧化碳等，常用于高浓度有机废水处理。

3. 数值模拟方法在水务中的应用

水文-水动力-水质耦合模型模拟水体污染扩散范围

水动力-水质耦合模型综合考虑了水体的流动特性和水质变化规律。水动力模块模拟水体的流速、流向、水位等水力要素随时间的变化，水质模块则基于水质输移转化方程，考虑污染物的扩散、弥散、降解等过程，在给定的水动力条件下模拟水质组分的分布和变化。水文-水动力-水质耦合数学模型进一步结合水文循环过程，考虑降水、径流、下渗等地表水与地下水的交换，更全面地模拟水体污染的扩散范围。

在实际应用中，通过收集水体的水文、水动力以及水质监测数据，对模型进行率定和验证，然后利用模型对水体污染扩散进行模拟预测。例如，在河流污染事故中，可输入污染源的位置、泄漏量等信息，模拟污染团在河流中的扩散范围和浓度变化，为应急处置和污染防治提供决策依据。

图1 某文献采用水文-水动力-水质耦合模型对水体污染进行模拟

CFD 方法应用于自来水厂水处理过程

CFD 技术可用于模拟曝气池内的水流流态、氧气传递和混合过程。通过建立曝气池的几何模型，设置边界条件和物理模型，如湍流模型、多相流模型等，模拟气液两相的流动和混合，优化曝气池的设计参数，如曝气强度、曝气方式、池体形状等，提高曝气效率和氧气利用率，确保污水与活性污泥充分接触反应，从而提高有机污染物的去除效果。

图2 采用VirtualFlow模拟曝气过程两相流动

CFD 方法能够模拟沉淀池中的水流速度、泥沙沉降等过程。分析沉淀池内的速度分布、涡流区、死水区等情况，以及不同位置的泥沙沉降速率和浓度分布，为沉淀池的优化设计和运行管理提供依据。例如，通过模拟确定合理的沉淀池尺寸、进水口和出水口位置、挡板设置等，提高沉淀池的沉淀效率和出水水质。

图3 采用VirtualFlow模拟二沉池三相流动

图4 采用VirtualFlow模拟蓄水池两相界面流动

CFD 技术可以对活性污泥法中的反应过程进行模拟，研究活性污泥在曝气池、沉淀池等不同单元中的流动、混合和反应情况。结合生物反应动力学模型，模拟活性污泥中微生物的生长、代谢和污染物的去除过程，深入理解活性污泥系统的作用机制，优化工艺运行参数，提高污水处理效果和稳定性。

在自来水消毒过程中，CFD 可用于模拟消毒剂与水的混合过程、消毒剂浓度分布以及消毒反应的动力学过程。通过模拟确定最佳的消毒剂投加位置、投加量和混合方式，使消毒剂在水中能够快速均匀地扩散，达到良好的消毒效果，同时减少消毒副产物的生成。

图5 采用VirtualFlow对臭氧消毒污水设备进行模拟

CFD 模拟可帮助优化加药系统的设计和操作，通过模拟药剂在水中的扩散和混合过程，确定最佳的加药点、加药量和加药方式，确保药剂能够均匀地与水体混合，提高药剂的利用效率和水处理效果。

4. VirtualFlow助力水处理过程模拟仿真

积鼎科技的CFD产品VirtualFlow在水处理过程中展现出诸多显著优势。它能够精准模拟水处理各环节的流体行为，为曝气池、沉淀池、活性污泥、消毒器等关键部位的设计与优化提供科学依据。同时，其可视化操作平台便于用户直观分析模拟结果，加速决策流程，为水处理厂的智慧化、高效化运行注入强劲动力。

水处理常用的 CFD 方法包括界面流模型、均相流模型、PBM模型、DPM模型等。

- 界面流模型包括Level-set模型及VOF模型，可用于蓄水池注水排水过程，获得池内的速度分布、涡流区、死水区等情况；

- 均相流模型可同时求解气液两相的连续相方程和湍流方程，适用于模拟曝气池等气液两相流动问题；

- PBM 能够描述颗粒（如活性污泥颗粒）的粒径分布和破碎、聚并等动态过程，对活性污泥系统的模拟具有重要意义；

- DPM 则将颗粒视为离散相，追踪其在连续相中的运动轨迹，可用于模拟沉淀池中泥沙颗粒的沉降过程等。

通过这些 CFD 方法的应用，能够更深入地了解自来水厂水处理过程中的各种物理和化学现象，为优化水处理工艺、提高水质提供科学依据。VirtualFlow软件内置了多种适合水处理过程模拟的多相流模型，通过合理选择和组合这些模型，可以准确描述水处理过程中的多相特性和流动行为。