一种基于数值模拟对紫外活化过硫酸盐动态装置的杀菌效率预测方法

1.本发明涉及污水杀菌处理预测技术领域，是一种基于数值模拟对紫外活化过硫酸盐动态装置的杀菌效率预测方法。


背景技术：

2.基于硫酸根自由基(
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so4-)的高级氧化消毒技术可杀灭多种微生物，是众多新型消毒技术中的一种绿色、高效的消毒技术，近年来受到了越来越多的关注。羟基自由基和硫酸根自由基都可以通过对细胞结构或功能的不可逆损伤来灭活微生物，与
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oh相比，
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so4-对大分子生物具有更强的选择性。应用于活化过硫酸盐的紫外波长恰好为短波灭菌紫外线，uv可以在活化过硫酸盐的同时兼具杀菌效果。对于过硫酸盐的选择，pms比pds更易被活化，但是pms不稳定，只能以复合盐的方式使用和贮存，有效成分低，而pds的有效成分高，极具杀菌潜力。uv活化过硫酸盐技术非常适用于已有uv消毒系统的污水处理厂，改造起来经济实惠。因此，uv活化pds技术应用于污水消毒具有很大的优势和潜力。
3.基于紫外技术的杀菌方法在应用于实际时，为了保证消毒可靠性，通常需要对消毒反应器进行生物验证试验，但生物验证工作量大、试验耗时长、相关花费高。近年来，随着科技的迅速发展，基于计算流体力学的数值模拟技术成为各领域工程分析的重要手段，在水处理消毒领域也有了很多相关研究。通过数值模拟技术，可以为动态消毒过程进行模拟，得出各类数据和可视化图像，根据数据处理和图像分析，可以对消毒的反应器设备进行优化，还可以对紫外消毒剂量进行模拟计算，保障消毒效果的同时减轻生物验证试验的负担。


技术实现要素：

4.本发明为进行简单实用的杀菌效率预测，为动态杀菌过程进行模拟，本发明提供了一种基于数值模拟对紫外活化过硫酸盐动态装置的杀菌效率预测方法，本发明提供了以下技术方案：
5.一种基于数值模拟对紫外活化过硫酸盐动态装置的杀菌效率预测方法，所述方法包括以下步骤：
6.一种基于数值模拟对紫外活化过硫酸盐动态装置的杀菌效率预测方法，所述方法包括以下步骤：
7.步骤1：建立反应器三维模型，设置边界类型；
8.步骤2：基于反应器内液体流动界定，筛选物理模型；
9.步骤3：构建流场辐射场耦合模型，确定各粒子流经反应器获得的紫外剂量；
10.步骤4：根据确定的紫外剂量，确定微生物粒子平均剂量及大肠杆菌平均对数去除率。
11.优选地，所述步骤1具体为：
12.采用star-ccm 中的实体建模器3d-cad创建几何模型，反应器装置模型采用圆柱
体；
13.绘制反应器的主体截面，通过旋转将该草图转换为体，创建进出口并进行旋转操作建立进出口，设置尺寸，完成建模后将反应器整体分配为几何零部件，设置边界类型，inlet、outlet、light、column四个区域的边界类型依次为速度入口、出口、壁面、壁面。
14.优选地，所述圆柱体高15cm，内径为8cm，进出口为圆形口，灯管长13cm，安装高度距离底面2cm。
15.优选地，圆柱壁体为不透明材料。
16.优选地，所述步骤2具体为：
17.根据反应器内液体流动计算界定为三维不可压缩湍流流动，选择分离求解器做隐式非稳态计算，同时选择单元质量校正，选择拉格朗日多相模型用于构建离散相模型，采用volume of fluid方法模拟自由液面的产生，选择连续相物理模型，流体是湍流且不可以压缩，分离流模型同默认k-epsilon湍流模型一起使用，拉格朗日多相模型构建离散相模型。
18.优选地，根据反应器入口流量计算管流进口处雷诺数re，故应选择湍流模型；其中，k-epsilon雷诺平均纳维-斯托克斯(rans)模型，辐射模型需选择多波段热辐射模型。
19.优选地，所述步骤3具体为：
20.设置反应器进口流量为1.0l/min，构建反应器内流场模拟图，设置紫外灯为7w功率，做出反应器内辐射场光强云图；
21.通过拉格朗日粒子模型标记粒子运动的轨迹，获得粒子在流场和时间上坐标，以及各点的辐射强度，将模拟数据结果导出，得出各粒子流经反应器获得的紫外剂量。
22.优选地，所述步骤4具体为：
23.根据导出的粒子运动轨迹与时间数据确定粒子流出反应器时间分布情况，粒子停留时间总体分布43.5s～45.7s，将运动轨迹的光强与运动时间作乘积，可对微生物粒子在反应器内接受的剂量进行求解。
24.优选地，根据求解出反应器内粒子接受的紫外剂量后，根据uv/pds杀菌曲线的动力学模型，通过反应动力学求解一定剂量下uv/pds体系对大肠杆菌的对数去除率。
25.优选地，当进口流量为1.0l/min时，预测对大肠杆菌的平均对数去除率为2.24。
26.本发明具有以下有益效果：
27.本发明设计的杀菌预测方法针对于基于紫外的新型杀菌技术的杀菌效率预测。可以为动态杀菌过程进行模拟，得出反应器内部各类数据和可视化图像，在较为准确地预测消毒效果的同时，可以用于反应器设备的优化工作，相比于生物验证试验，更加经济高效。
28.在水处理消毒领域上，利用数值模拟技术进行消毒反应器的比选，可以为反应器的设计和优化提供参考依据。而且相比于繁琐的生物试验，数值模拟成本低、耗时短、易实现，所以数值模拟作为一种低成本、可视化的水处理消毒分析方法具有很大潜力。
29.工程实际中因消毒反应器形式、灯管布置方式、进出口流量不同等因素，导致消毒体系内微生物粒子接受的uv剂量并不均匀，且试验较难准确测量和计算，仅靠试验和传统的数学模型预测准确的杀菌效果比较困难。通过数值模拟软件求解微分方程来模拟仿真不同边界条件下实际流体的流场，模拟所得结果具有可视化的优势，能够直观分析流场情况，同时，可以耦合光辐射场和流场，计算反应器内微生物粒子运动路径上所接受的紫外剂量，预测动态杀菌反应器的杀菌效果。
附图说明
30.图1为uv/pds动态杀菌试验装置图；
31.图2为利用star-ccm 建立的动态杀菌反应器三维模型；
32.图3为进口流量为1.0l/min时动态杀菌反应器内流场速度云图和流线图；
33.图4为动态杀菌反应器内紫外辐射光强分布图；
34.图5为动态杀菌反应器内微生物粒子轨迹图。
具体实施方式
35.以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
36.具体实施例一：
37.根据图1至图5所示，本发明为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：
38.本发明基于数值模拟技术，为紫外活化过硫酸盐动态杀菌装置提供一种简单实用的杀菌效率预测方法。本发明的技术方案包括以下步骤：
39.在数值模拟软件内建立紫外活化过硫酸盐动态杀菌装置的三维模型；
40.将动态杀菌装置的紫外光强在模型中进行数学变换，设置进出口流速，获得辐射场-流场耦合模型；
41.标记基于拉格朗日方法的微生物粒子运动轨迹，获得微生物粒子在装置空间、时间和辐射场上的坐标和数据，计算紫外剂量；
42.根据紫外活化过硫酸盐杀菌动力学模型，求解紫外活化过硫酸盐杀菌方法的杀菌效率。
43.所述的细菌为大肠埃希氏菌。所述的数值模拟软件为star-ccm 。
44.具体的，本发明涉及一种基于数值模拟对紫外活化过硫酸盐动态装置的杀菌效率预测方法。
45.一种基于数值模拟对紫外活化过硫酸盐动态装置的杀菌效率预测方法，所述方法包括以下步骤：
46.一种基于数值模拟对紫外活化过硫酸盐动态装置的杀菌效率预测方法，所述方法包括以下步骤：
47.步骤1：建立反应器三维模型，设置边界类型；
48.所述步骤1具体为：
49.采用star-ccm 中的实体建模器3d-cad创建几何模型，反应器装置模型采用圆柱体；所述圆柱体高15cm，内径为8cm，进出口为圆形口，灯管长13cm，安装高度距离底面2cm。圆柱壁体为不透明材料。
50.绘制反应器的主体截面，通过旋转将该草图转换为体，创建进出口并进行旋转操作建立进出口，设置尺寸，完成建模后将反应器整体分配为几何零部件，设置边界类型，inlet、outlet、light、column四个区域的边界类型依次为速度入口、出口、壁面、壁面。
51.步骤2：基于反应器内液体流动界定，筛选物理模型；
52.所述步骤2具体为：
53.根据反应器内液体流动计算界定为三维不可压缩湍流流动，选择分离求解器做隐式非稳态计算，同时选择单元质量校正，选择拉格朗日多相模型用于构建离散相模型，采用
volume of fluid方法模拟自由液面的产生，选择连续相物理模型，流体是湍流且不可以压缩，分离流模型同默认k-epsilon湍流模型一起使用，拉格朗日多相模型构建离散相模型。
54.根据反应器入口流量计算管流进口处雷诺数re，故应选择湍流模型；其中，k-epsilon雷诺平均纳维-斯托克斯(rans)模型，辐射模型需选择多波段热辐射模型。
55.步骤3：构建流场辐射场耦合模型，确定各粒子流经反应器获得的紫外剂量；
56.所述步骤3具体为：
57.设置反应器进口流量为1.0l/min，构建反应器内流场模拟图，设置紫外灯为7w功率，做出反应器内辐射场光强云图；
58.通过拉格朗日粒子模型标记粒子运动的轨迹，获得粒子在流场和时间上坐标，以及各点的辐射强度，将模拟数据结果导出，得出各粒子流经反应器获得的紫外剂量。
59.步骤4：根据确定的紫外剂量，确定微生物粒子平均剂量及大肠杆菌平均对数去除率。
60.所述步骤4具体为：
61.根据导出的粒子运动轨迹与时间数据确定粒子流出反应器时间分布情况，粒子停留时间总体分布43.5s～45.7s，将运动轨迹的光强与运动时间作乘积，可对微生物粒子在反应器内接受的剂量进行求解。
62.根据求解出反应器内粒子接受的紫外剂量后，根据uv/pds杀菌曲线的动力学模型，通过反应动力学求解一定剂量下uv/pds体系对大肠杆菌的对数去除率。当进口流量为1.0l/min时，预测对大肠杆菌的平均对数去除率为2.24。
63.以上所述仅是一种基于数值模拟对紫外活化过硫酸盐动态装置的杀菌效率预测方法的优选实施方式，一种基于数值模拟对紫外活化过硫酸盐动态装置的杀菌效率预测方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。