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用于降解微污染物的微型污水处理设备的设计

全球湖泊、河流和溪流中的微污染物正日益增长。许多传统的污水处理厂并未配备能够去除这些具有潜在危害的化学残留物的设备。位于法国巴黎的深度技术公司 Eden Tech正在使用多物理场仿真设计开发一种污水处理设备，用于解决这一新兴问题。

作者 Rachel Keatley
2021 年 10 月

1985 年的一部冒险动作电视剧 MacGyver® 讲述了秘密特工 Angus MacGyver 利用手头物品解决生活问题的故事。例如，他在剧中用废旧冰箱零件制作了一个隔热罩，还利用糖果包装纸制作了鱼饵。30 多年过去了，这个节目仍然具有现实意义。动词 MacGyver，是指以临时的或创造性的方式设计物品，于 2015 年被收录入《牛津英语词典》。

尝试测试一下你的 MacGyver 技能：如果有人给你一些光盘（CD），你会用它们做什么？艺术反光墙，马赛克装饰品或者一个风铃？还是一个小型污水处理设备？

这正是 Eden Tech 公司的工程师和研究团队正在做的事情。Eden Tech是一家专门从事微流体技术开发的公司，其研发部门 Eden Cleantech正在开发一种紧凑型节能水处理系统，用于降解废水中日益增多的微污染物。为了分析使用光盘制成的 AKVO（以拉丁词语aqua命名，意为“水”）系统的性能，Eden Tech 选择了多物理场仿真技术。

新兴污染物

“微污染物进入污水的方式有很多种。人类的日常活动导致这些微型化学物质在世界各地的污水中增加。例如，当我们用肥皂洗手、用清洁剂擦拭水槽或用水冲洗体内的药物时，各种各样的化学物质都会被冲进下水道并最终进入污水系统，其中的一些化学物质被归类为微污染物，或新兴污染物。除了生活垃圾外，农业污染和工业废弃物也是导致下水道中微污染物增多的原因。”Eden Tech 公司的高级化学工程师兼首席产品官 Wei Zhao 介绍道。

然而，许多传统设计的污水处理设备（图1）并不能去除这些污染物。因此，它们经常被重新排入各类水体，包括河流、小溪、湖泊，甚至饮用水源中。尽管我们尚未完全了解微污染物对人类和环境健康构成的风险，但世界水体中日益增多的污染令人担忧。

随着这个问题变得日益严重，Eden Tech 开始着手研发解决方案，于是 AKVO 诞生了。AKVO 的每个光盘芯的设计直径 15 厘米，厚度 2 毫米。一个 AKVO 光盘盒由数量不等的光盘堆叠而成，它们组合成为一个小型工厂。一个 AKVO 光盘芯每天约处理 0.5~2 立方米污水，这意味着由 10000 个光盘芯组成的 AKVO 系统完全能够满足平均市政污水的处理需求。这种由光盘制成的设备如何净化污水？

一种可持续的污水处理方法

单个 AKVO 系统（图2）由一个可定制的光盘盒组成，其中装满了堆叠的光盘，每个光盘上均刻蚀有微通道网络。水通过使在微通道网络中的循环去除污水中的有害分子，如微污染物。这些通道网络非常节能，仅需一个小型泵就可以循环和清洁大量水。AKVO 系统的光盘盒可以轻松更换， Eden Tech 负责对其进行回收利用。

AKVO 将光催化和微流体技术组合到一个紧凑型系统中，是一项革新性设计。光催化是一种高级氧化工艺，能够快速、有效地去除污水中的微污染物。与其他光催化工艺相比，AKVO 更加安全和可持续，因为它是由光源驱动的。在光催化过程中，光被具有产生电子-空穴对能力的光催化剂吸收，产生能够与目标污染物反应并将其降解的羟基自由基。将光催化和微流体相结合处理废水是 Eden Tech 团队首次提出的。“这是一个非常艰巨的项目，我们希望开发一种创新的方法，用于环保、高效的处理污水。”Zhao 表示。AKVO 目前的设计来之不易，因为 Zhao 和他的团队在开发过程中面临着多个设计挑战。

克服设计挑战

在运行过程中，化学试剂（催化剂）和污水通过 AKVO 的微通道壁被分散开。催化剂（本例中为二氧化钛）的作用是与微污染物发生反应并清除它们。然而，AKVO 中的快速流动使这一过程变得复杂。“最大的问题是，当我们将化学试剂放入通道壁内时，微通道中的快速流动使废水中的微污染物无法与试剂有效反应。”Zhao解释道。为了增加微污染物与固定化学试剂之间的接触，Zhao 和他的团队选择对 AKVO 的微通道网络采用交错的人字形微混合器（SHM）设计（图3）。

为了分析支持微污染物降解化学反应的人字形微混合器设计的性能，Zhao 使用了 COMSOL Multiphysics® 软件进行了仿真。

微污染物降解化学反应仿真

Zhao使用 COMSOL Multiphysics® 多物理场仿真软件构建了两个不同的模型（图4），分别命名为显性表面吸附（ESA）模型和转换表面浓度（CSC）模型。这两个模型都考虑了化学和流体现象。

在这两个模型中，Zhao 发现流体在通过 AKVO 人字形微混合器结构时会产生涡流，这使得微污染物和化学试剂具有更长的反应期，并增强了各流体层之间的物质传递。然而，ESA 模型的模拟结果显示，该设计仅处理了约 50% 的微污染物，低于 Zhao 的预期。

与 ESA 模型（图5）不同，在 CSC 模型中假设没有吸附限制。因此，只要微污染物到达催化剂表面，就会发生反应，这在参考文献 1 已经讨论过。Zhao 使用 CSC 模型分析了这种设计对 6 种不同微污染物的降解，包括吉非罗齐、环丙沙星、卡马西平、氯贝酸、双酚 A 和对乙酰氨基酚（图6）。该模型对微污染物的处理达到 95% 以上，符合 Zhao 的预期。

“我们对 COMSOL Multiphysics® 的仿真结果非常满意。我们接下来将专注于对[AKVO 原型]进行实验测试。预计到 2022 年初，我们将制作完成第一个原型。”Zhao 介绍道。该原型最终将在法国南部的医院和水处理站进行测试。

仿真技术在该项目中为 Eden Tech 团队节省了时间和资金。开发像 AKVO 这样的微流体系统原型的成本很高。在 AKVO 的每张 4 英寸光盘上蚀刻微通道网络，需要一个微通道光掩模版。一个光掩模版的制造成本约为 3000 欧元。因此，重要的是需要确保这些系统在制造之前运行良好。“COMSOL Multiphysics® 确实帮助我们验证了我们的模型和设计。”Zhao 补充道。

微污染物处理的先驱

2016 年，瑞士推出立法强制要求新设计的污水处理设备能够去除污水中的微污染物。他们希望这些设备能够去除瑞士100 多个污水处理厂中 80% 以上的微污染物。在他们的引领下，许多其他国家目前正在考虑如何处理其水道中日益增加的微污染物。AKVO 有潜力提供一种紧凑型、环保的方式，帮助减缓这个将长期存在的问题。

下次当你准备扔掉旧的光盘或任何其他家居用品时，可以思考一下：MacGyver 会怎么做？或者，Eden Tech 会怎么利用这些物品？您可能正握着他们下一个创新设计的基础材料。