CFD模擬SMBR中的水力學(xué)特征研究.pdf

1、膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor, MBR)是一種通過膜強(qiáng)化生物反應(yīng)的高效廢水處理技術(shù)，由于其具有處理效果好、占地面積小、剩余污泥量少等優(yōu)點(diǎn)，已在廢水處理工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前的MBR設(shè)計(jì)方法和常用的生物動力學(xué)依據(jù)均假定在 MBR內(nèi)部氣液固三項(xiàng)完全混合，而忽略了反應(yīng)器內(nèi)部實(shí)際的水力學(xué)情況。事實(shí)上，這些水力學(xué)特征，如氣相和液相速度分布、湍動能分布等對優(yōu)化傳質(zhì)效果、減緩膜污染和提高系統(tǒng)能量利用率均具有顯著影響。然而由

2、于反應(yīng)器內(nèi)氣液固三相湍流的復(fù)雜性和膜組件內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)位無法測定等客觀原因，使現(xiàn)有MBR系統(tǒng)中尚無法通過實(shí)驗(yàn)監(jiān)測手段表征這些重要的水力學(xué)特征。因此，通過理論模擬手段對MBR內(nèi)的水力學(xué)特征進(jìn)行研究，其中，計(jì)算機(jī)流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）方法作為一種高效的流體模擬工具，能準(zhǔn)確模擬，高精度定量流場，將其應(yīng)用于MBR系統(tǒng)內(nèi)水力學(xué)特征的考察，有望從微觀層面對系統(tǒng)的膜污染預(yù)防和運(yùn)行參數(shù)決策進(jìn)行有效研究，

3、并為新型MBR的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出依據(jù)。
　　本研究采用CFD方法中的FLUENT軟件，以目前工程中應(yīng)用最多的中空纖維膜浸沒式生物反應(yīng)器（Submerged Membrane Bioreactor, SMBR）為研究對象，進(jìn)行氣液兩相流模擬，系統(tǒng)展開三個(gè)重要參數(shù)（膜絲直徑、曝氣速度和氣泡大小）對反應(yīng)器中水力學(xué)特征，如氣相和液相速度、氣含率、湍動能和膜面剪切力的影響。通過模擬反應(yīng)器中單根膜絲下不同流場情況，分析水力學(xué)特征對膜污染的影響；并

4、通過模擬九根膜絲組件中不同流場分布，考察水力學(xué)特征以及膜絲間相互作用對膜污染的影響。通過查閱文獻(xiàn)的方法，間接驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。取得的主要結(jié)論如下：
　　（1）分別考察膜絲直徑為1 mm、3mm、5mm的條件下，單根膜和九根膜組件反應(yīng)器內(nèi)的水力學(xué)特征。結(jié)果表明，隨著膜絲直徑的增加，反應(yīng)器上部的氣相速度明顯增大，液相速度在氣相速度的帶動下逐漸增加，膜組件兩側(cè)的湍動能明顯增加。說明在粗膜絲條件下，反應(yīng)器上部的膜絲也能得到有效的水氣

5、沖刷，減緩膜污染。
　　（2）分別考察曝氣速度為0.1m/s、0.3m/s和0.5m/s的情況下，SMBR系統(tǒng)內(nèi)的水力學(xué)特征。在單根膜絲和九根膜絲組件的反應(yīng)器中，隨著曝氣速度的增加，氣相和液相速度的不均勻性增大，在反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)超過1m/s的高速區(qū)域。由于使用壁面模型，將膜絲作為障礙物，使得液相速度隨氣相速度的變化較明顯。九根膜絲作為更大的障礙物，使其反應(yīng)器內(nèi)的速度分布不均勻性大于單根膜絲反應(yīng)器，出現(xiàn)組件單側(cè)速度增加的現(xiàn)象。曝氣速度

6、增加，反應(yīng)器底部的氣含率增加，但氣含率沒有隨反應(yīng)器的高度增加，反應(yīng)器中上部的氣含率幾乎為零，說明好氧微生物主要在反應(yīng)器底部完成對有機(jī)物的降解。湍動能也隨著曝氣速度的增加而增加，無論是單根膜還是九根膜組件，曝氣速度為0.5m/s下的湍動能最大。
　　（3）分別考察氣泡直徑為1 mm、3mm和5mm的情況下，SMBR系統(tǒng)內(nèi)的水力學(xué)特征。單根膜組件和九根膜組件中，隨著氣泡直徑的增大，氣相速度和液相速度在反應(yīng)器內(nèi)不均勻性的增加，在反應(yīng)器內(nèi)

7、均出現(xiàn)高于1.1m/s的高速區(qū)域，使得反應(yīng)器內(nèi)氣水混合性增強(qiáng)。但反應(yīng)器中的氣含率變化不明顯，特別是當(dāng)氣泡直徑為3mm和5mm時(shí)，其氣含率分布類似。大氣泡產(chǎn)生的尾流大于小氣泡，使直徑為5mm的氣泡下，產(chǎn)生的湍動能最大。而由于九根膜絲組件離反應(yīng)器壁較近，使膜組件兩側(cè)的湍動能隨著高度的增加明顯減小。
　　（4）通過相同參數(shù)下的單根膜和九根膜組件流場分布的比較發(fā)現(xiàn)，由于九根膜組件在反應(yīng)器內(nèi)的體積較大，與反應(yīng)器壁的距離較近，使反應(yīng)器中流場更

8、不均勻，在靠近反應(yīng)器壁處出現(xiàn)速度超過1.1m/s的流場面積更大。九根膜絲組件膜絲間的間隙為4mm，使1mm的氣泡能進(jìn)入組件中，在組件下部產(chǎn)生明顯流場，但由于膜絲間的相互作用，氣相和液相速度無法如單根膜一樣均勻分布，使組件內(nèi)的膜絲間污染程度不同。
　?。?）九根膜組件中，側(cè)面膜絲截面附近的氣相和液相速度明顯高于中間膜絲截面和膜絲間截面，其湍動能也最大，說明膜組件外側(cè)受到的沖刷最大。膜面剪切力的模擬結(jié)果顯示，不同膜絲位置下，膜面剪切力