本文圖形摘要

【研究亮點(diǎn)】

? 采用三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模型對(duì)MBR（膜生物反應(yīng)器）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

? 懸浮固體混合液濃度  (MLSS)  的增加提高了剪切應(yīng)力的均勻性 。

? 將氣泡直徑優(yōu)化至 5mm 有助于改善剪切應(yīng)力的分布 。

? 通過(guò)延長(zhǎng)側(cè)擋板的長(zhǎng)度，改善了膜表面上的剪切應(yīng)力均勻性 。

?新穎的原位曝氣方法提高了膜的抗污性能。

【論文摘要】

   本研究利用三維計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模型模擬了平板膜生物反應(yīng)器（MBR）的流體動(dòng)力學(xué)特性，以解決膜污染問(wèn)題并優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)調(diào)查改變剪切應(yīng)力和液體速度的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)膜模塊配置和操作條件進(jìn)行了優(yōu)化。發(fā)現(xiàn)混合液懸浮固體（MLSS）濃度增加會(huì)增加剪切應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)剪切應(yīng)力的更均勻分布。通過(guò)將氣泡直徑優(yōu)化為5mm，膜表面的剪切應(yīng)力得到了優(yōu)化，并且分布相對(duì)均勻。此外，延長(zhǎng)側(cè)邊擋板長(zhǎng)度顯著改善了每個(gè)膜上剪切應(yīng)力分布的均勻性。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)了一種新型的原位曝氣方法，與傳統(tǒng)曝氣方式相比，可以將湍流動(dòng)能增加200倍，從而實(shí)現(xiàn)了更均勻的氣泡流線。因此，這種新型的原位曝氣方法在MBR中展示出優(yōu)越的膜抗污染潛力。本研究為MBR的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了一種新方法。CFD模型、優(yōu)化技術(shù)和新型的原位曝氣方法的創(chuàng)新組合對(duì)提升污水處理中膜分離技術(shù)性能具有重要意義。

【文章簡(jiǎn)介】

1.背景介紹

    膜生物反應(yīng)器（ MBR ）技術(shù)，即生物反應(yīng)器與膜分離相結(jié)合的技術(shù)，由于其占地面積小、自動(dòng)化程度高、處理高效等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前市政污水處理和水再利用最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。在 MBR 中，流體力學(xué)參數(shù)是直接影響停留時(shí)間、生物反應(yīng)過(guò)程、污染物去除、膜污染和能耗的關(guān)鍵因素。因此，流體力學(xué)的研究已成為 MBR 領(lǐng)域的熱門(mén)課題之一。深入了解 MBR 的流體力學(xué)性能對(duì)于提高 MBR 技術(shù)的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。

    由于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（ CFD ）能夠清楚地展示每個(gè)區(qū)域的液體流動(dòng)和每個(gè)膜表面的剪切應(yīng)力分布，因此 CFD 已被廣泛應(yīng)用于研究 MBR 的水力性能。與全尺寸實(shí)驗(yàn)相比， CFD 虛擬實(shí)驗(yàn)具有較高的成本效益和可靠性。 CFD 廣泛應(yīng)用于 MBR 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，包括膜組件配置的優(yōu)化和各種流體力學(xué)參數(shù)的影響研究。在這些參數(shù)中，曝氣操作由于對(duì) MBR 的運(yùn)行性能和抗污能力的影響而受到更多關(guān)注 。本課題組提出一種新穎的原位曝氣技術(shù)用于膜分離過(guò)程，使膜表現(xiàn)出兼具高截留率和高滲透性的特點(diǎn)。具體過(guò)程是制備了聚偏二氟乙烯（ PVDF ） -Ni 導(dǎo)電膜，通過(guò)外加電場(chǎng)發(fā)生析氫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)原位曝氣操作。由于原位曝氣的作用，過(guò)濾系統(tǒng)表現(xiàn)出完全的剛果紅染料截留率（ 100% ）和非常高的滲透性（ 137.5 ± 6.8 Lm^-2h^-1bar^-1 ），在很大程度上打破了滲透性和選擇性之間的“ Trade-off ”效應(yīng)。課題組后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)原位曝氣在滲透性和抗污方面有明顯促進(jìn)作用。盡管這些研究確認(rèn)了原位曝氣的優(yōu)越性和潛在應(yīng)用 ，但在 MBR 與新穎原位曝氣模式相結(jié)合的 CFD 模擬研究仍然缺乏。因此，有必要開(kāi)展進(jìn)一步的研究，以提升和優(yōu)化原位曝氣這一新型曝氣模式的性能和應(yīng)用領(lǐng)域。

   在本研究中，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)三維CFD模型，研究了MBR中的剪切應(yīng)力和液體流速，并分析了各種操作參數(shù)對(duì)MBR流體力學(xué)的影響。通過(guò)優(yōu)化膜組件配置改善了MBR的流體力學(xué)特性，并率先利用CFD模擬評(píng)估了原位曝氣。本研究對(duì)于了解MBR流體力學(xué)有重要貢獻(xiàn)，并為MBR的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有價(jià)值的參考。

2. 研究方法

2.1  模型幾何結(jié)構(gòu)

    本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)如圖1所示實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的MBR（長(zhǎng)×寬×高=855 mm×340 mm×600 mm）。計(jì)算區(qū)域的尺寸基于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的平板（FS）MBR的實(shí)際尺寸（長(zhǎng)×寬×高= 360  mm×320 mm×510 mm）。十個(gè)膜模塊（長(zhǎng)×寬×高=320 mm×220 mm×6 mm）安裝在反應(yīng)器中，每個(gè)膜模塊上安裝有兩個(gè)膜。所有的膜模塊平行排列，相鄰模塊之間距離為6 mm。為減少污泥流入，五根曝氣管（長(zhǎng)×直徑=240 mm×12 mm）位于膜下方40 mm處，每根曝氣管的兩側(cè)傾斜45度，分布著十一個(gè)曝氣孔（直徑2 mm）。實(shí)驗(yàn)采用孔徑為0.1微米的平板超濾膜。為了節(jié)省計(jì)算量，CFD模型采用了一個(gè)對(duì)稱面，如圖1a所示。研究了9個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，以確定MBR的最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在原位曝氣過(guò)程中，當(dāng)施加一定電壓時(shí)，導(dǎo)電膜表面會(huì)通過(guò)析氫反應(yīng)釋放微氣泡。

   在數(shù)值模擬中，通過(guò)使用更細(xì)的網(wǎng)格可以提高計(jì)算精度。然而，這種改進(jìn)是以增加計(jì)算時(shí)間為代價(jià)的。此外，增加網(wǎng)格密度帶來(lái)的精度提高會(huì)出現(xiàn)遞減的收益。為了確保本研究的最佳精度，我們?cè)谄貧夤芎湍ぶg的區(qū)域采用了平均尺寸為2 mm的六面體網(wǎng)格。由于該區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)動(dòng)力學(xué)非常復(fù)雜，所以這種更細(xì)的網(wǎng)格是必要的。另一方面，對(duì)于其他區(qū)域，5 mm的網(wǎng)格尺寸已經(jīng)足夠。為了連接不同的網(wǎng)格尺寸，我們采用了四面體網(wǎng)格。用于此次研究的網(wǎng)格總單元數(shù)量約為1.0×106。值得注意的是，在獲得準(zhǔn)確可靠的結(jié)果的同時(shí)，盡量減少計(jì)算成本，選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格尺寸至關(guān)重要。因此，本研究采用多種網(wǎng)格尺寸，以流動(dòng)動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性為指導(dǎo)，確保了準(zhǔn)確性和計(jì)算效率之間的最佳平衡。

圖 1. (a-c) MBR 的示意圖及其配置參數(shù) ; (d-e)  網(wǎng)格細(xì)節(jié)

2.2 模型設(shè)置

  在MBR中，液體和固體顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以視為等效，從而將三相流簡(jiǎn)化為涉及氣體和液體的二相氣液流動(dòng)。為了模擬這種流動(dòng)，采用了歐拉模型，因?yàn)樗軌蚋咝У啬M氣液流動(dòng)，并且適用于我們特定的研究問(wèn)題，同時(shí)采用了k-?湍流模型來(lái)模擬湍流流動(dòng)。在本研究中，活性污泥被視為連續(xù)的液相，氣泡大小被視為固定。由于膜的過(guò)濾通量明顯低于曝氣期間的流速，膜表面被視為不可滲透的靜止壁面。在原位膜曝氣的模擬過(guò)程中，膜表面被設(shè)置為氣體進(jìn)口，連續(xù)氣泡被引入其中，這在先前的報(bào)告中已被證明是可行的。曝氣孔口用作氣體進(jìn)口，液體表面則充當(dāng)氣體出口。在所有穩(wěn)態(tài)案例中，分析對(duì)象被選為經(jīng)過(guò)10,000次迭代后的穩(wěn)定流場(chǎng)。本研究中的所有建模、網(wǎng)格劃分和仿真計(jì)算均使用商業(yè)軟件ANSYS FLUENT 19.1進(jìn)行。

3. 主要結(jié)果

3.1  膜組件配置的優(yōu)化

3.1.1.  膜與液體表面距離 （ D_a ）

  如圖2a所示，曝氣管直徑（Da）從7毫米增加到13毫米，導(dǎo)致膜表面的剪切應(yīng)力從0.5219帕增加到0.5956帕，并隨著Da的進(jìn)一步增加而降低到0.5417帕。膜對(duì)稱面上的液體速度輪廓如圖2a-c所示，顯示在曝氣管附近，液體速度約為0.5 m/s。隨著液體向上游流向膜模塊，模塊之間較窄的距離導(dǎo)致較高的液體速度，最高可達(dá)約0.8 m/s。當(dāng)液體接近液體表面時(shí)，它流向兩側(cè)，當(dāng)它到達(dá)反應(yīng)器壁時(shí)，它向下流動(dòng)至底部。當(dāng)Da大于13厘米時(shí)，如圖2d所示，液面以下逐漸形成一個(gè)渦旋。流體環(huán)流區(qū)域的大小通常由膜與液體水平面之間的距離決定。如果距離過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致缺乏流動(dòng)區(qū)域，使液體難以循環(huán)；而如果距離過(guò)高，環(huán)流距離將增加，導(dǎo)致循環(huán)過(guò)程中能量消耗增加。因此，膜的最大剪切應(yīng)力發(fā)生在13厘米的Da處，并且該值用于后續(xù)計(jì)算。

圖2. (a) 膜與液體表面距離對(duì)剪切應(yīng)力的影響; 對(duì)稱面上的液體速度輪廓 (b, Da = 7 cm; c, Da = 13 cm; d, Da= 19 cm)

3.1.2.  膜間距 （ D_b ）

   圖3顯示了膜間距對(duì)剪切應(yīng)力的影響。隨著膜間距從6毫米減小到4.5毫米，剪切應(yīng)力從0.5956帕增加到0.6549帕（圖3a）。這個(gè)結(jié)果可以歸因于膜模塊與中心位置更接近，增強(qiáng)了邊緣膜的曝氣效果（圖3b-c）。在膜間距為6毫米時(shí)，對(duì)稱平面上的液體速度輪廓如圖3b所示，顯示接近兩個(gè)邊緣膜的液體速度明顯低于中間部分。這是因?yàn)樵谄貧夤苌仙鲃?dòng)過(guò)程中，液體具有雙曲線形狀的速度剖面，這已有先前的報(bào)道。雙曲線形狀的流動(dòng)有效地清洗了中間的膜模塊，但對(duì)邊緣膜沒(méi)有相同的效果。進(jìn)一步減小膜間距到3毫米，會(huì)導(dǎo)致膜表面的剪切應(yīng)力從0.6549帕減小到0.5970帕（圖3a）。這可能是因?yàn)楫?dāng)膜間距太窄時(shí)，較大的氣泡難以通過(guò)，這可能有助于減少剪切應(yīng)力和膜污染。當(dāng)Db為4.5毫米時(shí)，所有的膜模塊都能得到曝氣，并且模塊之間的液體流速相對(duì)較高（圖3c）。因此，在本研究條件下，Db = 4.5毫米被認(rèn)為是最適合的尺寸。

圖3. (a) 膜間距對(duì)剪切應(yīng)力的影響；對(duì)稱面上的液體速度輪廓 (b. Db = 6 mm; c. Db = 4.5 mm; d. Db = 3 mm)

3.1.3.  擋板與槽壁之間的距離（ D_c ）

   圖4a描述了擋板與槽壁之間距離對(duì)剪切應(yīng)力的影響。隨著Dc的增加，膜表面上的平均剪切應(yīng)力變化不到1%。這是因?yàn)閾醢迮c槽壁之間的寬闊空間比膜組件之間的狹窄間隙對(duì)水流的阻力小。當(dāng)Dc設(shè)定為9厘米時(shí)，液體表面下的兩個(gè)渦旋的大小顯著減小（圖4b），而渦旋中的液體速度增加。這表明當(dāng)Dc過(guò)小時(shí)，膜模塊外的液體可能缺乏環(huán)流空間。當(dāng)Dc增加到15厘米時(shí)，從膜模塊到反應(yīng)器底部的液體環(huán)流距離增加（圖4d），導(dǎo)致液體流動(dòng)過(guò)程中的能量消耗增加。相反，當(dāng)Dc設(shè)定為12厘米時(shí)，剪切應(yīng)力最大，而膜之間的液體速度相對(duì)均勻（圖4c）。因此，在本研究條件下，Dc = 12厘米是最佳距離。

圖4. (a) 擋板與槽壁距離對(duì)剪切應(yīng)力的影響；對(duì)稱面上的液體速度輪廓 (b. Dc = 9 cm; c. Dc = 12 cm; d. Dc = 15 cm)

3.1.4. 擋板與槽壁之間的距離 （D_c）

   膜與曝氣管之間的距離（Dd）是膜生物反應(yīng)器（MBR）的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。圖5a顯示，將Dd減小到5.9厘米以下會(huì)逐漸降低膜表面的剪切應(yīng)力。這是因?yàn)镈d調(diào)節(jié)了外部流體進(jìn)入膜模塊的區(qū)域。較小的Dd增加了液體的流入阻力，減少了循環(huán)流速，并導(dǎo)致上游液體被兩側(cè)流動(dòng)液體更加明顯地?cái)D壓。這導(dǎo)致膜模塊中的曝氣效果更加不均勻（圖5b）。此外，液體在從曝氣裝置向上流動(dòng)時(shí)呈雙曲線形狀的速度分布，可能是由于從曝氣管道向上流動(dòng)的液體被膜組裝兩側(cè)的液體擠壓所致（圖5b）。能耗可以根據(jù)曝氣速率和曝氣系統(tǒng)的功耗計(jì)算得出。由于實(shí)現(xiàn)所需的流體力學(xué)條件需要增加曝氣速率，因此應(yīng)將Dd的大小最小化以避免增加能耗（圖5d）。在考慮了流入阻力、遠(yuǎn)距離傳輸能耗和剪切應(yīng)力的情況下，確定了最佳的Dd值為5.9 cm。

圖5. (a) 膜與曝氣管中心之間距離對(duì)剪切應(yīng)力的影響; 對(duì)稱面上的液體速度分布（b. D_d = 4.4 cm; c. D_d = 5.9 cm; d. D_d = 7.4 cm）

3.1.5. 曝氣管中心與槽底之間的距離 （De）

   根據(jù)圖6a所示的結(jié)果，可以看出當(dāng)曝氣管中心與槽底之間的距離為1.6 cm時(shí)，剪切應(yīng)力最大。值得注意的是，當(dāng)距離增加或減小時(shí)，剪切應(yīng)力顯著減小。將D_e減小至0.6 cm會(huì)使得從曝氣裝置向上游動(dòng)的液體流向中心彎曲，這可能是由于曝氣管下方的空間減少所致。這反過(guò)來(lái)增加了液體流入膜模塊兩側(cè)的速度，導(dǎo)致更加明顯的雙曲線形狀（圖6b）。當(dāng)D_e增加到3.6 cm時(shí)，膜模塊中噴射出的液體速度顯著減小（圖6d），表明曝氣管中心與槽底之間過(guò)大的距離也會(huì)增加液體的循環(huán)阻力。

圖6. (a) 曝氣管中心與槽底之間距離對(duì)剪切應(yīng)力的影響；對(duì)稱面上的液體速度分布(b. D_e = 0.6 cm; c. D_e= 2.1 cm; d. D_e = 3.6 cm)

3.2 操作條件的優(yōu)化

3.2.1.  混合液懸浮固體濃度（ C_m ）

   圖7說(shuō)明了混合液懸浮固體濃度與剪切應(yīng)力的關(guān)系。需要注意的是，圖7中的數(shù)值始終位于給定的顏色標(biāo)尺范圍內(nèi)。觀察到在相同曝氣條件下，隨著混合液懸浮固體濃度的增加，剪切應(yīng)力也增加（圖7a）。這個(gè)現(xiàn)象可以歸因于濃縮污泥的高粘度，增加了污泥與膜表面之間的摩擦，從而增加了剪切應(yīng)力。當(dāng)混合液懸浮固體濃度為5 g/L時(shí)，應(yīng)變率為0.1338 Pa·L·g^-1。隨著混合液懸浮固體濃度的增加，應(yīng)變率迅速下降，然后穩(wěn)定在約0.065 Pa·L·g-1（圖7b）。隨著混合液懸浮固體濃度超過(guò)10 g/L，剪切應(yīng)力的增加更加明顯，導(dǎo)致剪切應(yīng)力更加均勻分布（圖7c）。然而，從實(shí)際角度來(lái)看，高混合液懸浮固體濃度會(huì)增加流動(dòng)阻力，阻礙污泥的循環(huán)。此外，懸浮顆粒豐富的濃縮污泥還會(huì)增加膜過(guò)濾的阻力。因此，在高混合液懸浮固體濃度下，需要增強(qiáng)曝氣強(qiáng)度以促進(jìn)液體流動(dòng)。

圖7. (a) 混合液懸浮固體濃度對(duì)剪切應(yīng)力的影響；(b) 應(yīng)變率；?對(duì)稱面上從左到右第四個(gè)膜的右側(cè)表面的壁剪切應(yīng)力分布

3.2.2.  曝氣強(qiáng)度的優(yōu)化（ Ia ）

   圖8展示了曝氣強(qiáng)度對(duì)流體力學(xué)的影響。結(jié)果表明，增加曝氣強(qiáng)度對(duì)流動(dòng)方向幾乎沒(méi)有影響，但顯著增加了剪切應(yīng)力（圖8a）和流速（圖8c）。此外，曝氣強(qiáng)度還影響每個(gè)膜模塊上的平均剪切應(yīng)力，如圖8b所示。當(dāng)曝氣速率為1 m/s時(shí)，所有膜表面的剪切應(yīng)力保持在大約0.3 Pa左右。然而，這種均勻曝氣效果會(huì)導(dǎo)致不利的膜污染控制。相反，當(dāng)曝氣速率大于3 m/s時(shí)，剪切應(yīng)力與曝氣速率呈線性增加。值得注意的是，邊緣區(qū)域由于剪切應(yīng)力較低，可能會(huì)遭受較高的膜污染率（圖8b）。。

圖8. (a) 曝氣強(qiáng)度對(duì)剪切應(yīng)力的影響；(b) 不同曝氣強(qiáng)度下每個(gè)膜模塊的平均剪切應(yīng)力；? 對(duì)稱面上的液體速度輪廓

3.2.3. 氣泡直徑的優(yōu)化（ D_f ）

   在平板膜模塊中，液體流動(dòng)可以分為氣泡流動(dòng)和柱狀流動(dòng)兩種形式。通常情況下，較大氣泡產(chǎn)生的柱狀流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致較大的剪切應(yīng)力。然而，圖9a說(shuō)明1 mm的氣泡可以產(chǎn)生更大的剪切應(yīng)力，可能是因?yàn)樗軌虍a(chǎn)生柱狀流動(dòng)和更大的湍流。當(dāng)氣泡直徑為1毫米且整體液體速度相對(duì)較大時(shí)，雖然膜表面的剪切應(yīng)力增加（圖9b），但膜表面邊緣的液體速度不夠高，可能會(huì)加速邊緣處的膜污染。此外，液位下方的兩個(gè)渦旋被兩個(gè)液體強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)的區(qū)域所取代（圖9b）。當(dāng)氣泡直徑增加到7毫米時(shí)，膜表面的剪切應(yīng)力顯著降低。這可能是由于膜之間的空隙較窄，無(wú)法容納大直徑氣泡的通過(guò)，導(dǎo)致這些氣泡的液體速度降低，進(jìn)而使液體速度大幅下降（圖9a和9e）。因此，增加膜之間的距離以確保大直徑氣泡的順利通過(guò)是非常重要的。在本研究條件下，最佳的氣泡直徑為5 mm，可以在保持相對(duì)均勻分布的同時(shí)，提供足夠的膜表面剪切應(yīng)力。這凸顯了在膜模塊設(shè)計(jì)中考慮氣泡直徑和液體速度以減少污染和提高效率的重要性。

圖9. (a) 氣泡直徑對(duì)剪切應(yīng)力的影響；對(duì)稱面上的液體速度輪廓圖 (b. Df = 1 mm; c. Df = 3 mm; d. Df = 5 mm; e. Df = 7 mm)。

3.2. 4.   側(cè)向擋板長(zhǎng)度 （L_s ）

   盡管有許多研究報(bào)告表明，在膜周?chē)惭b擋板可以增加膜表面的剪切應(yīng)力，但擋板長(zhǎng)度對(duì)流體力學(xué)的影響尚未知曉。為了填補(bǔ)這一知識(shí)空白，我們?cè)诓桓淖兎磻?yīng)器的原始設(shè)計(jì)的情況下，延伸了反應(yīng)器兩側(cè)的擋板，并增加了曝氣管與槽底之間的距離，以研究剪切應(yīng)力的分布（如圖10a所示）。圖10b的結(jié)果顯示，逐漸延長(zhǎng)擋板的長(zhǎng)度使膜表面上的流速分布更加均勻。一旦擋板長(zhǎng)度達(dá)到7 cm，擋板底部降低到低于曝氣管的位置。在這種情況下，邊緣處的膜可以與中間位置的膜一樣受到相同的水流沖刷。因此，與原始設(shè)計(jì)相比，每個(gè)膜上的剪切應(yīng)力的均勻性得到了顯著改善（如圖10c所示）。

圖10. (a) MBR的改善效果；(b) 曝氣強(qiáng)度為7 m/s時(shí)曝氣管上方液體速度的等值線分布；? 曝氣強(qiáng)度為7 m/s時(shí)10個(gè)膜表面的平均剪切應(yīng)力。

3.3  原位曝氣的效果

   原位曝氣膜表面在膜生物反應(yīng)器領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。原位曝氣可以在每個(gè)膜表面均勻生成氣泡，比傳統(tǒng)曝氣方法更有效地沖洗膜表面。為了進(jìn)一步研究其對(duì)膜生物反應(yīng)器水動(dòng)力學(xué)的影響，我們分析了不同曝氣模式下的流速分布和湍流動(dòng)能。研究結(jié)果顯示，原位曝氣顯著增加了膜表面邊緣附近的液體速度，并在膜之間產(chǎn)生了均勻的速度分布（圖11b）。根據(jù)以前的報(bào)道，原位曝氣的氣泡直徑可達(dá)到納米級(jí)別。由于具有極大的表面積，原位曝氣的氣泡對(duì)膜表面提供了高效的剪切應(yīng)力。通過(guò)結(jié)合外部曝氣和原位曝氣，可以優(yōu)化膜表面上的剪切應(yīng)力，并實(shí)現(xiàn)相對(duì)均勻的分布。此外，它還導(dǎo)致了更加均勻和更高的液體流速（圖11c），并使湍流動(dòng)能增加了多達(dá)200倍（圖8d）。

圖11. 對(duì)稱面上的速度分布和湍流動(dòng)能（a和d. 無(wú)原位曝氣; b和e. 對(duì)所有膜應(yīng)用原位曝氣; c和f.對(duì)一半膜應(yīng)用原位曝氣）；相同膜表面上的剪切應(yīng)力等值線（g. 無(wú)原位曝氣; h. 對(duì)一半膜應(yīng)用原位曝氣）；氣體速度流線（i. 無(wú)原位曝氣; j. 使用原位曝氣）

  為了比較沒(méi)有原位曝氣時(shí)膜表面的剪切應(yīng)力，原位曝氣過(guò)程中，膜表面成為氣體的進(jìn)口，使得在CFD模型中很難被水流沖刷。在這種情況下，原位曝氣可以將膜表面的剪切應(yīng)力提高3倍以上，顯著提高了膜表面的污染物去除效果，如圖11g和11h所示。氣體速度流線也顯示出明顯的差異，傳統(tǒng)曝氣方法產(chǎn)生的流線更靠近中心，幾乎沒(méi)有通過(guò)膜表面的邊緣（圖11i）。引入原位曝氣后，所有膜表面呈現(xiàn)出均勻的氣泡流線，降低了局部膜污染的可能性（圖11j）。這些結(jié)果得到了現(xiàn)有文獻(xiàn)的支持，驗(yàn)證了原位曝氣的優(yōu)越性。

   關(guān)于各個(gè)相態(tài)的影響考慮方面，我們探討了濃度對(duì)剪切應(yīng)力的影響，該剪切應(yīng)力影響液相和固相的分布。此外，我們還發(fā)現(xiàn)了一種新穎的原位曝氣方法，與傳統(tǒng)曝氣方式相比，可將湍流動(dòng)能增加200倍，從而實(shí)現(xiàn)更均勻的氣泡流線，并在膜生物反應(yīng)器中具有優(yōu)越的防污潛力。總體而言，本研究提出的CFD模型、優(yōu)化技術(shù)和新穎的原位曝氣方法為膜生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了綜合方法，充分考慮了液相和固相，以減輕膜污染現(xiàn)象。

來(lái)源：膜法清水課題組   林紅軍教授、申利國(guó)教授和葉群峰副教授為主要作者。