浸沒式膜生物反應(yīng)器(submergedmembranebioreactor，SMBR)是在內(nèi)環(huán)氣升式生物反應(yīng)器基礎(chǔ)上改進的一種高效的生物處理與膜處理相結(jié)合的反應(yīng)器，具有出水水質(zhì)好?占地少?污泥產(chǎn)量低?易于實現(xiàn)自動控制?操作管理方便等優(yōu)點，但其因膜污染嚴(yán)重?水通量下降快等缺點，嚴(yán)重影響了浸沒式膜生物反應(yīng)器在工程中的推廣與普及[15]。當(dāng)前研究者有通過湍流促進器改善流體的流動形態(tài)[69]，也有利用曝氣[10，11]在膜表面形成氣液兩相流，增加膜面剪切力，達到降低膜污染及濃差極化的目的。
近年來，有許多學(xué)者采用計算流體動力學(xué)(computerfluentdynamic，CFD)和粒子成像測速(particleimagevelocimetry，PIV)技術(shù)來模擬和測試SMBR中單相流?兩相流和多相流的流態(tài)分布，同時給出速度和剪切力等性能指標(biāo)的分布信息。Judd等[12]利用CFD模擬SMBR管式膜中的流場，并結(jié)合實驗，證明了CFD模擬的膜面剪切力和膜通量具有良好的相關(guān)性。李金等[13]利用計算流體動力學(xué)CFD方法對浸沒式超濾膜過濾器內(nèi)的流場進行數(shù)值模擬，通過計算得到過濾器內(nèi)流體速度場，壓力場和紊流強度的分布情況。Yang等[14]利用CFD模擬了浸沒式平板膜生物反應(yīng)器的兩相和三相流，并把計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行了比較。最終結(jié)果表明，錯流速度是減輕膜污染的重要因素。Amini等[15]在市政廢水處理的CFD模擬及實驗中，使用兩相流和三相流分別考察了膜生物反應(yīng)器中的氣泡直徑?污泥濃度?曝氣率?生物相和膜生物反應(yīng)器的流體動力學(xué)和性能，從模擬結(jié)果及實驗數(shù)據(jù)得出，在不同污泥濃度下錯流速度是減少膜污染的必要因素。Gimmelshtein等[16]主要研究在有檔板的情況下，通過PIV測試平板膜通道間速度及混合指數(shù)的變化。結(jié)果表明，檔板會造成流體流動方向的改變。Liu等[17]探討了膜生物反應(yīng)器內(nèi)氣水兩相流的流動特性。利用PIV和高速相機檢測膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)中的氣泡大小和運動以及單相流和兩相流的速度分布情況。Willems等[18]利用PIV和CFD研究了液體和液體/氣體流過有檔板的通道內(nèi)流體速度分布。結(jié)果表明，兩相流狀態(tài)下比單相流的速度變化更不穩(wěn)定，更有利于防止膜污染的濃差極化。Yan等[19]通過CFD和PIV研究了在低曝氣強度下檔板的不同位置和尺寸對氣升式平板膜生物反應(yīng)器流體動力學(xué)性能的影響。
本研究把曝氣與微通道湍流促進器結(jié)合在一起防治浸沒式平板膜生物反應(yīng)器的膜污染和濃差極化。先采用CFD中的歐拉模型對附加微通道湍流促進器的浸沒式平板膜生物反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流進行數(shù)值模擬，并考察浸沒式平板膜生反應(yīng)器內(nèi)流體動力學(xué)性能指標(biāo):速度?剪切力?湍流動能?湍流強度?湍流耗散率及靜壓的變化。接著通過PIV實驗對浸沒式平板膜生物反應(yīng)器膜面流場進行測試。最后結(jié)合CFD模擬結(jié)果與PIV實驗結(jié)果，找出最佳曝氣率以便改善浸沒式平板膜生物反應(yīng)器流體動力學(xué)性能，減少能耗，增加膜面剪切力，有效控制膜污染和濃差極化。
1 CFD數(shù)值模擬
1.1 數(shù)學(xué)模型
由于本實驗是對反應(yīng)器內(nèi)流體特性的研究，因此在建立數(shù)學(xué)模型時將忽略氣體與液體流動過程中的傳熱，只模擬反應(yīng)器內(nèi)的流場特性，假定流體是非穩(wěn)態(tài)的?定常的?不可壓的。所以建立的基本守恒方程為連續(xù)方程和動量守恒方程。
1.1.1 連續(xù)方程(continuityequation)
?式中:ρ是密度，t是時間，u是速度矢量，α為氣含率。
1.1.2 動量守恒方程(momentum conseravationequation)
? 式中:p是靜壓，f是體積力，ν是運動粘度。
1.2 幾何模型及邊界條件的設(shè)定
附加微通道湍流促進器的浸沒式平板膜生物反應(yīng)器可簡化為二維算例。本文采用AutoCAD2008建模，模型如圖1(a)所示。浸沒式平板膜生物反應(yīng)器為600mm×300mm的長方形，中間是膜組件，膜面上每隔64mm交錯放置微通道湍流促進器。為模擬方便將曝氣口簡化為小的圓形。膜片及曝氣孔位置與實際安裝位置相同，即距離反應(yīng)器內(nèi)底分別為180mm和135mm。液體入口(waterinlet)設(shè)為速度進口邊界條件，速度為0.5m/s。氣體入口(airinlet)設(shè)為速度進口邊界條件。反應(yīng)器出口邊界條件設(shè)為outflow。具體參見污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。
1.3 計算模型
根據(jù)浸沒式平板膜生物反應(yīng)器流體的特性，在模擬中選用Euler模型，考察曝氣速率對附加微通道湍流促進器的浸沒式膜生物反應(yīng)器性能的影響。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，利用Meshing對膜生物反應(yīng)器進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)絡(luò)采用的是三角形和四邊形單元，并在局部單元特別是對曝氣孔以及微通道湍流促進器處進行加密處理，如圖1(b)所示。為了保證計算的穩(wěn)定，滿足遷移性要求且盡量避免數(shù)值上的擴展誤差，在計算時離散方式選用二階迎風(fēng)格式。計算方法選用了壓力耦合的SIMPLIC算法。為保證計算數(shù)值的收斂性，殘差采用10-5。
