气升循环分体式MBR 的CFD 模拟及优化

气升循环分体式MBR 的CFD 模拟及优化第３３卷第４期膜科学与技术Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．４２０１３年８月ＭＥＭＢＲＡＮＥＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＡｕｇ．２０１３气升循环分体式ＭＢＲ的ＣＦＤ模拟及优化张晴，樊耀波＊，魏源送，郁达伟，徐荣乐（中国科学院生态环境研究中心，北京１０００８５）摘要：基于计算流体力学（ＣＦＤ）方法，对气升循环分体式膜生物反应器（ＡＬＥＣＭＢＲ）的关键结构参数与水力学参数的相关关系进行了模拟、优化和敏感性分析．研究结果表明，增加气液混合高度和曝气元件数量可提高混合液的混合程度及膜面流速、剪切力分布的均匀性，有利于膜污染控制；曝气器位置升高会使ＭＢＲ流场分布的均匀性下降；混合液黏度的增加会降低混合液循环流速，但使膜组件中气液混合流的均匀度提高．在ＭＢＲ膜组件中存在着混合液流速和剪切力分布中部区域高外部区域低的不均匀性，这种不均匀性是导致膜有效利用面积降低和水处理成本升高的重要流体力学因素．关键词：计算流体力学；气升循环分体式膜生物反应器；构型优化；敏感性分析；膜污染控制中图分类号：Ｘ７０３．１文献标志码：Ａ文章编号：１００７－８９２４（２０１３）０４－０１０７－１３膜生物反应器（ｍｅｍｂｒａｎｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ，ＭＢＲ）因污水处理效果好、占地面积少等优点在水污染控制与水回用领域得到广泛应用［１，２］，但膜污染和运行能耗高仍是制约其发展的关键因素［３］，因此，开发高效低耗ＭＢＲ技术至关重要且需要长期开展工作．目前ＭＢＲ设计和优化主要基于膜过滤性能、生物动力学和水力学三个方面，其中前两者的研究较成熟，后者还主要根据经验或半经验关系式进行研究［４］．而水力学条件对ＭＢＲ膜过滤性能、生物动力学过程、系统的稳定运行及节能有着直接的影响［５］，因此深入开展ＭＢＲ水力学条件优化研究具有重要实际意义．计算流体力学（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙ－ｎａｍｉｃ，ＣＦＤ）是基于流体力学基本控制方程“纳维－斯托克斯方程（Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓｅｑｕａｔｉｏｎ，Ｎ－Ｓ方程）”［６］，是计算技术与数值计算技术的结合体，是将流体试验用数值模拟方法求解的过程［７］．ＣＦＤ方法具有可准确模拟较复杂或较理想的过程、可拓宽试验研究范围和减少试验工作量、结果定量化、精确度高和成本低等优点，近年来在ＭＢＲ水力学条件优化研究中备受关注［８，９］．目前，国内外基