膜曝气生物膜反应器内流场的CFD模拟及组件优化_吴云

2015年1月 CIESC Journal ·402·January 2015第66卷 第1期 化 工 学 报 V ol.66 No.1膜曝气生物膜反应器内流场的CFD 模拟及组件优化吴云1,2，张楠2，张宏伟1,2，贾辉1,2（1天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程教育部重点实验室，天津 300387；2天津工业大学环境与化学工程学院，天津 300387）摘要：基于数值模拟的方法研究了不同填充方式、填充密度、循环流量下膜曝气生物膜反应器（MABR ）内流场特性。

研究结果表明，随机填充时，反应器内存在偏流沟流现象，且进口处动能损失大；规则填充时，截面流速稳定区域较长，更适于MABR 生物膜的生长。

填充密度对MABR 壳程速度场的影响显著，并且存在一最佳值；当填充密度为30%时，反应器整体速度场比较均匀稳定。

实验采用三维电磁测速仪对实体模型进行流场测量，得到反应器内流场速度与模拟值接近，误差小于10%；当循环流量为7.62 L ·min −1时，反应器截面平均流速可以维持在0.026 m ·s −1，并且进口最大流速低于0.20 m ·s −1，不会导致生物膜的脱落，该稳定的流场分布符合MABR 内部的速度场分布需求。

关键词：MABR ；生物膜；数值模拟；流场特性；优化 DOI ：10.11949/j.issn.0438-1157.20140975中图分类号：X 52 文献标志码：A文章编号：0438—1157（2015）01—0402—08CFD simulation of internal hydrodynamic characteristics and optimization ofmembrane module in membrane aerated biofilm reactorWU Yun 1,2, ZHANG Nan 2, ZHANG Hongwei 1,2, JIA Hui 1,2（1State Key Laboratory of Hollow Fiber Membrane Materials and Processes, Tianjin Polytechnic University , Tianjin 300387, China ;2School of Environmental and Chemical Engineering , Tianjin Polytechnic University , Tianjin 300387, China )Abstract: Based on numerical simulation, the internal hydrodynamic characteristics of membrane aerated biofilm reactor (MABR), was investigated at different filling modes, packing densities, and circulation flow rates. With random packing, bias flow and channeling were present, causing great loss of kinetic energy at the entrance of the reactor. However, with even packing, the stability region of cross-section velocity was longer, which was more suitable for the growth of biofilm in MABR. The effect of packing density on the shell flow field of MABR was fairly remarkable, and there was an optimal value. With packing density of 30%, flow field was stable. Three-dimensional electromagnetic tachymeter was used to measure the flow field of the physical model, and the measured velocity was close to the simulated value, with error less than 10%. With circulation flow rate of 7.62L ·min −1, cross-section velocity of the reactor could be kept at 0.026 m ·s −1, meanwhile maximum inlet velocity of the reactor was less than 0.20 m ·s −1, which would not cause fall-off of biofilm. Stable flow field distribution accorded with the requirements of internal flow field of MABR.Key words: MABR; biofilm; numerical simulation; flow field characteristics; optimization2014-06-27收到初稿，2014-09-10收到修改稿。

联系人及第一作者：吴云（1980—），男，博士，副教授。

基金项目：国家自然科学基金项目（51108316，51378349）。

Received date : 2014-06-27Corresponding author : WU Yun, wucloud@Foundation item : supported by the National Natural Science Foundation of China(51108316,51378349).第1期吴云等：膜曝气生物膜反应器内流场的CFD模拟及组件优化·403·引言膜曝气生物膜反应器（MABR）是一种生物膜法污水处理新工艺[1-2]，透气膜材料本身同时起到供氧和生物膜载体的作用。

由于曝气膜上生长的生物膜具有传质异向性，使单一反应器内好氧和厌氧环境共存，可以高效地同时进行硝化反硝化和COD 的去除，达到同步除碳脱氮的目的，该工艺具有氧利用率高、挥发性污染物气提损失小、运行管理方便等特点[3-4]。

在MABR运行过程中，微生物含量高，曝气速率快，为其获得较高的容积负荷率提供了有力保证，但MABR内生物膜密度较高、水流阻力较大、膜纤维易黏结、生物膜过厚等往往成为限制MABR处理能力进一步提高的瓶颈因素[5-6]。

因此，如何高效利用中空纤维曝气膜组件的膜面积，提高反应器生物膜的传质效率，有效控制生物膜厚度等都要求对膜组件内流场分布情况进行深入研究。

鉴于MABR与膜接触反应器构型有一定的相似度，其传质设计可参考膜接触反应器中使用的膜纤维随机分布模型和Lévèque方程[7]进行传质计算。

对于MABR系统，反应器内流态主要影响底物在MABR“生物膜-溶液”界面形成的扩散边界层的传质，及生物膜的厚度和附着强度，较高的水流速度会导致生物膜松散和脱落，出水水质恶化，过快的流速容易冲脱膜纤维表面上附着生长的生物膜，对MABR系统带来破坏性的影响[8-9]。

Li等[10]在MABR处理模拟采油废水的实验中发现，随着循环流速的增加石油降解的速度加快，水体的扰动加剧，生物膜表面的层流层变薄，强化了生物膜的传质过程。

Qiang等[11]的研究表明，水流流速的提高强化了促进传递膜曝气生物膜反应器(FT-MABR)的抗冲击负荷能力以及对氧气的利用率；且在高水流流速下，反应器具有优先去除氨氮的能力，脱氮过程倾向于以亚硝酸盐为中间产物的短程反硝化过程。

填充密度也是影响壳程传质主要因素之一[7]。

Ding等[12]对膜蒸馏中空纤维膜组件（填充率50%）进行模拟计算，指出随着局部封装分率的提高，沟流效应减弱，壳程流体分布趋于均匀，有利于传质。

张晓光等[13]利用MATLAB软件对中空纤维透析器模拟得出，随着填充密度(10%～50%) 的增大，透析器的管外传质系数先变大，后变小。

上述研究表明，合理优化反应器内水力学条件对改善MABR传质过程具有重要作用。

利用计算流体力学（CFD）的方法对反应器内流场进行模拟具有较高的准确性[14]，可以直观反映反应器内流体流态特征，还能定量描述膜表面流速、剪切力等参数。

因此，本文使用CFD技术对MABR内流场流态进行数值模拟研究，分析反应器流场特性对MABR生物膜的影响，为优化MABR膜组件设计，强化传质过程提供有效参数。

1 研究对象与方法1.1研究对象实验装置如图1所示，采用蠕动泵进水，溢流出水。

主体反应器用有机玻璃制作（内径45 mm，高300 mm），有效容积为2.0 L。

反应器设有循环水进口和出口，循环水经隔膜泵循环到反应器进水口，由循环水泵控制反应器内水流的循环流量。

同时反应器上部进气，采取贯通式，底端排气，通过出口调节阀控制水中溶解氧的浓度。

实验采用三维电磁流体测速仪（ACM3-RS，日本）测试距离反应器底部不同高度处截面水流流速情况。

本实验采用疏水性聚偏氟乙烯中空纤维微孔膜作为生物膜载体，每根纤维有效长度300 mm，内径0.8 mm，外径1.1 mm，平均孔径0.16 μm。

实验使用CCD相机(MLM3XMP, OPT, 中国)测定稳定运行的MABR膜纤维的生物膜厚度在1.65 mm左右，如图2所示。

1.2计算模型的建立对等体积实验反应器进行模拟，图3为模拟组图1 膜曝气生物膜反应器工艺流程Fig.1 Experimental diagram of membrane aeratedbiofilm reactor化 工 学 报 第66卷·404·图2 膜纤维横纵截面CCD 相片Fig.2 CCD photo of membrane fiber in cross-section andvertical-section图3 物理模型简化图及反应器壳程膜组件实物图 Fig.3 Simplified diagram of physics model and membranemodule photo in reactor件简化模型。