用CFD方法模擬膜生物反應(yīng)器內(nèi)部流場及布?xì)鈨?yōu)化

摘要：采用Eulerian多相流模型對膜生物反應(yīng)器進(jìn)行氣液兩相流數(shù)值模擬，對“對齊”和“對齊導(dǎo)流”兩種反應(yīng)器構(gòu)型內(nèi)部流場氣含率、速度場和膜面液體流速進(jìn)行了分析比較，并就布?xì)夥绞竭M(jìn)行了分析和優(yōu)化，同時(shí)借助縮小實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯δM結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：兩種反應(yīng)器構(gòu)型流場內(nèi)的氣泡呈現(xiàn)出匯集于膜組件中心位置，然后在膜組件頂端散開的流動狀態(tài)；導(dǎo)流作用對反應(yīng)器內(nèi)氣含率分布的影響不大，但對速度場分布特性影響顯著；體積縮小100倍的對齊導(dǎo)流模擬裝置中的氣液流動狀態(tài)與CFD模擬結(jié)果基本一致；通過對布?xì)夥绞降膬?yōu)化模擬發(fā)現(xiàn)，不均勻布?xì)夥绞娇梢愿纳茪怏w分布狀況，提高反應(yīng)器內(nèi)氣含率和流場的湍流強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：CFD；膜生物反應(yīng)器；流場模擬；曝氣；優(yōu)化

中圖分類號：X 703.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：16744764（2014）02011907

Abstract：The simulation of Eulerian multiphase flow model with twophase （air water） in membrane bioreactor were aimed at obtaining and comparing gas holdup distribution， velocity field and membrane surface rate among the two reactor internal configuration of “alignment” and “alignment” diversion. Furthermore， the gas distribution mode was analyzed as well as optimized. The minimodel experiment was conducted to validate the simulation result. It is shown that： the bubbles track of internal field tended to flow to the membrane assembly center position， and then dispersed on the top of membrane modules in the two reactor configurations； the influence of diversion on gas holdup distribution was in apparent while notable on the velocity field distribution. The simulation results of an experimental model shrunk 100 times was proved to be consistent with the experimental results. Through an optimization simulation of gas distribution mode， the nonuniform gas distribution mode was proved that it can improve the range of gas distribution and the turbulence intensity.

Key words：CFD；membrane bioreactor；flow field simulation；aeration；optimization

為了減緩膜面污染及維持高濃度的污泥生化降解能力，膜生物反應(yīng)器（Membrane Bioreactor/MBR）運(yùn)行過程中需要高強(qiáng)度的曝氣作用。因此與其它污水處理工藝相比，MBR運(yùn)行中需要很高的能耗，其中膜擦洗曝氣、生化工藝曝氣能耗占系統(tǒng)運(yùn)行能耗的76%[1]。因此了解各種布?xì)夥绞较翸BR內(nèi)部流場特性，對于合理設(shè)計(jì)MBR構(gòu)型及布?xì)夥绞揭赃_(dá)到節(jié)能降耗的目的至關(guān)重要。由于反應(yīng)器內(nèi)部流場復(fù)雜多變，因此僅通過實(shí)驗(yàn)手段獲得整體流場分布特性受到一定的局限性。近年來，隨著計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics/CFD）技術(shù)及其軟件的迅速發(fā)展，已在反應(yīng)器設(shè)計(jì)、優(yōu)化中得到了廣泛的應(yīng)用[24]，它的優(yōu)勢在于應(yīng)用數(shù)值軟件求解描述過程，可以實(shí)現(xiàn)過程設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及放大。如今已成為解決工程問題的一種新的手段[58]。

MBR內(nèi)部流場數(shù)值模擬屬于氣液兩相流范疇[912]，氣液兩相流是常見的一種物質(zhì)流動，廣泛應(yīng)用于工程和環(huán)境領(lǐng)域中[1012]。在MBR運(yùn)行過程中，曝氣是重要的環(huán)節(jié)，曝氣的作用一方面是向反應(yīng)器內(nèi)充空氣，以保證好氧微生物所需的溶解氧；另一方面是吹掃膜組件，氣泡對膜面的沖刷剪切以減緩膜污染[1315]。對于MBR構(gòu)型及布?xì)夥绞降膬?yōu)化，由于工程實(shí)際裝置的復(fù)雜性及實(shí)驗(yàn)條件的局限性，有些問題在實(shí)驗(yàn)室難以完成。而計(jì)算流體力學(xué)模擬可以實(shí)現(xiàn)及預(yù)見工程放大可能出現(xiàn)的一些問題。Kroll等[16]運(yùn)用CFD對應(yīng)用最廣泛的MBR反應(yīng)池構(gòu)型進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，對其進(jìn)行布?xì)夥绞絻?yōu)化，考察了特定曝氣強(qiáng)度和布?xì)夥绞綄BR運(yùn)行特性的影響。

在上述研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用CFD數(shù)值模擬方法對曝氣引發(fā)的MBR內(nèi)流場的狀態(tài)進(jìn)行了分析，同時(shí)比較了曝氣管正對齊膜組件下方（簡稱“對齊”布?xì)猓┘啊皩R”布?xì)鈺r(shí)在膜單元兩側(cè)加上曝氣導(dǎo)流板（簡稱“對齊”導(dǎo)流布?xì)猓?gòu)型的改進(jìn)給MBR內(nèi)部流場帶來的改變，由此提出了布?xì)夥绞降膬?yōu)化方案，以便為大型MBR工程設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

1研究對象與方法

1.1MBR兩種布?xì)鈽?gòu)型的CFD模型

研究以MBR中反應(yīng)器內(nèi)的流體為分析對象，以天津膜天膜科技股份有限公司的FPAⅡ15型簾式膜組件為基礎(chǔ)模型。反應(yīng)器及膜組件結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：反應(yīng)器尺寸為1 720 mm×1 050 mm×3 000 mm，膜組件尺寸為534 mm×450 mm×1 523 mm，單個組件膜面積20 m2，組件間距80 mm，膜組件距反應(yīng)池邊距300 mm，底部采用穿孔管曝氣，曝氣孔4 mm，每個膜組件下均勻排布十個曝氣孔，氣孔間距40 mm，排間距120 mm。圖1為兩種布?xì)夥绞较碌娜S反應(yīng)器簡化模型。對“對齊導(dǎo)流”布?xì)馊鐖D1（a）及“對齊”布?xì)馊鐖D1（b）進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析其內(nèi)部流場特性。為模擬求解方便，假設(shè)反應(yīng)器內(nèi)均勻。由于本研究的重點(diǎn)是曝氣引發(fā)的反應(yīng)器內(nèi)流場狀態(tài)，且膜組件過濾引發(fā)的液體流動速度遠(yuǎn)小于曝氣引發(fā)的氣、液混合流動速度，因此將膜簡化為不透水的無滑移壁面，模擬中不考慮膜過濾。

1.2反應(yīng)器的網(wǎng)格劃分及邊界條件的確定

借助Gambit 2.3.16劃分反應(yīng)器網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格決定著模型的準(zhǔn)確度。生成網(wǎng)格不但要考慮其細(xì)密程度來提高模擬過程的準(zhǔn)確程度，又要避免由于網(wǎng)格過于復(fù)雜帶來的計(jì)算復(fù)雜性。該研究采用四面體網(wǎng)格，分別畫了網(wǎng)格數(shù)為140萬和180萬2種，模擬結(jié)果相同，證明了網(wǎng)格的無關(guān)性，網(wǎng)格整體與局部圖如圖2。反應(yīng)器模擬活性污泥混合液，其混合液粘度及密度均為實(shí)測值，分別為0.007 03 kg·m-1·s-1和1 010 kg·m-3。從流體實(shí)際流動情況出發(fā)，采用非定常流動模式，簡單且計(jì)算精度較高的標(biāo)準(zhǔn)kε兩方程湍流模型（該模型在一定程度上考慮了流動場中各點(diǎn)的湍動能傳遞和流動的歷史作用）。求解器選用求解不可壓流場且需要內(nèi)存較小的壓力速度耦和SIMPLE算法，穩(wěn)態(tài)3D分離顯式解算器，對流項(xiàng)選取一階迎風(fēng)離散格式。設(shè)計(jì)液面高度為2 600 mm，曝氣孔進(jìn)氣速度為0.995 2 m·s-1。設(shè)置入口邊界條件為速度入口邊界條件，出口邊界條件為壓力出口邊界條件，過濾器壁面及膜組件壁面為無滑移壁面邊界條件，反應(yīng)器為流場邊界條件。

2模擬分析

模擬過程中將污泥的固相和水的液相視作“假想的均一混合相”，則可將三相流問題簡化為“氣液兩相流”問題。通過對反應(yīng)器不同布?xì)夥绞降哪M，結(jié)果得到反應(yīng)器內(nèi)多個截面的氣液兩相速度場及速度流線等信息，以此來了解反應(yīng)器內(nèi)水力情況。通過實(shí)驗(yàn)室縮小模型與模擬結(jié)果的對比，驗(yàn)證模擬結(jié)果，并對改進(jìn)的布?xì)夥绞竭M(jìn)行了模擬計(jì)算。

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1對齊曝氣時(shí)反應(yīng)器內(nèi)流場特性

3.1.1反應(yīng)器內(nèi)氣含率分布圖3為模型的簡化示意圖，實(shí)驗(yàn)選取了X=0，Y=0，Z=0幾個截面從橫向和縱向分板反應(yīng)器內(nèi)流場的變化。圖4和5為反應(yīng)器不同截面及軸向上的氣含率分布情況，從圖4可以看出反應(yīng)器曝氣板底部的氣含率很低，從曝氣板到膜組件底部位置氣含率開始顯著增加。在曝氣器上方的位置氣體沿膜組件中間位置比較集中的上升，然后在膜組件頂端散開，這一模擬結(jié)果與Nicolas模擬結(jié)果一致。氣體在流場中的這種分布可能是由于從曝氣孔出來的小氣泡形態(tài)比較穩(wěn)定，對周圍氣泡的形態(tài)及速度變化沒有明顯的影響，組件之間的阻擋作用使大量的小氣泡在膜組件中心位置比較集中的緩慢上升，隨著氣泡的逐漸上升，到達(dá)組件頂部后，氣體沒有組件的阻擋作用，氣泡尺寸越來越大，較大的氣泡容易變形破裂或與周圍小氣泡融合，最終大量大氣泡在膜組件頂部破裂散開，從膜組件頂端散開的氣體在水流的作用下沿著壁面被帶到反應(yīng)器下部，在反應(yīng)器內(nèi)部形成循環(huán)流動。從圖5也可以看出，氣體主要集中在反應(yīng)器中心位置，反應(yīng)器底部和反應(yīng)器兩側(cè)氣含率較低。

3.1.2反應(yīng)器內(nèi)液速分布

為進(jìn)一步分析流體在膜面的流動特性，研究考察了曝氣槽中平行膜面以及垂直膜面幾個典型截面上流體的速度等值線及矢量場分布情況。圖6為各截面液體速度云圖，圖7為各截面速度矢量圖。速度云圖及流線圖中的顏色深淺代表速度絕對值的大小，箭頭指向代表流體的運(yùn)動方向。從圖6中可以看出，膜單元中間，及膜單元頂部存在大量的高流速區(qū)域，而反應(yīng)器內(nèi)底部、靠近反應(yīng)器壁面及膜單元外圍的膜組件存在一定范圍的水力死區(qū)。曝氣帶動的混合液流動呈現(xiàn)出了不均勻的狀態(tài)，這會致使膜面污染的不均勻性，外側(cè)膜組件受到曝氣清洗的作用較弱，導(dǎo)致污染較嚴(yán)重。

分析圖7可知，流體在反應(yīng)器內(nèi)呈現(xiàn)為循環(huán)運(yùn)動，漩渦的形成有利于氣液兩相的充分混合。氣泡的軌跡傾向于流向膜組件中心位置，然后在膜組件頂端散開。從平行膜面截面速度矢量圖7（a）可以看出，氣泡帶動液體在膜組件之間形成的一束高流速流體比較集中的向上流動，到達(dá)組件上部時(shí)由于大氣泡的相互作用形成大量的渦旋，大量渦旋的擾動使流體在組件之間形成內(nèi)循環(huán)流動，這有利于提高膜面的沖刷作用。但膜組件下部兩側(cè)存在一定范圍的低流速區(qū)域，這些區(qū)域渦旋不明顯，流體擾動不強(qiáng)烈，流體對膜面的沖刷作用較弱。

結(jié)合圖6和7可以看出，流體在反應(yīng)器內(nèi)的流動呈現(xiàn)一定的不均勻性，組件中間的升流區(qū)流速較大而兩側(cè)的流速較小，這使得膜污染的分布也呈現(xiàn)一種不均勻性。同時(shí)流體在膜單元中間位置形成流速較大的升流區(qū)，到達(dá)膜組件頂部擴(kuò)散，流體往反應(yīng)器兩側(cè)向下流動，再與膜單元外圍膜組件間隔區(qū)域形成循環(huán)流動。

3.2導(dǎo)流作用對反應(yīng)器內(nèi)部流場的影響

3.2.1導(dǎo)流板對氣含率分布的影響

圖8、圖9為導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器不同截面及軸向上的氣含率分布情況。對比圖4和8可以看出導(dǎo)流板的增加，使氣體分布有所改變，但變化不大。分析圖9數(shù)據(jù)也可以看出，反應(yīng)器軸向上氣含率分布基本一致，導(dǎo)流布?xì)鈺r(shí)氣含率略高，但總的來說導(dǎo)流作用對反應(yīng)器內(nèi)氣含率分布的影響不是很大。

3.2.2導(dǎo)流板對流場液速分布的影響

從圖10可以看出，在導(dǎo)流板的作用下，反應(yīng)器內(nèi)速度場分布趨于均勻，高流速區(qū)域明顯增加，底部流體流速有所提升，沒有出現(xiàn)大范圍的低流速區(qū)。對比圖6和10的反應(yīng)器內(nèi)流速分布可以看出，導(dǎo)流板在一定程度上提升了膜單元外側(cè)組件周圍的混合液流速，能夠使外側(cè)的組件受到更為均勻的水力沖刷作用，對保障膜單元中各組件的污染均勻性具有一定作用。

由圖11可知，加導(dǎo)流板之后，流體在反應(yīng)器內(nèi)仍為循環(huán)運(yùn)動，與“對齊”布?xì)獠煌氖?，?dǎo)流板的設(shè)置使流場內(nèi)的循環(huán)流動明顯增強(qiáng)。流場內(nèi)液相質(zhì)點(diǎn)形成的旋渦非常明顯，導(dǎo)流板的設(shè)置增強(qiáng)了反應(yīng)器內(nèi)流體的循環(huán)流動，形成了非常明顯的升流區(qū)和降流區(qū)，這有利于流體濃度及速度的分布均勻。通過圖12中這兩種反應(yīng)器構(gòu)型不同截面及膜表面平均速度的對比也可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流結(jié)構(gòu)能提高反應(yīng)器內(nèi)部的液體流速，改變流場分布情況，使得膜表面的流體速度顯著增加，且分布更均勻，有利于更均勻的對膜組件沖刷與水力清洗。

3.3布?xì)夥绞浇Y(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬

通過對“對齊”與“對齊導(dǎo)流”這兩種反應(yīng)器構(gòu)型的模擬發(fā)現(xiàn)，均勻排布?xì)饪讜r(shí)，膜單元流場中氣泡軌跡流向膜單元中心位置，然后在膜單元頂端散開。集中上升的氣泡不利于氧的傳質(zhì)和膜組件的清洗。為了改善反應(yīng)器內(nèi)部的氣含率分布情況，研究對曝氣孔的排布進(jìn)行了改進(jìn)。對布?xì)饪孜恢眠M(jìn)行了調(diào)整，將10個曝氣孔分成2組，2組5個曝氣孔均勻排布，2組之間間距100 mm。為了求解方便，實(shí)驗(yàn)對單個膜組件的小型反應(yīng)器進(jìn)行了模擬，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D13。其網(wǎng)格劃分、計(jì)算模型選擇與全尺寸模型模擬相同。

改進(jìn)曝氣形式的內(nèi)部流場氣含率分布如圖14。對比圖4可以看出，這一布?xì)夥绞绞狗磻?yīng)器內(nèi)形成2束氣流，這2束氣流在膜組件上部匯合并散開。不均勻布?xì)夥绞礁纳屏藲怏w分布狀況，使氣體分布更均勻，提高了反應(yīng)器內(nèi)氣含率。

從圖15、16中對比“對齊”均勻布?xì)夂透倪M(jìn)布?xì)鈨煞N布?xì)夥绞浇っ嫣幍牧黧w速度及速度矢量分布可知：均勻布?xì)鈺r(shí)，流場內(nèi)高流速區(qū)域集中在膜組件中心位置與膜組件上部，膜組件兩側(cè)、反應(yīng)器壁面及底部有大范圍的低流速區(qū)域；不均勻布?xì)鈺r(shí)，流場內(nèi)速度分布均勻，反應(yīng)器內(nèi)膜組件及壁面附近均有較大的流速。反應(yīng)器底部也有較大的流速。通過對圖16中各特征區(qū)域局部放大的流線軌跡（如圖17所示）進(jìn)行分析，可以對上述2種速度分布做出解釋。分析圖17（a）、17（c）發(fā)現(xiàn)：均勻布?xì)鈺r(shí)組件上端有較大的流速，循環(huán)流動不明顯，這是由于均勻曝氣時(shí)小氣泡集中上升，流體速度主要集中在這一區(qū)域；不均勻布?xì)鈺r(shí)，氣體分成兩束上升，分布較廣，組件上部區(qū)域的速度要小于均勻布?xì)夥绞?，但循環(huán)流非常明顯。通過對比圖17（b）、17（d）可以發(fā)現(xiàn)：均勻布?xì)鈺r(shí)，流體速度主要集中在膜組件中心及組件上部，沒有在反應(yīng)器兩側(cè)形成循環(huán)流動，使得反應(yīng)器底部也幾乎沒有循環(huán)流動，流體在這一區(qū)域速度較低；不均勻布?xì)鈺r(shí)，在2束氣流的作用下，液體在膜組件兩側(cè)形成了2個方向相反的渦流。渦流提高了反應(yīng)器內(nèi)流場的湍流強(qiáng)度，使得反應(yīng)器壁面附近流體速度變大，如圖15（b）所示。由于漩渦將流體帶至反應(yīng)器底部，使底部壁面附近流體產(chǎn)生了一定的流速，這能夠有效地改善反應(yīng)器底部低流速區(qū)。

3.4實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對比

影響反應(yīng)器內(nèi)部流場的因素很多，譬如：反應(yīng)器構(gòu)型（有無導(dǎo)流板），曝氣孔的排布方式（均勻和非均勻布置曝氣孔），曝氣孔的大小等。而本研究的重點(diǎn)是從宏觀上考察一定曝氣強(qiáng)度下反應(yīng)器不同構(gòu)型及不同布?xì)夥绞綄Ψ磻?yīng)器內(nèi)部流場的影響，并且結(jié)合小型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性。研究對體積縮小100倍的對齊導(dǎo)流模擬裝置進(jìn)行了流動實(shí)驗(yàn)，圖18（a）為對齊導(dǎo)流曝氣小型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模型尺寸?.72 mm×1.05 mm×3.00 mm，曝氣孔直徑為1.50 mm，實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)的獲得均通過佛洛德數(shù)相似性準(zhǔn)則計(jì)算得到。為了便于觀察反應(yīng)器內(nèi)部流場運(yùn)動特性，選取密度與流體相近的壓實(shí)海綿顆粒進(jìn)行示蹤，并通過高清相機(jī)（Canon，LEGRIA HF200）連續(xù)采集反應(yīng)器內(nèi)流體流動狀態(tài)的圖片與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。

從圖18（d）中可看出壓實(shí)海綿示蹤顆粒在反應(yīng)器內(nèi)部做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這與模擬結(jié)果圖11中的的速度矢量圖中液體運(yùn)動方向一致。圖18（b）、（c）中的觀測到從曝氣孔出來的大量小氣泡在組件及導(dǎo)流板的作用下在膜組件中心位置比較集中的緩慢上升。隨著氣泡的逐漸上升，氣泡尺寸越來越大，大氣泡上升速度相對較快并且容易變形破裂或與周圍小氣泡融合，最終大量大氣泡在膜組件頂部破裂散開，從膜組件頂端散開的氣體在水流的作用下沿著壁面被帶到反應(yīng)器下部，在反應(yīng)器內(nèi)部形成循環(huán)流動。從圖18（c）可看出延曝氣孔往上流體紊動程度明顯增大。這可能是由于組件及導(dǎo)流板對氣泡的束縛作用減弱，且較大的氣泡對周圍氣泡的形態(tài)及速度變化產(chǎn)生的影響較大，對于其上方的氣泡有頂托作用，對位于的氣泡其尾渦會加速氣泡的上升，而對位于其側(cè)面稍遠(yuǎn)的氣泡則有抑制作用甚至?xí)蛊鋫?cè)面的氣泡小幅度下降。而組件底端距曝氣口較近的地方，剛從曝氣孔出來的大量小氣泡受組件及導(dǎo)流板的阻滯作用，上升及擴(kuò)散速度相對于大氣泡較慢，形態(tài)比大氣泡穩(wěn)定，但小氣泡對周圍氣泡的形態(tài)及速度變化沒有明顯的影響。氣泡軌跡與模擬結(jié)果相同，由此說明整個模擬過程中參數(shù)、計(jì)算模型及計(jì)算公式的選擇都比較合理，能使模擬結(jié)果和實(shí)際情況很好的吻合。

4結(jié)論

1）通過模擬氣孔均勻排布的布?xì)夥绞桨l(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)部氣泡軌跡傾向于流向膜組件中心位置，然后在膜組件頂端散開，從膜組件頂端散開的氣體在水流的作用下，沿著壁面被帶到反應(yīng)器下部，在整個反應(yīng)器內(nèi)形成循環(huán)。

2）對比“對齊”與“對齊導(dǎo)流”反應(yīng)器內(nèi)流體速度分布場發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流板的導(dǎo)流作用，對流場特性影響顯著，能很好的改善反應(yīng)器內(nèi)部速度分布不均的情況。導(dǎo)流板的設(shè)置增加了流場局部區(qū)域內(nèi)的紊流強(qiáng)度，強(qiáng)化了反應(yīng)器內(nèi)流體的循環(huán)流動，形成了非常明顯的升流區(qū)和降流區(qū)，有利于氣體在反應(yīng)器內(nèi)的擴(kuò)散和流體濃度分布均勻。

3）通過對不均勻布?xì)獾母倪M(jìn)結(jié)構(gòu)的模擬發(fā)現(xiàn)，氣泡軌跡仍為沿著膜組件中心集中，但改進(jìn)結(jié)構(gòu)改善了氣體分布狀況，提高了反應(yīng)器內(nèi)氣含率和流場的湍流強(qiáng)度，液體在膜組件兩側(cè)形成了2個方向相反的渦流，使反應(yīng)器內(nèi)流體速度分布更均勻，能改善膜面的不均勻污染。

4）對體積縮小100倍的對齊導(dǎo)流小型模型裝置進(jìn)行了流動實(shí)驗(yàn)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，即模擬過程中參數(shù)、計(jì)算模型及計(jì)算公式的選擇都比較合理。

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（編輯郭飛）