膜曝氣生物膜反應(yīng)器內(nèi)流場的CFD模擬及組件優(yōu)化

吳云，張楠，張宏偉，賈輝

（1天津工業(yè)大學(xué)中空纖維膜材料與膜過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；2天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300387）

引 言

膜曝氣生物膜反應(yīng)器（MABR）是一種生物膜法污水處理新工藝[1-2]，透氣膜材料本身同時(shí)起到供氧和生物膜載體的作用。由于曝氣膜上生長的生物膜具有傳質(zhì)異向性，使單一反應(yīng)器內(nèi)好氧和厭氧環(huán)境共存，可以高效地同時(shí)進(jìn)行硝化反硝化和 COD的去除，達(dá)到同步除碳脫氮的目的，該工藝具有氧利用率高、揮發(fā)性污染物氣提損失小、運(yùn)行管理方便等特點(diǎn)[3-4]。

在MABR運(yùn)行過程中，微生物含量高，曝氣速率快，為其獲得較高的容積負(fù)荷率提供了有力保證，但MABR內(nèi)生物膜密度較高、水流阻力較大、膜纖維易黏結(jié)、生物膜過厚等往往成為限制MABR處理能力進(jìn)一步提高的瓶頸因素[5-6]。因此，如何高效利用中空纖維曝氣膜組件的膜面積，提高反應(yīng)器生物膜的傳質(zhì)效率，有效控制生物膜厚度等都要求對(duì)膜組件內(nèi)流場分布情況進(jìn)行深入研究。鑒于MABR與膜接觸反應(yīng)器構(gòu)型有一定的相似度，其傳質(zhì)設(shè)計(jì)可參考膜接觸反應(yīng)器中使用的膜纖維隨機(jī)分布模型和Lévèque 方程[7]進(jìn)行傳質(zhì)計(jì)算。

對(duì)于MABR系統(tǒng)，反應(yīng)器內(nèi)流態(tài)主要影響底物在MABR“生物膜-溶液”界面形成的擴(kuò)散邊界層的傳質(zhì)，及生物膜的厚度和附著強(qiáng)度，較高的水流速度會(huì)導(dǎo)致生物膜松散和脫落，出水水質(zhì)惡化，過快的流速容易沖脫膜纖維表面上附著生長的生物膜，對(duì)MABR系統(tǒng)帶來破壞性的影響[8-9]。Li等[10]在 MABR處理模擬采油廢水的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)流速的增加石油降解的速度加快，水體的擾動(dòng)加劇，生物膜表面的層流層變薄，強(qiáng)化了生物膜的傳質(zhì)過程。Qiang等[11]的研究表明，水流流速的提高強(qiáng)化了促進(jìn)傳遞膜曝氣生物膜反應(yīng)器(FT-MABR)的抗沖擊負(fù)荷能力以及對(duì)氧氣的利用率；且在高水流流速下，反應(yīng)器具有優(yōu)先去除氨氮的能力，脫氮過程傾向于以亞硝酸鹽為中間產(chǎn)物的短程反硝化過程。填充密度也是影響殼程傳質(zhì)主要因素之一[7]。Ding等[12]對(duì)膜蒸餾中空纖維膜組件（填充率 50%）進(jìn)行模擬計(jì)算，指出隨著局部封裝分率的提高，溝流效應(yīng)減弱，殼程流體分布趨于均勻，有利于傳質(zhì)。張曉光等[13]利用MATLAB軟件對(duì)中空纖維透析器模擬得出，隨著填充密度(10%～50%)的增大，透析器的管外傳質(zhì)系數(shù)先變大，后變小。

上述研究表明，合理優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)水力學(xué)條件對(duì)改善MABR傳質(zhì)過程具有重要作用。利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流場進(jìn)行模擬具有較高的準(zhǔn)確性[14]，可以直觀反映反應(yīng)器內(nèi)流體流態(tài)特征，還能定量描述膜表面流速、剪切力等參數(shù)。因此，本文使用CFD技術(shù)對(duì)MABR內(nèi)流場流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析反應(yīng)器流場特性對(duì)MABR生物膜的影響，為優(yōu)化MABR膜組件設(shè)計(jì)，強(qiáng)化傳質(zhì)過程提供有效參數(shù)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，采用蠕動(dòng)泵進(jìn)水，溢流出水。主體反應(yīng)器用有機(jī)玻璃制作（內(nèi)徑45 mm，高300 mm），有效容積為2.0 L。反應(yīng)器設(shè)有循環(huán)水進(jìn)口和出口，循環(huán)水經(jīng)隔膜泵循環(huán)到反應(yīng)器進(jìn)水口，由循環(huán)水泵控制反應(yīng)器內(nèi)水流的循環(huán)流量。同時(shí)反應(yīng)器上部進(jìn)氣，采取貫通式，底端排氣，通過出口調(diào)節(jié)閥控制水中溶解氧的濃度。實(shí)驗(yàn)采用三維電磁流體測(cè)速儀（ACM3-RS，日本）測(cè)試距離反應(yīng)器底部不同高度處截面水流流速情況。

本實(shí)驗(yàn)采用疏水性聚偏氟乙烯中空纖維微孔膜作為生物膜載體，每根纖維有效長度 300 mm，內(nèi)徑0.8 mm，外徑1.1 mm，平均孔徑0.16 μm。實(shí)驗(yàn)使用CCD相機(jī)(MLM3XMP, OPT, 中國)測(cè)定穩(wěn)定運(yùn)行的MABR膜纖維的生物膜厚度在1.65 mm左右，如圖2所示。

1.2 計(jì)算模型的建立

圖1 膜曝氣生物膜反應(yīng)器工藝流程Fig.1 Experimental diagram of membrane aerated biofilm reactor

對(duì)等體積實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器進(jìn)行模擬，圖3為模擬組件簡化模型。組件尺寸為：Φ90×300 mm；循環(huán)流量的進(jìn)出口呈對(duì)角線分布，半徑為 3 mm，距離上下兩端的距離均為 5 mm?？紤]到生物膜厚度，將膜纖維的模擬半徑設(shè)為2.2 mm，其中生物膜的模擬厚度設(shè)為1.65 mm（根據(jù)圖2實(shí)驗(yàn)測(cè)定）。反應(yīng)器包括液相（水）、氣相（空氣）和固相（脫落的生物膜）三相體系?？諝鈴哪だw維內(nèi)部流通，在膜纖維壁面及生物膜內(nèi)部進(jìn)行無泡傳質(zhì)；固相為分散相，假設(shè)脫落的生物膜在反應(yīng)器中均勻分布，流體視為均一混合相，其密度介于0.9～1.0 g·ml?1之間，與水接近，并且生物膜脫落率較低，為了便于研究殼程流場特性，可忽略氣相與固相的影響，因此本研究模擬是單相水流流動(dòng)。其中模擬條件假設(shè)為：（1）生物膜光滑均勻；（2）中空纖維膜為剛性；（3）膜纖維之間無黏結(jié)。

圖2 膜纖維橫縱截面CCD相片F(xiàn)ig.2 CCD photo of membrane fiber in cross-section and vertical-section

圖3 物理模型簡化圖及反應(yīng)器殼程膜組件實(shí)物圖Fig.3 Simplified diagram of physics model and membrane module photo in reactor

1.3 邊界條件與網(wǎng)格劃分

借助Fluent前處理軟件Gambit繪制模型并進(jìn)行網(wǎng)格分區(qū)劃分，選取混合網(wǎng)格(Tet/Hybrid 類型)，由Gambit的TGrid工具自動(dòng)劃分，網(wǎng)格尺寸內(nèi)部間隔（interval size）大小取值為1。穩(wěn)態(tài)3D分離顯式解算器，模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型，一階迎風(fēng)格式離散方程，用SIMPLE算法求解流場，設(shè)置時(shí)間步長為0.01 s進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，收斂判斷條件為迭代殘差小于 10-5。設(shè)置入口邊界條件為速度入口邊界條件，出口邊界條件為自由液面液體出流，反應(yīng)器壁面及膜組件壁面設(shè)置為不透水的無滑移壁面，反應(yīng)器為fluid邊界條件。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 填充方式對(duì)MABR反應(yīng)器內(nèi)速度場的影響

膜組件的填充方式直接關(guān)系著殼程內(nèi)部的水流方向及能量的分布，進(jìn)一步影響著不同位置膜纖維上生物膜的生長情況。本研究利用隨機(jī)順序添加算法(random sequential addition, RSA)[15]建立填充密度為 30%的隨機(jī)填充 MABR膜組件的三維幾何模型。設(shè)置循環(huán)流量為7.62 L·min?1，模擬對(duì)比規(guī)則填充和隨機(jī)填充兩種方式對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部速度場的影響。圖4為膜纖維的兩種排布方式。

圖4 膜纖維排布方式Fig.4 Distribution of membrane fiber

圖5為沿反應(yīng)器Z軸方向7個(gè)截面速度云圖，由此反映殼程內(nèi)部整體流速情況。由圖可以看出，規(guī)則填充方式下反應(yīng)器內(nèi)整體速度分布較為均勻，該流場分布更有利于生物膜的傳質(zhì)及均衡生長；而隨機(jī)填充的方式改變了殼程內(nèi)部的水流方向，膜組件內(nèi)部偏流現(xiàn)象嚴(yán)重，由于膜纖維為隨機(jī)分布狀態(tài)，不同區(qū)域的局部封裝分率不同，從而導(dǎo)致流體在殼程流量分布不均勻，局部封裝分率高的區(qū)域流通截面積小，該部分的膜纖維間距較近，使得膜纖維間的流道變窄，流速過慢，間隙更小的區(qū)域，將會(huì)出現(xiàn)膜纖維黏結(jié)的情況，降低膜纖維上的微生物的附著量；局部封裝分率低的區(qū)域則流量較大，流速高，生物膜易脫落。反應(yīng)器截面流體徑向分布這種不均勻現(xiàn)象將會(huì)嚴(yán)重影響反應(yīng)器傳質(zhì)效果及生物總量。Costello等[16]對(duì)中空纖維膜組件內(nèi)殼程流動(dòng)阻力系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，測(cè)得的不規(guī)則排布阻力系數(shù)明顯小于規(guī)則排列時(shí)的阻力系數(shù)，同樣表明不規(guī)則排布的纖維束間存在明顯的溝流現(xiàn)象。

圖5 反應(yīng)器Z軸方向不同截面速度云圖Fig.5 Velocity contour of different cross-section along Z direction

從圖6中距離反應(yīng)器底部不同高度處截面的平均速度變化曲線可知，兩種填充方式下，截面平均速度變化曲線大致相同，反應(yīng)器進(jìn)口截面流速最大，經(jīng)過一段長度后，流速分布與紊流脈動(dòng)達(dá)到均勻流正常狀態(tài)，此時(shí)反應(yīng)器截面流速分布較均勻；由于出口處流道截面的變化，出口處截面流速又增加。對(duì)比可知，隨機(jī)填充時(shí)，反應(yīng)器進(jìn)口處流速較大，對(duì)進(jìn)口處生物膜沖刷力強(qiáng)，動(dòng)能損失大。而規(guī)則填充方式下，截面流速穩(wěn)定區(qū)域較長，整體流速沿縱軸方向分布較均勻。因此為減少溝流偏流現(xiàn)象，減少動(dòng)能損耗及膜纖維的黏結(jié)，使流場分布更加均勻，MABR反應(yīng)器的膜組件建議采用規(guī)則填充方式。

圖6 距反應(yīng)器底部不同高度截面平均速度變化曲線Fig.6 Average velocity of cross-section along vertical direction

2.2 填充密度對(duì)MABR反應(yīng)器內(nèi)速度場的影響

填充密度對(duì) MABR反應(yīng)器內(nèi)部的水力分布起著重要作用。Seong-Hoon等[17]將膜組件填充密度定義為膜組件單位垂直投影面積上容納的纖維投影面積。提高組件填充率，可以為微生物提供更大的掛膜面積，滿足曝氣充氧及微生物附著的需要。本文模擬了規(guī)則填充，循環(huán)流量為7.62 L·min?1，填充密度分別為 10%、20%、30%、45%時(shí)膜纖維外表面的水力分布情況。

由圖7可知，不同填充密度下反應(yīng)器內(nèi)的流場分布區(qū)別很大。填充密度為10%時(shí)，速度分布不均勻程度高，存在明顯的偏流現(xiàn)象，該流場分布對(duì)于MABR來說，使有機(jī)負(fù)荷分配不均勻，并且會(huì)影響生物膜的均勻生長；隨著填充密度的增加，膜截面流場分布得到很大改善，反應(yīng)器內(nèi)部流場分布逐漸均勻；當(dāng)填充密度為30%時(shí)，膜纖維間的速度場分布整體均勻適中，且在Z=0.05 m截面處，流場分布趨于均勻，相對(duì)于填充密度為20%時(shí)的截面速度云圖，反應(yīng)器流場達(dá)到穩(wěn)定的縱軸方向更長；但是當(dāng)反應(yīng)器填充密度增大到45%時(shí)，由于反應(yīng)器內(nèi)部填充的膜纖維太過密集，使得組件內(nèi)流動(dòng)阻力分布不均，流體傾向于流向流動(dòng)阻力較小的組件內(nèi)壁附近，水流沿著反應(yīng)器內(nèi)壁流出，從而反應(yīng)器內(nèi)部形成溝流；而反應(yīng)器中部流速遠(yuǎn)低于內(nèi)壁附近流速，這樣的流場分布，使得反應(yīng)器內(nèi)部膜纖維表面的微生物得不到較好的有機(jī)物供給，會(huì)造成反應(yīng)器整體的生物量減少，同時(shí)膜纖維的密集排布會(huì)使掛膜后的纖維黏結(jié)，導(dǎo)致有效生物膜面積降低。

圖7 填充密度分別為10%、20%、30%、45%下反應(yīng)器Z軸方向不同截面速度云圖Fig.7 Velocity contour of different cross-section (packing density=10%, 20%, 30%, 45%)

圖8 不同填充密度下距反應(yīng)器底部不同高度截面平均速度變化曲線Fig.8 Average velocity of cross-section along vertical direction at different packing density

圖8為不同填充密度下距反應(yīng)器底部不同高度截面平均速度變化曲線，當(dāng)填充密度為10%時(shí)，沿縱軸方向截面的平均速度逐漸降低之后趨于平穩(wěn)，并且穩(wěn)定時(shí)的截面平均流速低；填充密度為20%時(shí)，反應(yīng)器進(jìn)口處流速較大，即進(jìn)口處動(dòng)能損失嚴(yán)重，反應(yīng)器整體平均流速略低于填充率為30%時(shí)；填充密度為 45%時(shí)，填充率較高，內(nèi)壁處流動(dòng)阻力小，水流沿著反應(yīng)器壁面損失，導(dǎo)致它的穩(wěn)定截面流速高于其他填充密度；所以填充密度為 30%時(shí)，反應(yīng)器沿縱軸方向整體截面流速分布相對(duì)穩(wěn)定，流場分布較為均勻，更有利于MABR生物膜的有效傳質(zhì)。因此合理地設(shè)計(jì)膜組件填充密度，是減少膜組件溝流和死區(qū)問題的一種潛在方法。

2.3 循環(huán)流量對(duì)MABR反應(yīng)器內(nèi)速度場的影響

合適的水力學(xué)條件有助于提高反應(yīng)器內(nèi)生物膜與液相傳質(zhì)效率，防止生物膜過厚。不同的水動(dòng)力條件下，生物膜的形成、結(jié)構(gòu)以及營養(yǎng)物質(zhì)在生物膜表面及內(nèi)部的傳質(zhì)過程均有所不同。因此，研究反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流量對(duì) MABR殼程流場及生物膜的影響是一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容。

2.3.1 模擬循環(huán)流量對(duì) MABR反應(yīng)器內(nèi)速度場的影響 研究模擬了填充密度為 30%，規(guī)則填充方式下，不同循環(huán)流量下反應(yīng)器內(nèi)沿縱軸方向截面平均速度的變化情況。由圖9可知，不同循環(huán)流量下，沿Z軸方向截面平均流速變化趨勢(shì)大致相同，反應(yīng)器在進(jìn)水口處截面水流流速較大，之后速度趨于平緩，最后在反應(yīng)器出口處速度又增大。并且循環(huán)流量越大，反應(yīng)器進(jìn)口截面水流流速越大，即進(jìn)口動(dòng)能損失越大。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)水流流速較低時(shí)，反應(yīng)器中湍流度較低，此時(shí)生物膜表面液體邊界層較厚，會(huì)造成傳質(zhì)效率的降低。隨著循環(huán)流量的增加，水體的擾動(dòng)加劇，高水流流速能加強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)的湍流程度，降低邊界層厚度，生物膜表面的層流層變薄，可強(qiáng)化生物膜與液相間的傳質(zhì)過程。由圖中模擬計(jì)算數(shù)值可知，隨著循環(huán)流量的增大，反應(yīng)器穩(wěn)定截面平均流速增加；最大循環(huán)流量為 19.05 L·min?1時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)穩(wěn)定截面流速最大可以達(dá)到 7.00 cm·s?1左右。Li等[8]和Casey等[9]的研究結(jié)果表明，反應(yīng)器內(nèi)截面流速在1～12 cm·s?1范圍內(nèi)，既可以保證生物膜有效的物質(zhì)傳遞，又能確保底物一定的去除速率。但當(dāng)循環(huán)流量為7.62 L·min?1時(shí)，反應(yīng)器進(jìn)口處截面最大平均流速已經(jīng)達(dá)到20 cm·s?1，超過文獻(xiàn)中提到的＜12 cm·s?1的限制，該流速下有可能會(huì)對(duì)進(jìn)口處生物膜產(chǎn)生較劇烈沖刷，使生物膜脫落；當(dāng)循環(huán)流量高于7.62 L·min?1時(shí)，進(jìn)口處截面最大平均流速更大，且沿縱軸方向流速穩(wěn)定區(qū)域較低循環(huán)流量下的穩(wěn)定區(qū)域要短。因此，本研究認(rèn)為有必要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證7.62 L·min?1的循環(huán)流量是否對(duì)生物膜有較大影響。

圖9 距反應(yīng)器底部不同高度截面平均速度變化曲線Fig.9 Average velocity of cross-section along vertical direction

2.3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)速與模擬計(jì)算對(duì)比驗(yàn)證 為了檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)借助三維電磁流體測(cè)速儀測(cè)試反應(yīng)器不同截面的水流流速情況。實(shí)驗(yàn)選取 11個(gè)截面進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)截面均勻選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)采集速度時(shí)間為 3 min，采集頻率為20 Hz。根據(jù)算出的各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均速度，最后計(jì)算出距反應(yīng)器底部不同高度處各截面的平均速度。表1為循環(huán)流量為7.62 L·min?1時(shí)，反應(yīng)器各截面平均速度與模擬截面平均速度對(duì)比；將不同截面各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的模擬數(shù)值分別通過 MATLAB軟件進(jìn)行擬合，得出反應(yīng)器內(nèi)部各截面的三維切面圖，如圖10所示。

表1 反應(yīng)器速度場分析Table 1 Velocity flow field analysis in reactor

由表1可知：沿組件軸向方向，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的截面平均速度先減小，趨于平緩后再逐漸增大，截面穩(wěn)定平均流速在0.023 m·s?1左右。對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)得速度值和模擬計(jì)算速度值，兩者基本吻合，平均誤差為 9.76%。通過對(duì)比模擬與實(shí)驗(yàn)條件下反應(yīng)器各截面的三維切面圖可知，反應(yīng)器內(nèi)部流速分布情況大致相同，反應(yīng)器進(jìn)出口處流速偏大，整體反應(yīng)器內(nèi)部流速分布比較均勻。

圖11為不同循環(huán)流量下，實(shí)驗(yàn)測(cè)定距反應(yīng)器底部不同高度截面平均速度的分布情況。由圖可知，反應(yīng)器在不同循環(huán)流量下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的截面平均流速變化情況與模擬情況變化趨勢(shì)相近，隨著循環(huán)流量的增大，反應(yīng)器截面平均流速增加。反應(yīng)器內(nèi)流速情況都是反應(yīng)器進(jìn)口位置處截面流速較大，之后減小至趨于平緩，最后由于流道截面積變化，反應(yīng)器出口處截面流速又增大。綜上所述，采用數(shù)值模擬的方法反映MABR殼程水流流動(dòng)情況，具有一定的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

圖10 反應(yīng)器Z軸方向各截面的三維擬合切面圖Fig.10 Three-dimensional fitting of different cross-section in reactor

圖11 不同循環(huán)流量下距反應(yīng)器底部不同高度截面平均速度變化曲線Fig.11 Average velocity of cross-section along vertical direction at different circulation flow rate

2.3.3 循環(huán)流量對(duì) MABR內(nèi)生物膜的影響 由于循環(huán)流量太高，會(huì)造成膜纖維表面生物膜的脫落，進(jìn)而影響微生物膜形態(tài)和結(jié)構(gòu)，影響反應(yīng)器整體的脫氮效果，因此實(shí)驗(yàn)選取穩(wěn)定運(yùn)行的膜曝氣生物膜反應(yīng)器，通過測(cè)定不同循環(huán)流量下反應(yīng)器內(nèi)混合液濁度的變化情況，判斷生物膜的脫落情況。實(shí)驗(yàn)中，將純水加入到已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的反應(yīng)器中，不同循環(huán)流量下循環(huán)60 min，取出混合液測(cè)定出水濁度，考察生物膜的脫落情況。

如圖 12所示：隨著循環(huán)流量的增加，混合液的濁度隨時(shí)間逐漸升高，循環(huán)流量增加到 7.62 L·min?1時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)濁度仍可以保持在7.0 NTU以下，說明進(jìn)口處截面最大平均流速0.20 m·s?1，未對(duì)進(jìn)口處生物膜帶來破壞效果。當(dāng)循環(huán)流量增加到11.43 L·min?1時(shí)，截面最大進(jìn)口流速達(dá)到0.33 m·s?1，混合液濁度迅速增大，之后趨于平穩(wěn)，最大達(dá)到27.2 NTU，這說明當(dāng)流速超過一定值后，水流所產(chǎn)生的水力剪切力超過了外層生物膜的吸附能力，導(dǎo)致部分外層生物膜開始脫落，此時(shí)觀察反應(yīng)器進(jìn)口位置，發(fā)現(xiàn)膜表面附著的生物膜大量脫落。繼續(xù)增加循環(huán)流量到19.05 L·min?1時(shí)，濁度沒有進(jìn)一步增加，基本保持在28 NTU左右，說明靠近膜纖維表面的生物膜具有更強(qiáng)的附著能力，生物膜結(jié)構(gòu)更緊湊。因此控制反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流量為 7.62 L·min?1時(shí)，不會(huì)造成膜纖維外表面附著的生物膜脫落，且反應(yīng)器內(nèi)濁度可以保持在7.0 NTU以下。

圖12 不同循環(huán)流量下混合液濁度隨時(shí)間的變化Fig.12 Mixture turbidity through time at different circulation flow rate

3 結(jié) 論

（1）MABR反應(yīng)器的膜組件采用規(guī)則填充方式時(shí)，可以有效減少溝流偏流現(xiàn)象，減少動(dòng)能損耗及膜纖維黏結(jié)情況，并可以使流場分布更加均勻。

（2）填充密度對(duì) MABR殼程速度場的影響顯著，并且存在一最佳值；當(dāng)填充密度為30%時(shí)，反應(yīng)器整體速度場比較均勻穩(wěn)定，有利于MABR生物膜的有效傳質(zhì)。當(dāng)填充密度過低或過高時(shí)，反應(yīng)器偏流溝流現(xiàn)象嚴(yán)重。

（3）實(shí)驗(yàn)采用三維電磁測(cè)速儀對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行流場測(cè)量，得到反應(yīng)器內(nèi)流場速度與模擬值接近，誤差小于10%，說明采用數(shù)值模擬的方法反映MABR內(nèi)殼程水流流動(dòng)情況，具有一定的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

（4）循環(huán)流量低時(shí)，較低的截面平均流速會(huì)導(dǎo)致生物膜傳質(zhì)速度慢。而循環(huán)流量過大，使得反應(yīng)器進(jìn)口流速過大，對(duì)進(jìn)口處生物膜沖刷力大。結(jié)合實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果可知，當(dāng)循環(huán)流量為7.62 L·min?1時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)截面平均流速可以維持在0.026 m·s?1左右，該截面流速既可以保證反應(yīng)器內(nèi)生物膜有效的物質(zhì)傳遞，并且進(jìn)口處截面最大平均流速低于0.20 m·s?1，不會(huì)造成進(jìn)口處膜纖維外層附著的生物膜脫落。

[1]Gong Z, Yang F L, Liu S T, Bao H, Hu S W, Furukawa K. Feasibility of a membrane-aerated biofilm reactor to achieve single-stage autotrophic nitrogen removal based on Anammox [J].Chemosphere,2007, 69(5): 776-784

[2]Wang Xiaodong (王曉東), Zhao Xinhua(趙新華), Li Xia(李霞).Review of study on membrane aerated biofilm reactor [J].Chemical Industry and Engineering Progress(化工進(jìn)展), 2005, 24(10): 1141-1146

[3]Syron E, Casey E. Membrane-aerated biofilms for high rate biotreatment: performance appraisal, engineering principles,scale-up，and development requirements [J].Environmental Science and Technology, 2008, 42(6): 1833-1844

[4]Satoh H, Ono H, Rulin B,et al. Macroscale and microscale analyses of nitrification and denitrification in biofilms attached on membrane aerated biofilm reactors [J].Water Research, 2004,38(6): 1633-1641

[5]Beyenal H, Lewandowski Z. Internal and external mass transfer in biofilms grown at various flow velocities [J].Biotechnology Progress,2002, 18(1): 55-61

[6]Picioreanu C, van Loosdrecht M, Heijnen J. Two-dimensional model of biofilm detachment caused by internal stress from liquid flow [J].Biotechnology and Bioengineering, 2001, 72(2): 205-218

[7]Wu J, Chen V. Shell-side mass transfer performance of randomly packed hollow fiber modules [J].Journal of Membrane Science, 2000,172(1/2): 59-74

[8]Li Tinggang, Liu Junxin, Bai Renbi. Membrane-aerated biofilm reactor for the treatment of acetonitrile wastewate [J].Environmental Science and Technology, 2008, 42(6): 2099-2104

[9]Casey E, Glennon B, Hamer G. Biofilm development in a membraneaerated biofilm reactor: effect of flow velocity on performance [J].Biotechnology and Bioengineering, 2000, 67(4): 476-486

[10]Wei X, Li B A, Zhao S,et al. COD and nitrogen removal in facilitated transfer membrane-aerated biofilm reactor (FT-MABR)[J].Journal of Membrane Science, 2012, 389(1): 257-264

[11]Qiang Chengcheng, Li Bao’an, Zhang Jian. A membrane-aerated bioreactor for simulated oilfield wastewater treatment [J].Advanced Materials Research, 2012, 550-553: 2312-2314

[12]Ding Z W, Liu L Y, Ma R Y. Study on the effect of flow maldistribution on the performance of the hollow fiber modules used in membrane distillation[J].Journal of Membrane Science, 2003, 215(1/2): 11-23

[13]Zhang Xiaoguang (張曉光), Ding Weiping (丁衛(wèi)平), Zhao Gang (趙剛), Yang Jiming (楊基明), Gao Dayong (高大勇). Shell side mass transfer coefficient in randomly packed hollow fiber bundles [J].Journal of Chemical Industry and Engineering(China)(化工學(xué)報(bào)),2006, 57(12): 2823-2827

[14]Zhang Li (張力), Ju Shunxiang (鞠順祥), Yan Yunfei (閆云飛),Zhang Zhi’en (張智恩). Numerical study on absorption of carbon dioxide and mass transfer performance in hollow fiber membrane contactor [J].CIESC Journal(化工學(xué)報(bào)), 2014, 65(6): 2285-2293

[15]Yang Yi (楊毅), Wang Baoguo (王保國), Peng Yong (彭勇).Numerical simulation of shell-side flow in hollow fiber membrane modules [J].Journal of Chemical Industry and Engineering(China)(化工學(xué)報(bào)), 2008, 59(8):1979-1985

[16]Costello M J, Fane A G, Hogan P A, Schofield R W. The effect of shell side hydrodynamics on the performance of axial flow hollow fiber modules [J].Journal of Membrane Science, 1993, 80: 1-11

[17]Seong-Hoon Y, Hyung-Soo K, Ik-Tae Y. Optimization model of submerged hollow fiber membrane [J].Journal of Membrane Science,2004, 234(1-2): 147-156