膜生物反應(yīng)器內(nèi)氣液與污泥三相流動(dòng)的數(shù)值模擬

李會(huì)強(qiáng), 劉 嶠, 王 青, 徐 農(nóng), 3, 董 強(qiáng), 3, 丁愛(ài)琴, 范 蘢*

(1. 合肥學(xué)院, 能源材料與化工學(xué)院, 合肥 230601; 2. 中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所, 生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190 3. 南京工業(yè)大學(xué), 材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 211816)

活性污泥會(huì)沉積在膜生物反應(yīng)器(MBR)的超濾膜表面或進(jìn)入膜孔內(nèi)部造成堵塞,導(dǎo)致膜運(yùn)行通量下降[1].為了緩解這一現(xiàn)象,通常向膜池內(nèi)曝氣[2].如何在控制膜污染的前提下,提高曝氣效率,降低運(yùn)行能耗,是目前MBR應(yīng)用過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題[3].

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是研究流體力學(xué)特性的有效方法,在MBR中有著廣泛的應(yīng)用[4].通過(guò)對(duì)MBR內(nèi)部流動(dòng)的CFD模擬,得到優(yōu)化條件,從而減少膜污染,為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持.如Ndinisa等[5]模擬了浸沒(méi)式膜單元內(nèi)的兩相流,通過(guò)整體優(yōu)化膜單元來(lái)減少污垢的形成.林進(jìn)等[6]利用流體體積模型模擬氣升式陶瓷膜中的氣液兩相流,初步提出氣含率的變化規(guī)律.Brannock等[7-9]模擬了平板膜和中空纖維膜的MBR的混合特性.Wu等[10]分步模擬了MBR內(nèi)的氣液兩相流,從層流到湍流,再到非牛頓流體、多孔介質(zhì)模型逐步耦合完成.Wang等[11]對(duì)平板膜生物反應(yīng)器進(jìn)行了氣液兩相流模擬,得到了優(yōu)化的通道間隙和曝氣速度.Cao等[12]對(duì)全尺寸的商用MBR進(jìn)行了氣液兩相流模擬,發(fā)現(xiàn)擋板的存在以及擋板與最外層膜板之間的距離對(duì)全尺寸MBR的面積加權(quán)剪切力影響較小,曝氣量的增加對(duì)面積加權(quán)剪切應(yīng)力有顯著影響.曹迎晨等[13]對(duì)單個(gè)氣泡和氣泡群在MBR平板膜內(nèi)的流體力學(xué)特性模擬,得到單個(gè)氣泡上升速度與直徑的關(guān)系,及氣泡群時(shí),氣液兩相剪切力的變化.Liu等[14]通過(guò)模擬全尺寸MBR內(nèi)的氣液兩相流動(dòng),對(duì)膜間距、曝氣設(shè)計(jì)及操作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).以上這些文獻(xiàn)[5-14]的研究中,均將真實(shí)的氣-水-污泥三相體系簡(jiǎn)化為氣-液兩相,這一定程度上能夠描述MBR內(nèi)的流動(dòng),但無(wú)法得到污泥的流體力學(xué)特性,及其對(duì)膜污染的影響,無(wú)法深入地理解MBR內(nèi)復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象.MBR文獻(xiàn)中關(guān)于氣-液-固三相的模擬較少,僅Bayat等[15]采用歐拉-歐拉模型對(duì)氣升式MBR進(jìn)行了兩相和三相模擬,隨著空氣流速和MLSS的增加,膜污染會(huì)降低.Kang等[16]將歐拉多相流模型和多孔介質(zhì)相結(jié)合,模擬比較了中試單個(gè)膜組件和工廠實(shí)際運(yùn)行中多個(gè)膜組件內(nèi)氣、液、生物質(zhì)的流體力學(xué)特性.Amini等[17]用歐拉-歐拉多相流模型對(duì)MBR進(jìn)行了兩相和三相模擬,將混合液作為牛頓流體,而膜作為固體壁面處理.

本文將污泥作為單獨(dú)的一相處理,對(duì)MBR內(nèi)的氣-水-污泥三相體系進(jìn)行模擬,考察了污泥本身的流動(dòng)特性,探討了氣泡、曝氣位置等對(duì)污泥沉降的影響,以期優(yōu)化結(jié)構(gòu),減少膜污染的發(fā)生.由于缺乏三相的數(shù)據(jù),文中還將氣液兩相流模擬結(jié)果與文獻(xiàn)比較驗(yàn)證.

1 數(shù)學(xué)模型和模擬方法

1.1 物理模型

本文采用與Wu等[10]相同的MBR膜單元,考慮到膜結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性,選取結(jié)構(gòu)的1/4進(jìn)行模擬(如圖1).采用ANSYS WORKBENCH建立模型,整體模型為1 525×2 350×4 000 mm3的長(zhǎng)方體,其中膜單元為625×1 350×2 000 mm3的長(zhǎng)方體.

1.膜單元;2.氣體出口;3.對(duì)稱(chēng)面;4.平面x=225 mm;5.曝氣管圖1 流體計(jì)算域的1/4Fig.1 One quarter of the MBR

膜單元區(qū)域采用六面體網(wǎng)格,膜單元以外區(qū)域采用四面體網(wǎng)格.曝氣面的尺寸非常小,因此對(duì)曝氣面進(jìn)行網(wǎng)格加密,以保證計(jì)算精度.網(wǎng)格計(jì)算域如圖2所示.

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格(黑框?yàn)槟卧獏^(qū)域,其余的為膜單元外區(qū)域)Fig.2 Computational domain grid

1.2 多相流模型和湍流模型

采用軟件FLUENT 2020R2對(duì)MBR的流動(dòng)進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)模擬,對(duì)氣-液兩相流或氣-液-污泥三相流均使用歐拉模型.水為連續(xù)相,污泥和氣泡均為分散相,污泥密度為1 100 kg/m3,體積濃度為1%,污泥顆粒假設(shè)為剛性小球,粒徑40 μm.

采用張鵬等[18]提出的式(1)計(jì)算污泥黏度,溫度25 ℃,獲得污泥黏度為83.18 mPa·s.

(1)

式中:μ為黏度,Pa·s;T為絕對(duì)溫度,K.采用標(biāo)準(zhǔn) 湍流模型處理湍流,如式(2)、式(3)所示.

(2)

(3)

式中:Cε1,Cε2,σk均為常數(shù),分別取值1.44,1.92,1.3.rα為α相體積分?jǐn)?shù);ρα為α相密度,kg/m3;kα為α相湍動(dòng)能,J;t為時(shí)間,s;Vα為α相速度,m/s;μα為α相黏度,Pa·s;μtα為α相渦黏性系數(shù);Pkα為α相湍流能量生成項(xiàng);εα為α相湍流耗散率.

1.3 非牛頓流體模型

為了與文獻(xiàn)中的兩相模擬結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證,將MBR內(nèi)的氣-水-污泥三相體系簡(jiǎn)化為氣-液兩相流動(dòng)處理,其中液體為水和活性污泥組成的混合物.活性污泥的存在使得混合物表現(xiàn)為非牛頓流體,因此在模擬氣-液兩相流時(shí),將液體作非牛頓流體處理,液體密度取997 kg/m3.

Liu等[19]研究發(fā)現(xiàn),Ostwald-de Waele模型式(4)適合描述污泥流動(dòng)特性,其剪切力與污泥濃度、剪切速率之間的關(guān)系可以用式(5)和式(6)描述.

τ=Kγn(0

(4)

τ=0.043 1MLSS0.89γ0.68(3≤MLSS≤8)

(5)

τ=0.041 2MLSS1.64γ0.45(8≤MLSS≤16)

(6)

因此,文中采用Ostwald-de Waele模型來(lái)處理液體的非牛頓流體特性,K為稠度系數(shù);n為流動(dòng)特性指數(shù);τ為剪切力,N/m2;γ為剪切速率,s-1;MLSS為污泥濃度,g/L;污泥濃度取10.2 g/L.

1.4 多孔介質(zhì)模型[20]

MBR中膜單元一般多采用的是中空纖維膜,膜單元由幾十個(gè)膜組件組成,每個(gè)膜組件又包含上千根膜纖維,因此不可能對(duì)每根纖維內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行模擬.緊密排列的膜纖維與多孔介質(zhì)具有相似的特征,因此文中將膜單元簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)處理.

由于膜單元類(lèi)似于管束,黏性損失項(xiàng)可忽略不計(jì),因此動(dòng)量方程中應(yīng)添加源項(xiàng)[10],即式(7)～(9):

(7)

(8)

(9)

1.5 邊界條件及模擬方法

圖1所示的模型結(jié)構(gòu)中,計(jì)算域有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)面,膜單元設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域,多孔介質(zhì)區(qū)域有兩面與對(duì)稱(chēng)面重疊,作為對(duì)稱(chēng)面處理,剩余兩面代表膜單元的壁面.膜單元下方有6根曝氣管,簡(jiǎn)化為6個(gè)寬度為2 mm,距離膜單元底面350 mm的曝氣面,作為速度進(jìn)口,曝氣速度為3 m/s,氣泡直徑為6 mm,假設(shè)氣泡為剛性小球,不會(huì)破裂或合并.

在氣-液兩相模擬時(shí),頂部設(shè)置為“排氣”,即只能氣體從頂部流過(guò),液體不會(huì)流出.在氣-液-污泥三相模擬時(shí),無(wú)法使用“排氣”條件,因此在頂部左側(cè)設(shè)置一小口,為壓力出口.在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),將出口網(wǎng)格進(jìn)行局部加密,尺寸設(shè)置為5 mm.

模擬時(shí),將多相流模型、湍流模型、非牛頓流體模型、多孔介質(zhì)模型等一次性加入到本文模型中進(jìn)行求解.求解時(shí),控制方程的壓力-速度耦合相采用“Phase Coupled Simple”算法,動(dòng)量、體積分?jǐn)?shù)、湍流動(dòng)能、湍流耗散率均設(shè)置為一階迎風(fēng)格式.

1.6 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

計(jì)算之前首先對(duì)網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性進(jìn)行研究,以確定合適的網(wǎng)格,保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性.對(duì)模型進(jìn)行了4種不同的網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格數(shù)量分別為584 109、747 797、917 811、1 025 309,考察平面z=-480 mm上y=750 mm處的液體流動(dòng)速度.

如圖3所示,網(wǎng)格數(shù)從584 109增加到917 811的過(guò)程中,液體流速改變較大,而網(wǎng)格數(shù)從917 811增加到1 025 309時(shí),液體流速平均誤差約為1.1%.因此,網(wǎng)格數(shù)為917 811時(shí),計(jì)算結(jié)果已經(jīng)足夠準(zhǔn)確,故選取917 811的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算.

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)下平面z=-480 mm上y=750 mm處液體流速變化圖Fig.3 Variation of liquid velocity with grids at y=750 mm in the plane z=-480 mm

計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn),MBR內(nèi)的流動(dòng)在50 s后基本達(dá)到穩(wěn)態(tài),為了確保結(jié)果準(zhǔn)確,下文均選擇100 s時(shí)的結(jié)果進(jìn)行分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 兩相流模擬的對(duì)比與驗(yàn)證

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于MBR內(nèi)氣-液-污泥三相流模擬的文獻(xiàn)非常少,已有的文獻(xiàn)[15-17]由于結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作條件等的差異以及數(shù)據(jù)的欠缺,無(wú)法具體比較.因此,將MBR內(nèi)流動(dòng)簡(jiǎn)化為氣液兩相來(lái)模擬,與文獻(xiàn)的氣液兩相流結(jié)果比較驗(yàn)證.本文選取Wu等[10]的MBR進(jìn)行模擬.Wu等[10]在進(jìn)行氣液兩相流模擬時(shí),分四步進(jìn)行,以層流模擬為起點(diǎn),在層流模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上,加入湍流模型,再依次加入非牛頓流體和多孔介質(zhì),逐步模擬,這樣操作耗費(fèi)了大量的時(shí)間.本文直接將湍流模型、非牛頓流體和多孔介質(zhì)模型一次性納入模擬中,相比于Wu等[10],操作簡(jiǎn)單,時(shí)間大幅度減少.

本文結(jié)果與Wu等[10]的比較如圖4和圖5所示.圖4為MBR截面4(圖1中所示)的液體速度矢量圖,本文模擬結(jié)果與Wu等[10]的模擬結(jié)果基本一致.圖5為不同結(jié)構(gòu)時(shí),膜單元內(nèi)液體平均速度的比較,平均誤差為25%,模擬精度在其它文獻(xiàn)記載的范圍之內(nèi)(8%～30%)[22],證明本研究所建立的模型及采用的模擬方法是可靠的.

圖4 液體速度矢量圖對(duì)比Fig.4 Comparison of liquid velocity vectors

圖5 膜單元內(nèi)液體平均速度的比較Fig.5 Comparison of average liquid velocity in membrane unit

2.2 氣-液-污泥三相流的模擬結(jié)果

2.2.1三相流與兩相流的流動(dòng)對(duì)比

三相流時(shí)平面4(圖1所示)處的液體速度矢量如圖6(a)所示,在膜單元下方,水隨著曝氣向上流動(dòng),部分液體到達(dá)膜單元底部時(shí)會(huì)繞過(guò)單元向上流動(dòng),這與兩相流模擬時(shí)液體混合物隨著曝氣流入膜單元[圖4(a)]有所不同,三相條件下模擬更為真實(shí),污泥會(huì)堆積在膜單元底部,而不是進(jìn)入膜單元,因此成為水流的阻力,使部分水流改變方向,繞過(guò)膜單元向上運(yùn)動(dòng).

圖6 三相流在平面4處的速度矢量圖Fig.6 Velocity vectors at plane 4 for three-phase flow

圖6(b)為污泥的速度矢量圖,在MBR內(nèi)大部分區(qū)域污泥的流動(dòng)與水基本一致,速度差別不大.但由于污泥無(wú)法進(jìn)入膜單元,因此在膜單元內(nèi)沒(méi)有固體流動(dòng).在膜單元的右上方,固體最不易達(dá)到,同樣沒(méi)有固體.

選取膜單元本身和膜單元外部這兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行探究,將三相流時(shí)兩區(qū)域的液體平均速度與兩相流時(shí)進(jìn)行比較,結(jié)果如圖7所示.三相流動(dòng)時(shí),膜單元內(nèi)外區(qū)域液體的平均速度差異較大,而兩相流時(shí)差異較小.膜單元外部區(qū)域,三相流動(dòng)時(shí)的液體速度比兩相流時(shí)大,而膜單元內(nèi)部,則遠(yuǎn)小于兩相流.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是對(duì)污泥的不同處理方式造成的.三相流時(shí),水和污泥為單獨(dú)的兩相,膜單元外部,水和污泥同時(shí)流動(dòng),膜單元內(nèi)部?jī)H有水通過(guò),內(nèi)外區(qū)域的差別不僅體現(xiàn)在膜單元的影響,還有污泥和水之間的相互作用.而兩相流時(shí),液體是水和污泥的混合物,同時(shí)在膜單元內(nèi)外流動(dòng),因此三相流動(dòng)的模擬更接近于真實(shí)的MBR,也說(shuō)明對(duì)于MBR的模擬而言,本研究將污泥單獨(dú)處理優(yōu)于傳統(tǒng)的兩相流.

圖7 膜生物反應(yīng)器內(nèi)各區(qū)域液體平均速度對(duì)比Fig.7 Comparison of average liquid velocity in MBR

圖8給出污泥濃度分布,部分污泥會(huì)沉積在膜單元底部,這與Amini等[17]的三相模擬結(jié)果相類(lèi)似,他們也發(fā)現(xiàn)固體顆粒更易于聚集在MBR底部,靠近膜組件壁面的位置.另一部分污泥會(huì)隨水一起繞過(guò)膜單元向上流動(dòng),膜單元底部污泥的濃度明顯大于其它區(qū)域,也說(shuō)明膜單元底部更容易發(fā)生沉積性膜污染,這也是將MBR中氣-水-污泥三相體系簡(jiǎn)化為氣-液兩相流無(wú)法得到的結(jié)果.

圖8 平面4處污泥體積濃度分布Fig.8 Distribution of sludge volume fraction at plane 4

2.2.2氣泡大小的影響

曝氣可以增強(qiáng)膜表面剪切力[23],對(duì)膜表面起到?jīng)_刷作用[24-25],有效地控制污泥濃度分布,進(jìn)而改善膜污染.本研究中,與曝氣相關(guān)的因素主要包括氣泡大小、曝氣面積及其位置.因此首先考慮氣泡大小的影響,將氣泡直徑由前述的6 mm分別改為2、4和8 mm,進(jìn)行模擬.

圖9為不同氣泡直徑時(shí)MBR中的污泥分布,氣泡直徑的變化對(duì)污泥濃度分布幾乎沒(méi)有影響,僅在膜單元右下方污泥沉積有所增加.圖10是膜單元底面的液體平均速度,隨氣泡直徑的增大,水進(jìn)入膜單元時(shí)的速度減小,速度的降低使污泥沉積的可能性增大,這與圖9中直徑增大后污泥在膜單元右下方沉積增多相互吻合,也說(shuō)明氣泡直徑的增大一定程度上增加了膜污染的可能性.

圖9 污泥在不同氣泡直徑下的分布Fig.9 Distribution of sludge with different bubble diameters

圖10 不同氣泡直徑下膜單元底面水的平均流速Fig.10 Average water velocity at the bottom of the membrane unit with different bubble diameters

Wu等[10]將膜單元內(nèi)液體的流速按照數(shù)值由小到大排列,認(rèn)為排列在末尾5%內(nèi)的區(qū)域?yàn)榭赡馨l(fā)生膜污染的區(qū)域,即“低速區(qū)域”,并將排列在5%處的速度值定義為“參考流速”,用于評(píng)估膜污染潛能.

參考流速越高,膜單元內(nèi)可能發(fā)生污染的區(qū)域則越少.

參考此法,我們同樣對(duì)膜單元內(nèi)液體的平均流速進(jìn)行分析.圖11所示為不同氣泡直徑下膜單元內(nèi)部液體平均流速的頻率分布,膜單元內(nèi)部液體平均流速在0～0.150 m/s之間,各種氣泡直徑下,0.030～0.075 m/s之間的速度所占比例均較大,在60%以上.當(dāng)氣泡直徑為2和8 mm時(shí),速度為0～0.015 m/s的低速區(qū)域頻率均接近5.0%,氣泡直徑為4和6 mm時(shí),低速區(qū)域的頻率則低于2.5%.這說(shuō)明,曝氣時(shí)氣泡直徑為4～6 mm,出現(xiàn)膜污染的可能性比較低.

2.2.3曝氣面積的影響

將曝氣面寬度由最初的2 mm分別調(diào)整為1、3和4 mm.如圖12所示,隨著曝氣面積的增加,曝氣量逐漸增大,膜單元內(nèi)的氣含率明顯增大,大量氣體集中在膜單元內(nèi)部和頂部,造成流場(chǎng)的混亂.圖13所示為不同曝氣面寬度下污泥體積濃度分布.由圖13可知,曝氣面積對(duì)污泥濃度影響不大,隨面積增大,膜單元底部沉積的污泥略有增加.

圖12 不同曝氣面寬度下平面4內(nèi)氣含率分布圖Fig.12 Volume fraction of gas in plane 4 with different aeration area

圖13 不同曝氣面寬度下平面4內(nèi)污泥體積濃度分布圖Fig.13 Volume fraction of sludge in plane 4 with different aeration area

圖14為膜單元內(nèi)液體流速范圍的頻率分布.曝氣面寬度為1 mm時(shí),大部分速度集中在0～0.045 m/s,0～0.015 m/s的低速區(qū)域占15%以上,大大增加了膜污染的可能.隨著曝氣面積的增加,低速區(qū)域的占比明顯降低,曝氣面寬度≥2 mm時(shí),0～0.015 m/s的速度出現(xiàn)頻率僅為2.5%左右.綜合氣含率分布等結(jié)果分析,當(dāng)曝氣面寬度為2 mm時(shí),曝氣效率較高,且出現(xiàn)膜污染的可能較低.

圖14 不同曝氣面寬度下膜單元內(nèi)部液體流速頻率分布Fig.14 Frequency distribution of liquid velocity in membrane unit with different aeration surface widths

2.2.4曝氣面位置的影響

將曝氣面由初始的距離膜單元底面350 mm分別上移100、200 mm和下移100、200 mm進(jìn)行模擬.圖15為5種不同曝氣位置的液體速度矢量圖,隨著曝氣面與膜單元距離的增加,膜單元上部速度明顯增大,膜單元底部液體的流動(dòng)方向亦發(fā)生改變,由圖15(a)中流向膜單元,變?yōu)閳D15(b)～15(e)中繞過(guò)膜單元向上流動(dòng),且隨著與膜單元距離的增大,這部分液體的速度和流量都增加.

圖15 曝氣面在不同位置時(shí)平面4的液體速度矢量圖Fig.15 Velocity vectors of water in plane 4 with different aeration positions

圖16的污泥濃度分布中,距膜單元較近時(shí),污泥易被水夾帶流向膜單元,膜單元底部出現(xiàn)較多的沉積污泥,污泥濃度較高.隨著曝氣面與膜單元距離的增大,部分液體繞過(guò)膜單元向上流動(dòng),部分污泥也會(huì)隨之繞過(guò)膜單元流走,與膜單元距離越大,液體攜帶遠(yuǎn)離的污泥越多,沉積在膜單元底部的污泥則越少,膜污染的可能性減少.

圖16 曝氣面在不同位置時(shí)平面4的污泥體積分布圖Fig.16 Sludge distribution in plane 4 with different aeration positions

另外,隨著曝氣面位置的改變,膜單元內(nèi)部低速區(qū)域的相對(duì)頻率也發(fā)生改變,如圖17所示.在上移和下移后,膜單元內(nèi)部速度在低速區(qū)0～0.015 m/s之間的頻率均有所增加,特別是下移200 mm后,低速區(qū)域頻率接近15%,較大程度增加了膜污染的可能性;而在初始位置時(shí),低速區(qū)域頻率僅為2.5%[見(jiàn)圖11(c)].綜合考慮膜單元內(nèi)液體流速及底部的污泥沉積,在初始位置附近時(shí),MBR內(nèi)部污染的可能性最小.

圖17 不同曝氣面位置時(shí)膜單元內(nèi)部液體流速頻率分布Fig.17 Frequency distribution of liquid velocity in membrane unit at different aeration surface positions

結(jié)合氣泡大小、曝氣面積以及曝氣面位置的研究結(jié)果,為了減少膜污染,應(yīng)將曝氣管安裝在接近膜單元底面與MBR底面中間的位置,并控制曝氣孔的大小,使氣泡尺寸維持在4～6 mm之間.

2.2.5固相濃度的影響

將固相濃度由1%調(diào)整為0.5%和1.5%,分別進(jìn)行模擬.污泥分布如圖18所示,隨著固相濃度的增加,膜單元底部堆積的污泥量增加,導(dǎo)致液體流動(dòng)受阻,如圖19所示,在濃度由0.5%增加到1.5%的過(guò)程中,流入膜單元的液體減少,膜單元上方的液體更分散,不利于液體在膜單元內(nèi)部的循環(huán).同時(shí),隨著固相濃度增加,污泥在膜單元底部堆積,膜單元內(nèi)氣體量減少,如圖20所示,在固相濃度為0.5%及1.0%時(shí),氣體分布較均勻,當(dāng)固相濃度再增至1.5%,膜單元內(nèi)部氣體分布不均,右側(cè)甚至沒(méi)有氣體,也不利于膜單元內(nèi)部的循環(huán)流動(dòng).

圖18 不同固相濃度下污泥體積分布圖Fig.18 Sludge volume distribution with different solid concentrations

圖19 不同固相濃度下液體速度矢量圖Fig.19 Velocity vector of liquid with different solid concentrations

圖20 不同固相濃度下氣含率分布Fig.20 Volume fraction of gas with different solid concentrations

圖21所示為不同固相濃度下膜單元內(nèi)液體流速頻率分布,膜單元內(nèi)部液體流速大致分布在0.02～0.08 m/s范圍內(nèi),固相濃度為0.5%和1.0%時(shí),0～0.015 m/s的低速區(qū)域的頻率約為2.5%.固相濃度為1.5%時(shí),低速區(qū)域頻率超過(guò)5%,這與上文所分析的污泥在膜單元底部堆積阻礙液體和氣體流動(dòng)相吻合.

圖21 不同固相濃度時(shí)膜單元內(nèi)部液體流速頻率分布Fig.21 Frequency distribution of liquid velocity in membrane unit with different solid concentrations

3 結(jié)論

1) 污泥相的引入,使三相模擬中液體的流動(dòng)與氣-液兩相模擬中的液體流動(dòng)明顯不同:三相模擬中,部分液體繞過(guò)膜單元向上流走,而不是流入膜單元;膜單元內(nèi)外區(qū)域液體速度差異明顯,而兩相流計(jì)算的內(nèi)外速度差別較小.本文獲得這些流動(dòng)特性有利于對(duì)MBR流場(chǎng)的深入解析.

2) 曝氣氣泡直徑增大,液體進(jìn)入膜單元的流速減小,發(fā)生污泥沉積的可能性增大.本文研究范圍內(nèi),當(dāng)曝氣面距離膜單元底面350 mm,曝氣面寬度2 mm,氣泡直徑4～6 mm時(shí),發(fā)生污泥沉積產(chǎn)生膜污染的風(fēng)險(xiǎn)最小.MBR設(shè)計(jì)中,應(yīng)將曝氣管安裝在膜單元與MBR底面接近中間的位置,并通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣孔,控制氣泡尺寸在4～6 mm之間,以達(dá)到減小膜污染的目的.

3) MBR內(nèi)固相濃度不斷增加,會(huì)導(dǎo)致污泥在膜單元底部的堆積,進(jìn)而阻礙液體、氣體圍繞膜單元產(chǎn)生的循環(huán)流動(dòng),一定程度上加劇膜污染的風(fēng)險(xiǎn).