SMBR內(nèi)流場特性實驗及數(shù)值模擬研究.pdf

1、浸沒式膜生物反應(yīng)器（Submerged Membrane Bioreactor, SMBR）作為一種水污染控制與污水回用技術(shù)在當前得到了廣泛應(yīng)用，但嚴重的膜污染和高能耗是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。如何減輕膜污染，提高膜通量已成為國內(nèi)外水處理領(lǐng)域的重要研究課題。
　　本文以研究SMBR內(nèi)膜面的氣液兩相流流場強化膜面?zhèn)髻|(zhì)和減輕膜污染為目的，基于PIV實驗和CFD三維非定常數(shù)值模擬研究膜面氣液兩相流流體力學(xué)特性，得到本文實驗條件下的最佳曝氣

2、工況，且在小試實驗中對實驗和模擬方法都進行了改進。
　　本文結(jié)論如下：
　　(1)本實驗中（中試）依據(jù)PIV獲取的氣液兩相流圖像直觀地分析氣泡的形成過程，在低曝氣強度下，對1mm，2mm，3mm曝氣孔徑形成的氣泡動力學(xué)特性進行了分析。分析得到：氣泡的尺寸隨曝氣孔徑的增大而增大，氣泡由圓球狀變成橢球狀，再變成球帽狀，尾流區(qū)隨著氣泡尺寸的增加也逐漸擴大，對膜面沖刷更強烈。但孔徑并不是越大越好，氣泡尺寸小的曝氣器，氧轉(zhuǎn)移效率較高，

3、阻力也較大，因此本實驗1.5m有效水深下2mm為最佳曝氣孔徑。
　　(2)分析距離膜面3cm斷面上1mm，2mm，3mm曝氣孔徑下A、B區(qū)域所對應(yīng)的切向應(yīng)力的分布情況，得知切向應(yīng)力隨著曝氣孔徑的增加而增大，從而膜面流場紊流程度也加強，但由于膜面附近有活性污泥的分布，切向應(yīng)力過大會導(dǎo)致絮凝體結(jié)構(gòu)被破壞，影響微生物的正常生長，2mm孔徑下徑向方向的切向應(yīng)力分布較3mm孔徑均勻，綜合考慮，本實驗中2mm為最佳曝氣孔徑。
　　(3)

4、分析反應(yīng)器軸向各區(qū)域液相速度矢量分布規(guī)律反應(yīng)了氣泡羽流在反應(yīng)器軸向的形成過程：A區(qū)域氣泡羽流為羽流形成區(qū)；反應(yīng)器中部B、C區(qū)域為于羽流形成后區(qū)；D區(qū)域為氣泡羽流的表面流區(qū)。同時分析了本實驗中三種曝氣孔徑下反應(yīng)器軸向上膜面液相速度均隨曝氣強度的增加呈先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢。模擬結(jié)果可以更直觀地觀察到反應(yīng)器內(nèi)形成的羽流形成區(qū)、羽流形成后區(qū)以及表面流區(qū)的液相速度變化趨勢，和實驗結(jié)果一致。
　　(4)本文通過理論結(jié)合實驗分析給出了表征膜面

5、傳質(zhì)特性的傳質(zhì)系數(shù)以及切向應(yīng)力隨曝氣強度和膜面液相速度的關(guān)系，分析得出：A、B、C三個區(qū)域的膜面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)均隨曝氣強度增加而逐漸增加，但D區(qū)在曝氣強度為6.5m3/h時表現(xiàn)為降低，這解釋了膜組件在運行中出現(xiàn)反應(yīng)器頂端吸附性膜污染加劇的現(xiàn)象。綜合考慮能耗和微生物的正常生長，得到本實驗2mm孔徑對應(yīng)的最佳曝氣強度為5.5m3/h，該工況氣液兩相的速度最大值集中在膜組件頂端附近，將有利于污染物的脫落，從而減緩膜組件頂端的膜污染。
　　(5

6、)數(shù)值模擬顯示了膜面氣含率分布情況，其結(jié)果表明：隨著曝氣強度的增加，膜面局部氣含率也逐漸增加，且氣液接觸面積擴大且更加均勻。但曝氣量過大會破壞活性污泥絮體結(jié)構(gòu)，使活性污泥顆粒變小，更容易在膜表面和孔內(nèi)沉積。因此在一定范圍內(nèi)增加曝氣強度可提高污水的生化處理效果。另，模擬觀察到反應(yīng)器的降流區(qū)及底部局部氣含率較低，出現(xiàn)死區(qū)，不利于活性污泥中微生物的生長，可進一步通過優(yōu)化曝氣系統(tǒng)和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)得到改善。
　　(6)小試實驗中改進了實驗和數(shù)值