曝氣速率對(duì)附加微通道湍流促進(jìn)器SMBR流體動(dòng)力學(xué)性能的影響

　　浸沒(méi)式膜生物反應(yīng)器(submergedmembranebio�瞨eactor，SMBR)是在內(nèi)環(huán)氣升式生物反應(yīng)器基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種高效的生物處理與膜處理相結(jié)合的反應(yīng)器，具有出水水質(zhì)好､占地少､污泥產(chǎn)量低､易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制､操作管理方便等優(yōu)點(diǎn)，但其因膜污染嚴(yán)重､水通量下降快等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了浸沒(méi)式膜生物反應(yīng)器在工程中的推廣與普及[1��5]。當(dāng)前研究者有通過(guò)湍流促進(jìn)器改善流體的流動(dòng)形態(tài)[6��9]，也有利用曝氣[10，11]在膜表面形成氣液兩相流，增加膜面剪切力，達(dá)到降低膜污染及濃差極化的目的。

　　近年來(lái)，有許多學(xué)者采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computerfluentdynamic，CFD)和粒子成像測(cè)速(particleimagevelocimetry，PIV)技術(shù)來(lái)模擬和測(cè)試SMBR中單相流､兩相流和多相流的流態(tài)分布，同時(shí)給出速度和剪切力等性能指標(biāo)的分布信息。Judd等[12]利用CFD模擬SMBR管式膜中的流場(chǎng)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)，證明了CFD模擬的膜面剪切力和膜通量具有良好的相關(guān)性。李金等[13]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD方法對(duì)浸沒(méi)式超濾膜過(guò)濾器內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)計(jì)算得到過(guò)濾器內(nèi)流體速度場(chǎng)，壓力場(chǎng)和紊流強(qiáng)度的分布情況。Yang等[14]利用CFD模擬了浸沒(méi)式平板膜生物反應(yīng)器的兩相和三相流，并把計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。最終結(jié)果表明，錯(cuò)流速度是減輕膜污染的重要因素。Amini等[15]在市政廢水處理的CFD模擬及實(shí)驗(yàn)中，使用兩相流和三相流分別考察了膜生物反應(yīng)器中的氣泡直徑､污泥濃度､曝氣率､生物相和膜生物反應(yīng)器的流體動(dòng)力學(xué)和性能，從模擬結(jié)果及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，在不同污泥濃度下錯(cuò)流速度是減少膜污染的必要因素。Gim�瞞elshtein等[16]主要研究在有檔板的情況下，通過(guò)PIV測(cè)試平板膜通道間速度及混合指數(shù)的變化。結(jié)果表明，檔板會(huì)造成流體流動(dòng)方向的改變。Liu等[17]探討了膜生物反應(yīng)器內(nèi)氣水兩相流的流動(dòng)特性。利用PIV和高速相機(jī)檢測(cè)膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)中的氣泡大小和運(yùn)動(dòng)以及單相流和兩相流的速度分布情況。Willems等[18]利用PIV和CFD研究了液體和液體/氣體流過(guò)有檔板的通道內(nèi)流體速度分布。結(jié)果表明，兩相流狀態(tài)下比單相流的速度變化更不穩(wěn)定，更有利于防止膜污染的濃差極化。Yan等[19]通過(guò)CFD和PIV研究了在低曝氣強(qiáng)度下檔板的不同位置和尺寸對(duì)氣升式平板膜生物反應(yīng)器流體動(dòng)力學(xué)性能的影響。

　　本研究把曝氣與微通道湍流促進(jìn)器結(jié)合在一起防治浸沒(méi)式平板膜生物反應(yīng)器的膜污染和濃差極化。先采用CFD中的歐拉模型對(duì)附加微通道湍流促進(jìn)器的浸沒(méi)式平板膜生物反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬，并考察浸沒(méi)式平板膜生反應(yīng)器內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo):速度､剪切力､湍流動(dòng)能､湍流強(qiáng)度､湍流耗散率及靜壓的變化。接著通過(guò)PIV實(shí)驗(yàn)對(duì)浸沒(méi)式平板膜生物反應(yīng)器膜面流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。最后結(jié)合CFD模擬結(jié)果與PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果，找出最佳曝氣率以便改善浸沒(méi)式平板膜生物反應(yīng)器流體動(dòng)力學(xué)性能，減少能耗，增加膜面剪切力，有效控制膜污染和濃差極化。

　　1 CFD數(shù)值模擬

　　1.1 數(shù)學(xué)模型

　　由于本實(shí)驗(yàn)是對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流體特性的研究，因此在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)將忽略氣體與液體流動(dòng)過(guò)程中的傳熱，只模擬反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)特性，假定流體是非穩(wěn)態(tài)的､定常的､不可壓的。所以建立的基本守恒方程為連續(xù)方程和動(dòng)量守恒方程。

　　1.1.1 連續(xù)方程(continuityequation)

　　 式中:ρ是密度，t是時(shí)間，u是速度矢量，α為氣含率。

　　1.1.2 動(dòng)量守恒方程(momentum conseravationequation)

 　　式中:p是靜壓，f是體積力，ν是運(yùn)動(dòng)粘度。

　　1.2 幾何模型及邊界條件的設(shè)定

　　附加微通道湍流促進(jìn)器的浸沒(méi)式平板膜生物反應(yīng)器可簡(jiǎn)化為二維算例。本文采用AutoCAD2008建模，模型如圖1(a)所示。浸沒(méi)式平板膜生物反應(yīng)器為600mm×300mm的長(zhǎng)方形，中間是膜組件，膜面上每隔64mm交錯(cuò)放置微通道湍流促進(jìn)器。為模擬方便將曝氣口簡(jiǎn)化為小的圓形。膜片及曝氣孔位置與實(shí)際安裝位置相同，即距離反應(yīng)器內(nèi)底分別為180mm和135mm。液體入口(water�瞚nlet)設(shè)為速度進(jìn)口邊界條件，速度為0.5m/s。氣體入口(air�瞚nlet)設(shè)為速度進(jìn)口邊界條件。反應(yīng)器出口邊界條件設(shè)為outflow。具體參見(jiàn)http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　1.3 計(jì)算模型

　　根據(jù)浸沒(méi)式平板膜生物反應(yīng)器流體的特性，在模擬中選用Euler模型，考察曝氣速率對(duì)附加微通道湍流促進(jìn)器的浸沒(méi)式膜生物反應(yīng)器性能的影響。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，利用Meshing對(duì)膜生物反應(yīng)器進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)絡(luò)采用的是三角形和四邊形單元，并在局部單元特別是對(duì)曝氣孔以及微通道湍流促進(jìn)器處進(jìn)行加密處理，如圖1(b)所示。為了保證計(jì)算的穩(wěn)定，滿足遷移性要求且盡量避免數(shù)值上的擴(kuò)展誤差，在計(jì)算時(shí)離散方式選用二階迎風(fēng)格式。計(jì)算方法選用了壓力耦合的SIMPLIC算法。為保證計(jì)算數(shù)值的收斂性，殘差采用10-5。

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