混合生长式膜生物反应器在废水处理过程中的流体力学特性和传氧效率研究

A hybrid growth membrane bioreactor (HG-MBR) is one of the efficient and energy saving MBRs with low membrane fouling, high efficiency and low aeration costs. Due to its complex multiphase flow and biological processes, the operation mechanisms including hydrodynamic characteristics and oxygen transfer process of HG-MBR are still not studied yet. The proposed project is going to study hydrodynamic characteristics and oxygen transfer phenomena under different influence factors in an HG-MBR, through computational fluid hydrodynamics (CFD), classical theoretical analysis and experimental methods. The experimental data will be used for CFD models validation and modification. Expected results include CFD simulation of HG-MBR configuration and parameters optimization, the relationships between hydrodynamic characteristics, oxygen transfer rate and their influence factors, and optimal operation parameters for municipal wastewater treatment, and finally towards a better understanding of the HG-MBR process. The main innovation points are the CFD simulation of three proposed reactors which could be easily expanded for engineering scale-up, and choosing correct influence factors by boundary conditions, for obtaining an optimal HG-MBR configuration. This will low the difficulty of the HG-MBR engineering design and experimental costs, as well as promote the research and development of new MBR technology for engineering application.

混合生长式膜生物反应器(HG-MBR)是降低膜污染、提高系统效率、降低曝气成本的高效低耗MBR技术之一。由于包含复杂的多相流过程和生物化学过程，其内部机理包括系统的流体力学特性和传氧过程尚未得到充分研究。本项目将采用计算流体力学(CFD) 模拟、传统的理论分析和实验测量紧密结合的研究方法，研究HG-MBR中多相流的流体力学特性、传氧过程及其影响因素间的相互关系和作用机理，并通过实验结果对CFD模型进行验证和修正。预期获得CFD对反应器结构参数的模拟和优化，流体力学特性、传氧效率与影响因素间的作用机理和解析表达式，以及处理城市污水的优化工艺参数，完善和加深对HG-MBR运行机理的理解。项目的创新点主要为针对适合工程放大提出的三种反应器结构采用CFD模拟分析，并用边界条件对影响因素进行筛选，确定最佳反应器结构，减少了工程设计的难度和试验成本，促进MBR新工艺、新技术的研发和应用。

本项目研究结果包括四方面内容：（1）通过二套中试规模的混合生长式膜生物反应器（HG-MBR）的对比实验，得出HG-MBR中隔离网的结构设计与反应器的流体力学特性相关，优化设计的隔离网有助于促进填料的循环流动，减少驱动填料流化所需的曝气量，达到节能降耗的目的。优化设计的隔离网（导流板面积为约覆盖47.0%的隔离网有效面积）在50%的填料填充率和A管（在膜池中）+C管（在远离膜池的侧壁底部）的曝气管组合模式下可减少曝气量15%以上，节能效果明显。（2）通过 Eulerian–Eulerian 二相流模型的模拟，将导流板设计对填料流动现象的影响进行了较好的理论和模拟解释。根据模拟和实验结果，建立了曝气量和导流板面积与填料填充率的水动力学关系模型，显示模拟结果与实验结果具有高度的一致性。（3）清水中粒子图像测速（PIV）结果表明，50%填料填充率时，导流板位于上部表现较好,较大较高的 III 型填料流速相对较低，需要更高的驱动能量才能流动；而 I型和II 型填料流速较高，相对的驱动能量较低，但二者在不同工况下有不同表现。因此，在确定填料填充率时，需要考虑填料上生物量的因素，填料的大小、形状等特性，还有驱动能耗等。（4）传氧效率测定结果表明，不同类型的填料对氧传递性能有着不同的效果，选取流体力学特性良好的填料作为生物载体，可以增强氧传质效率。其中II 型填料在30-40%的填充率时有较好的传氧性能表现。较高的MLSS浓度会导致填料流动所需的曝气量增大，表明需要控制合适的污泥浓度才能达到较低的能耗。研究结果可为进一步优化反应器的结构设计、提高反应器的氧传递效率及节能降耗提供理论依据和数据参考。