中空纤维膜生物反应器流场特性及设计方法

完善中空纤维膜生物反应器（MBR）系统设计方法问题，是MBR技术大规模应用的核心问题之一。课题结合计算流体力学（CFD）中区域离散化的理论方法与水力学实验，研究中空纤维MBR系统内多相耦合流场的水力特性。对中空纤维膜传质与污染，中空纤维膜组件局部流场的特征，反应器内多相流场特征及参数预测等方面的内容进行研究和探索。设定膜通量和抗污染性为优化指标，通过阐明如何平衡中空纤维传质与污染的关系，组件特征外形、尺寸对局部气、水流场分布的影响规律，多单元膜组器的布置与MBR结构对其内部多相耦合流场的水力特性影响，最终建立中空纤维MBR系统水力模型体系并求解，从MBR系统的膜纤维、膜组件和膜系统三个层面完善其设计方法，为开发、设计出新一代高效、低耗的中空纤维MBR系统奠定理论基础，并为其工程化设计提供技术依据。

本课题提出以计算流力学(Computational Fluid Dynamics ,CFD)与流体力学实验相结合的技术思路，对中空纤维膜生物反应器(Hollow Fiber Membrane bioreactor ,HFMBR)内的流场特性进行了研究，其目的是为HFMBR系统的设计理论的完善提供基础，同时一定程度上指导实际工程应用。本项目围绕上述研究目标按照计划进行了理论分析，数学模型构建、小试实验、计算流体模拟、实验修正等工作，主要取得了如下几个方面的成果。.（1）中空纤维膜组件膜污染特征的研究。分析与比较了由中空纤维特殊过滤构造而导致形成的“不均衡膜污染”和“阶段性发展”的特征，通过自行开发的膜性能评价装置结合小试实验，提出了基于中空纤维膜组件设计的不均匀设计参数，并运用响应曲面实验（Response Surface Methodology）建立了基于“不均衡膜污染”理论的中空纤维膜组件设计方法。.（2）中空纤维膜组件外部流场分析及优化设计。借助实验和数值模拟双重手段，建立了MBR组件在不同运行通量区间（超临界、次临界）内的设计模型，同时将膜污染发展的时序化参数引入膜组件的设计中，建立了特定条件下的膜污染动态模型并有效提高了模型的拟合精度。.（3）中空纤维膜单元结构的优化与模拟。考察了与中空纤维MBR内部流场形成最紧密的曝气构型、曝气强度、组件构造几个关键因素，分析了“对齐”曝气，“间隔”曝气，“对齐”导流曝气和“间隔”导流曝气几种膜单元设计构型的外部流场特征，并以能耗与膜面剪切率为优化目标，提出了构造最佳过滤性能流场的设计模型和方法。.（4）大规模中空纤维MBR内部流动特征分析。基于实际工程尺度模型，分析了大规模中空纤维膜生物反应池的内部的速度场分布、流线分布、特征单元面速度、单元壁面剪切率等反应池区域流动特性，并结合MBR的水力学实验对相关特征进行了评估，结果表明，模拟结论与水力学实验接近，可为工程化的MBR设计提供理论基础。.通过本项目的研究，从中膜纤维外形、膜组件结构、反应器设计三个层次初步形成了HFMBR设计与评价的定量描述方法，有利于中空纤维MBR在设计、运行上实现“高效、低耗、抗污染”的工艺控制理念，充分发挥MBR在污水处理领域中的优势，拓展其应用前景。