膜曝气生物膜反应器内流场的CFD模拟及组件优化_吴云
用CFD方法模拟膜生物反应器内部流场及布气优化
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收稿日期 # ) * # E * * E # D 基金项目 国家自然科学青年基金 # $ % 国家水体污染控制与治理科技重大专项 # $ A * ! D @ ! + G( A * * ) @ ! * + # ) * * H g ) D ! * D E ) ) * 作者简介 王 ! 捷# $ & 男& 副教授 & 博士 & 主要从事膜法水处理技术的研究 & # $ ' * G D G E ; E < 0 3 & W 0 / 3 9 8 ' 9 ? ' 6 / ! = B B >
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基于VOF对曝气后反应器内流场特性的数值模拟
基于VOF对曝气后反应器内流场特性的数值模拟王海博;李春丽;邱广明;郭枭【期刊名称】《膜科学与技术》【年(卷),期】2016(036)003【摘要】采用VOF方法模拟了1 mm曝气孔径下不同曝气强度对反应器内流场特性的影响规律,阐述了不同曝气强度下反应器中的气泡行为,分析了不同工况下反应器流场中湍流强度与速度场的分布特点,总结了曝气孔中心轴线高度方向上单一液相区速度值与湍流强度的变化规律,最后针对部分模拟结论进行了实验验证.结果表明:气泡脱离曝气孔出口瞬间为类蝌蚪状且一定时间段后尾巴消失进而底部开始向上凹陷,96 L/h及140 L/h工况下曝气孔两侧膜丝之间出现了弹状流;初始气泡尾迹区产生了较强烈的湍流扰动并形成了类机翼形的速度涡环;曝气孔中心轴线高度20 mm附近单一液相区出现了湍流强度变化喉部;24 L/h工况下单一液相区速度值在曝气孔中心轴线高度方向上呈线性升高,96 L/h及140 L/h工况下呈多段类线性规律升高;实验证明模拟结果较可靠.本研究可优化曝气控制膜污染过程的操作参数,能在一定程度上指导工程实际中曝气控制膜污染装置的设计过程.【总页数】9页(P70-78)【作者】王海博;李春丽;邱广明;郭枭【作者单位】内蒙古工业大学土木工程学院,呼和浩特010051;内蒙古工业大学能源与动力工程学院,呼和浩特010051;内蒙古工业大学能源与动力工程学院,呼和浩特010051;内蒙古工业大学能源与动力工程学院,呼和浩特010051【正文语种】中文【中图分类】TB324;TB332【相关文献】1.基于CFD-DEM的柱形颗粒固定床反应器流场特性数值模拟 [J], 王凯莉;张亚新2.基于VOF方法数值模拟离心式喷嘴内两相流流动 [J], 王成军;陈海耿;马金凤3.基于CFD数值模拟的新型撞击流反应器内管内径的优化 [J], 孙坤岩;宋冠英;李镇江4.基于VOF数值模拟的扬水曝气器提水性能研究 [J], 常志英;黄廷林5.基于PFC-CFD的双环径向反应器流场特性数值模拟 [J], 岳蓓蓓;张亚新因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
污水处理中的生物膜反应器模拟与优化
污水处理中的生物膜反应器模拟与优化污水处理是城市环境保护的重要任务之一，而生物膜反应器作为一种常见的处理设施，以其高效、节能的特点得到了广泛应用。
本文将探讨生物膜反应器在污水处理中的模拟与优化方法，为提升处理效率、降低运行成本提供参考。
一、生物膜反应器简介生物膜反应器是一种利用生物膜作用将有机物和氮、磷等污染物转化为无害物质的装置。
其基本原理是利用生物膜对有机物进行吸附、降解和转化，通过控制水体中的氧气供应和搅拌方式，实现废水中有机物与生物膜微生物之间的充分接触。
二、生物膜反应器模拟方法生物膜反应器的模拟可以通过数学模型的建立来实现。
常用的模型包括活性污泥模型（ASM）、改进的ASM模型等。
这些模型基于废水处理过程的动力学特性和微生物的生长代谢规律，通过一系列方程和参数来描述反应器内的物质转化和生物过程。
在模拟过程中，需要确定模型的各项参数，如污水进水特性、生物膜的附着特性、微生物的生长速率等，可以通过实验室试验或现场监测来获取。
同时，还需利用数学软件对模型进行求解和模拟，得出反应器内物质转化的动态过程。
三、生物膜反应器的优化方法为了提高生物膜反应器的处理效率和经济性，需要对其进行优化。
以下是一些常见的优化方法：1. 控制进水负荷：合理控制污水进水量和质量，避免过高的负荷对生物膜产生不利影响。
2. 调节温度和pH值：生物膜反应器对温度和pH值的变化较为敏感，调节这两个因素可有效提高生物膜的附着和活性。
3. 提高氧供应：氧气是生物膜反应器中微生物呼吸和有机物降解所必需的，合理增加氧供应有助于提高反应器的处理效率。
4. 减少污泥产生：合理控制污泥的产生量和质量，可以降低处理成本和废物处置压力。
5. 系统监控与维护：建立完善的监控系统，及时了解反应器运行情况，并进行必要的维护和修复。
通过以上优化方法的综合应用，可以有效提高生物膜反应器的去除效率和稳定性，实现污水处理的可持续发展。
结语生物膜反应器作为一种高效节能的污水处理设施，对于城市环境保护具有重要意义。
《基于计算流体力学的膜生物反应器流场计算与结构优化》
《基于计算流体力学的膜生物反应器流场计算与结构优化》一、引言膜生物反应器（Membrane Bioreactor，MBR）是一种结合了生物反应技术和膜分离技术的水处理系统。
其核心优势在于高效处理能力以及较低的污泥产量。
然而，流场分布的均匀性对MBR 的性能有着显著影响。
因此，基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的流场计算与结构优化成为了提升MBR 性能的关键手段。
本文旨在利用CFD技术对膜生物反应器的流场进行深入计算，并通过分析结果对结构进行优化。
二、计算流体力学基础CFD是一种利用计算机模拟流体流动的技术。
它通过求解流体动力学方程，如Navier-Stokes方程，来预测和分析流体的行为。
CFD在许多领域得到了广泛应用，包括水处理系统的设计和优化。
在MBR中，CFD可用于模拟和优化反应器内的流场分布，提高混合效率和传质效果。
三、膜生物反应器流场计算本文采用CFD技术对膜生物反应器进行流场计算。
首先，建立三维模型并设定边界条件，包括进出口流量、压力等。
然后，通过求解Navier-Stokes方程和湍流模型，得到反应器内的速度场、压力场等流体动力学参数。
最后，通过后处理技术，将计算结果可视化，便于分析和理解。
四、流场分析通过CFD计算得到的流场结果表明，膜生物反应器内存在明显的流速不均现象。
在靠近进/出口区域，流速较高；而在远离进/出口的区域，流速较低。
这种不均匀的流场分布可能导致局部浓度过高或过低，影响混合效率和传质效果。
此外，流速过高或过低还可能对膜组件造成损伤或影响其正常工作。
五、结构优化针对流场分析结果，提出以下结构优化措施：1. 优化进/出口设计：通过调整进/出口的位置、大小和角度，使流体在反应器内分布更加均匀。
这可以通过增加进/出口的数量或采用多级进/出口来实现。
2. 优化内部构件：在反应器内设置搅拌装置或挡板等内部构件，以改善流体的混合和传质效果。
SPG膜微气泡曝气—生物膜反应器系统及运行优化研究的开题报告
SPG膜微气泡曝气—生物膜反应器系统及运行优化研究的开题报告1. 研究背景生物膜反应器（MBR）是一种新一代的废水处理技术，它利用微生物在生物膜上生长附着的特性，在活性污泥法的基础上采用了更优化的反应器设计和操作方式，能够有效地去除废水中的有机物和氮磷等营养物质，并且具有占地面积小、出水稳定等优势。
而MBR系统中最重要的部件是膜组件，它的种类和性能直接影响了系统的运行效率和出水质量。
而SPG（Submerged Prodominantly Gas-phase）膜微气泡曝气技术，作为一种新型的曝气方式，不仅能够有效地提高膜孔污染控制能力，还可以提高废水接触氧化度，促进微生物代谢反应，提高MBR系统的处理效率。
因此，本文选取了SPG膜微气泡曝气作为研究对象，旨在探究其在MBR系统中的应用特点和运行效果，并且通过实验研究和数学模拟等多种手段，对系统运行过程进行优化和改进，提高MBR系统的处理能力和稳定性。
2. 研究内容和方法（1）研究目的本文的主要研究目的是：①探究SPG膜微气泡曝气技术在MBR系统中的应用特点和优越性；②开展实验研究，验证SPG膜微气泡曝气技术在MBR系统中的处理效果，并且分析其影响因素和机理；③通过数学模拟等手段，对MBR系统的运行参数进行优化和改进，提高系统的处理能力和稳定性。
（2）研究内容①SPG膜微气泡曝气技术的原理和应用特点；②SPG膜微气泡曝气技术在MBR系统中的应用研究；③实验研究：设计不同SPG膜孔径和曝气流量组合的MBR系统，对系统的运行效果进行评估，包括COD、NH3-N、TP等指标；④数学模拟：使用计算流体力学（CFD）等数学计算软件，对MBR 系统的流动和传质过程进行数值模拟分析，寻找优化的运行参数。
（3）研究方法本文将采用以下研究方法：①文献调研：综合国内外相关文献，收集和分析SPG膜微气泡曝气技术在MBR系统中的研究进展和实践经验；②实验研究：设计和制作不同孔径的SPG膜孔及系统结构，构建实验室MBR系统，对系统的运行和处理效果进行实验研究；③数学模拟：使用CFD等数学计算软件，对MBR系统的流动和传质过程进行数值模拟分析，探究优化的运行参数。
化学反应器内部流场模型研究与优化
化学反应器内部流场模型研究与优化化学反应器是广泛应用于化学工艺和制造业中的重要设备。
在化学反应器内部，流体的流动对于反应的速率和产物的质量和产率有着重要影响。
因此，研究和优化化学反应器内部的流场模型对于提高反应效率和优化生产流程具有重要意义。
在研究和优化化学反应器内部流场时，我们首先需要建立一个合适的数学模型来描述流体的流动行为。
通常采用的数学模型有欧拉模型和拉格朗日模型两种。
欧拉模型是以固定的空间坐标来描述流体的运动，其中流体的质点坐标随时间变化，但空间坐标是固定的。
欧拉模型适用于较大尺度范围内的流动研究，并能提供整体的流场分布情况。
然而，欧拉模型无法准确地描述小尺度波动，因此不适用于细致的流态研究。
拉格朗日模型是以流体质点的位置和速度随时间变化来描述流体的运动，其中空间坐标和时间都是变动的。
拉格朗日模型适用于细致的流态研究，并能提供流体质点的详细轨迹和局部流场信息。
然而，拉格朗日模型的计算量较大，对于大规模反应器的流动研究不太实用。
根据具体的反应器类型和研究目的，可以选择合适的数学模型来描述系统的流动行为。
了解化学反应器内部的流场模型对于优化反应条件和提高反应效率是至关重要的。
通过建立数学模型，可以预测反应器内部的流动特性并优化反应条件。
在优化化学反应器内部流场时，以下几个方面需要考虑：首先，需要考虑流体的流动方式。
在化学反应器中，流体可以以不同的方式流动，如湍流、层流和混合流动等。
不同的流动方式对于反应速率和混合程度产生不同的影响。
其次，需要考虑反应器内部的结构和气液两相流动行为。
反应器内部的结构对于流体的流动有着重要影响，例如反应器的进出口位置、内部构件的安排等。
同时，如果反应涉及气液两相流动，需要考虑气泡的形成和传输对于反应速率和混合程度的影响。
此外，反应器内部的温度、压力和浓度等参数也需要考虑。
这些参数对于化学反应的速率和选择性具有重要影响，应在优化流场时进行合理的控制。
最后，优化化学反应器内部流场时，可以利用计算流体力学（CFD）等数值模拟方法进行仿真计算。
修正ASM-CFD耦合仿真在MBR运行及膜污染中的应用研究
修正ASM-CFD耦合仿真在MBR运行及膜污染中的应用研究杨漪帆; 俞亦政; 王奇; 马春燕【期刊名称】《《环境科技》》【年(卷),期】2019(032)005【总页数】6页(P18-23)【关键词】计算流体力学; 平板膜膜生物反应器; 活性污泥模型; 可溶性微生物产物; 膜污染【作者】杨漪帆; 俞亦政; 王奇; 马春燕【作者单位】上海市环境科学研究院上海 200233; 中国纺织规划研究会北京100020; 东华大学上海 201620【正文语种】中文【中图分类】X50 引言随着水污染严重和水资源短缺等问题日益严重，传统的生物处理技术已经不能到达对污染物的去除要求[1]，针对水污染现状开发的膜生物反应器以其独特的优势，成为极具发展前景的水污染处理技术之一。
但是膜污染问题一直是制约着MBR长期稳定运行的一个问题[2-4]。
随着计算流体力学（CFD）技术的发展，在MBR的运行和优化设计的模拟应用备受关注，本文通过对ASM（活性污泥模型）-CFD模型的研究，在加入生物场的条件下，对出水水质进行模拟分析，验证模型的可靠性。
并利用模型从膜间距和曝气强度2个方面分析膜表面污染情况。
1 数值模拟1.1 几何建模与网格划分本研究所选用的实际工程来自于上海浦东某生物药业污水处理设施为本课题的研究对象。
结构示意见图1。
图1 MBR结构示意利用CFD前处理软件ICEM16.0进行三维建模。
反应器高长（X）3 600 mm，（Y）2 800 mm，宽（Z）1 600 mm；膜组件长（X）2 000 mm，高（Y）1 720 mm，宽（Z）650 mm，位于反应器中间位置；反应器底部为曝气口入口。
反应器内膜组件内含150片膜片，进行逐片划分几何建模难度极大，故在利用ICEM几何划分的过程中对其进行简化：对MBR池内流场结合ASM模型研究中，将膜组件看做一个几何整体；对于膜污染的研究中，简化研究膜组件中5片膜片，其余膜片看做是立方体。
中空纤维膜生物反应器组件局部污染特征分析及曝气构型优化的开题报告
中空纤维膜生物反应器组件局部污染特征分析及曝气构型优化的开题报告1. 研究背景和意义中空纤维膜生物反应器是一种先进的废水处理设备，其具有高效、节能、节地、灵活等特点，因此在废水处理领域得到了广泛运用。
然而，使用过程中存在一些问题，其中之一就是组件局部污染。
局部污染会影响生物反应器的稳定运行和处理效果，甚至会导致设备寿命缩短。
因此，通过分析中空纤维膜生物反应器组件局部污染的特征，并进行曝气构型优化，可以有效提高生物反应器的运行效果，从而有效解决废水处理中的污染问题。
2. 研究内容本研究的主要内容包括以下几个方面：（1）中空纤维膜生物反应器组件局部污染特征的研究。
通过对生物反应器内部的流场、气液分布、颗粒物分布等参数进行模拟和分析，探究组件局部污染的形成原因和特征，建立相应的数学模型。
（2）曝气构型优化的研究。
通过对不同曝气构型在不同操作条件下的模拟和分析，比较其对组件局部污染的影响，优化曝气构型。
（3）实验验证和结果分析。
通过实验验证，分析不同曝气构型的效果，探究组件局部污染的原因和应对措施。
3. 研究方法本研究采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方法，具体包括：（1）基于流场分析、数值计算模拟等方法，探究中空纤维膜生物反应器组件局部污染的形成原因和特征。
（2）对曝气流场和气泡运动进行数值模拟，建立曝气构型数学模型，并通过对曝气构型的优化来提高生物反应器的处理效果。
（3）通过实验验证不同曝气构型的效果，并结合数值模拟结果对实验结果进行分析和解释。
4. 预期成果本研究预期可以得到以下成果：（1）深入分析中空纤维膜生物反应器组件局部污染的形成原因和特征，为进一步解决局部污染问题提供理论基础。
（2）建立曝气构型数学模型及对曝气构型进行优化，提高生物反应器的处理效果。
（3）通过实验验证和数值模拟分析，解释曝气构型优化的效果，为生物反应器的工程应用提供指导。
5. 研究进度安排阶段 | 主要工作 | 时间---|---|---第1阶段 | 文献调研、理论分析 | 2个月第2阶段 | 数值模拟建模、仿真计算 | 3个月第3阶段 | 实验设计、数据采集和处理 | 3个月第4阶段 | 结果分析、论文撰写 | 4个月第5阶段 | 论文修改、答辩和检查 | 3个月。
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2015年1月 CIESC Journal ·402·January 2015第66卷 第1期 化 工 学 报 V ol.66 No.1膜曝气生物膜反应器内流场的CFD 模拟及组件优化吴云1,2，张楠2，张宏伟1,2，贾辉1,2（1天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程教育部重点实验室，天津 300387；2天津工业大学环境与化学工程学院，天津 300387）摘要：基于数值模拟的方法研究了不同填充方式、填充密度、循环流量下膜曝气生物膜反应器（MABR ）内流场特性。
研究结果表明，随机填充时，反应器内存在偏流沟流现象，且进口处动能损失大；规则填充时，截面流速稳定区域较长，更适于MABR 生物膜的生长。
填充密度对MABR 壳程速度场的影响显著，并且存在一最佳值；当填充密度为30%时，反应器整体速度场比较均匀稳定。
实验采用三维电磁测速仪对实体模型进行流场测量，得到反应器内流场速度与模拟值接近，误差小于10%；当循环流量为7.62 L ·min −1时，反应器截面平均流速可以维持在0.026 m ·s −1，并且进口最大流速低于0.20 m ·s −1，不会导致生物膜的脱落，该稳定的流场分布符合MABR 内部的速度场分布需求。
关键词：MABR ；生物膜；数值模拟；流场特性；优化 DOI ：10.11949/j.issn.0438-1157.20140975中图分类号：X 52 文献标志码：A文章编号：0438—1157（2015）01—0402—08CFD simulation of internal hydrodynamic characteristics and optimization ofmembrane module in membrane aerated biofilm reactorWU Yun 1,2, ZHANG Nan 2, ZHANG Hongwei 1,2, JIA Hui 1,2（1State Key Laboratory of Hollow Fiber Membrane Materials and Processes, Tianjin Polytechnic University , Tianjin 300387, China ;2School of Environmental and Chemical Engineering , Tianjin Polytechnic University , Tianjin 300387, China )Abstract: Based on numerical simulation, the internal hydrodynamic characteristics of membrane aerated biofilm reactor (MABR), was investigated at different filling modes, packing densities, and circulation flow rates. With random packing, bias flow and channeling were present, causing great loss of kinetic energy at the entrance of the reactor. However, with even packing, the stability region of cross-section velocity was longer, which was more suitable for the growth of biofilm in MABR. The effect of packing density on the shell flow field of MABR was fairly remarkable, and there was an optimal value. With packing density of 30%, flow field was stable. Three-dimensional electromagnetic tachymeter was used to measure the flow field of the physical model, and the measured velocity was close to the simulated value, with error less than 10%. With circulation flow rate of 7.62L ·min −1, cross-section velocity of the reactor could be kept at 0.026 m ·s −1, meanwhile maximum inlet velocity of the reactor was less than 0.20 m ·s −1, which would not cause fall-off of biofilm. Stable flow field distribution accorded with the requirements of internal flow field of MABR.Key words: MABR; biofilm; numerical simulation; flow field characteristics; optimization2014-06-27收到初稿，2014-09-10收到修改稿。
联系人及第一作者：吴云（1980—），男，博士，副教授。
基金项目：国家自然科学基金项目（51108316，51378349）。
Received date : 2014-06-27Corresponding author : WU Yun, wucloud@Foundation item : supported by the National Natural Science Foundation of China(51108316,51378349).第1期吴云等：膜曝气生物膜反应器内流场的CFD模拟及组件优化·403·引言膜曝气生物膜反应器（MABR）是一种生物膜法污水处理新工艺[1-2]，透气膜材料本身同时起到供氧和生物膜载体的作用。
由于曝气膜上生长的生物膜具有传质异向性，使单一反应器内好氧和厌氧环境共存，可以高效地同时进行硝化反硝化和COD 的去除，达到同步除碳脱氮的目的，该工艺具有氧利用率高、挥发性污染物气提损失小、运行管理方便等特点[3-4]。
在MABR运行过程中，微生物含量高，曝气速率快，为其获得较高的容积负荷率提供了有力保证，但MABR内生物膜密度较高、水流阻力较大、膜纤维易黏结、生物膜过厚等往往成为限制MABR处理能力进一步提高的瓶颈因素[5-6]。
因此，如何高效利用中空纤维曝气膜组件的膜面积，提高反应器生物膜的传质效率，有效控制生物膜厚度等都要求对膜组件内流场分布情况进行深入研究。
鉴于MABR与膜接触反应器构型有一定的相似度，其传质设计可参考膜接触反应器中使用的膜纤维随机分布模型和Lévèque方程[7]进行传质计算。
对于MABR系统，反应器内流态主要影响底物在MABR“生物膜-溶液”界面形成的扩散边界层的传质，及生物膜的厚度和附着强度，较高的水流速度会导致生物膜松散和脱落，出水水质恶化，过快的流速容易冲脱膜纤维表面上附着生长的生物膜，对MABR系统带来破坏性的影响[8-9]。
Li等[10]在MABR处理模拟采油废水的实验中发现，随着循环流速的增加石油降解的速度加快，水体的扰动加剧，生物膜表面的层流层变薄，强化了生物膜的传质过程。
Qiang等[11]的研究表明，水流流速的提高强化了促进传递膜曝气生物膜反应器(FT-MABR)的抗冲击负荷能力以及对氧气的利用率；且在高水流流速下，反应器具有优先去除氨氮的能力，脱氮过程倾向于以亚硝酸盐为中间产物的短程反硝化过程。
填充密度也是影响壳程传质主要因素之一[7]。
Ding等[12]对膜蒸馏中空纤维膜组件（填充率50%）进行模拟计算，指出随着局部封装分率的提高，沟流效应减弱，壳程流体分布趋于均匀，有利于传质。
张晓光等[13]利用MATLAB软件对中空纤维透析器模拟得出，随着填充密度(10%～50%) 的增大，透析器的管外传质系数先变大，后变小。
上述研究表明，合理优化反应器内水力学条件对改善MABR传质过程具有重要作用。
利用计算流体力学（CFD）的方法对反应器内流场进行模拟具有较高的准确性[14]，可以直观反映反应器内流体流态特征，还能定量描述膜表面流速、剪切力等参数。
因此，本文使用CFD技术对MABR内流场流态进行数值模拟研究，分析反应器流场特性对MABR生物膜的影响，为优化MABR膜组件设计，强化传质过程提供有效参数。
1 研究对象与方法1.1研究对象实验装置如图1所示，采用蠕动泵进水，溢流出水。
主体反应器用有机玻璃制作（内径45 mm，高300 mm），有效容积为2.0 L。
反应器设有循环水进口和出口，循环水经隔膜泵循环到反应器进水口，由循环水泵控制反应器内水流的循环流量。
同时反应器上部进气，采取贯通式，底端排气，通过出口调节阀控制水中溶解氧的浓度。
实验采用三维电磁流体测速仪（ACM3-RS，日本）测试距离反应器底部不同高度处截面水流流速情况。
本实验采用疏水性聚偏氟乙烯中空纤维微孔膜作为生物膜载体，每根纤维有效长度300 mm，内径0.8 mm，外径1.1 mm，平均孔径0.16 μm。
实验使用CCD相机(MLM3XMP, OPT, 中国)测定稳定运行的MABR膜纤维的生物膜厚度在1.65 mm左右，如图2所示。
1.2计算模型的建立对等体积实验反应器进行模拟，图3为模拟组图1 膜曝气生物膜反应器工艺流程Fig.1 Experimental diagram of membrane aeratedbiofilm reactor化 工 学 报 第66卷·404·图2 膜纤维横纵截面CCD 相片Fig.2 CCD photo of membrane fiber in cross-section andvertical-section图3 物理模型简化图及反应器壳程膜组件实物图 Fig.3 Simplified diagram of physics model and membranemodule photo in reactor件简化模型。