文献信息：Liguo S, Qihang W, Qunfeng Y, et al. Superior performance of a membrane bioreactor through innovative in-situ aeration and structural optimization using computational fluid dynamics [J]. Water research, 2023, 243 120353-120353.（点击文末阅读全文可直达）
1、研究背景
膜生物反应器（MBR）是生物反应和膜分离技术的结合，具有占地小、安装灵活、处理时间短等优点，有广阔的应用前景。然而，流体力学参数是限制其性能和应用的主要因素，需要通过优化结构和操作条件来减轻其限制。因此，对流体力学参数的优化研究已成为MBR领域的热点之一。流体力学模拟（CFD）技术可以模拟MBR内部的流体流动和剪切应力分布，为结构优化和操作条件的选择提供理论指导。
2、创新点
在本研究中，通过优化膜组件配置和操作条件，改善MBR的流体力学特性，减轻膜污染并提高污水处理效率。并且本文首次通过CFD模拟对原位曝气进行评估。该研究有助于加深对MBR流体力学的认识，为MBR的结构设计和优化提供有价值的参考。
3、实验方法
本文使用软件ANSYS FLUENT19.1建立一个实验室规模的平板式MBR三维模型（图1），并采用对称平面来减少计算量。模型纳入膜组件顶部到液面的距离、膜间距、挡板到膜壁的距离等九个关键参数用于探究MBR的结构设计和操作条件优化的方法。此外，本文使用欧拉多相流模型模拟气液两相流，采用标准k-ε湍流模型模拟湍流流动。
图1（a-c）MBR及其配置参数示意图（d-e）网格划分细节。
4、实验结果
4.1 膜组件的配置优化
4.1.1 膜组件的深度对剪切力的影响
本实验中，固定高度的膜片位置不变，作者通过改变液面位置设置了膜片顶端到液面的不同距离。从图2中可以看出，随着膜组件的深度（Da）的增加，膜表面的剪切力呈现先增加后下降的趋势。液体循环流动面积的大小，一般是由膜与液面之间的距离决定。如果距离过低，则会缺少流动面积，使液体难以循环；距离过高，则会增加循环流动距离，导致循环过程中的能耗更高。因此，膜面剪切力的极大值出现在Da=13cm处。
图2 膜到液面距离对剪切力的影响；对称平面上的液速分布。
4.1.2 膜间距对剪切力的影响
从图3中可以看出，随着膜间距（Db）的减小，膜面的剪切力逐渐增大，达到峰值后再减小。先增大是由于膜组件越靠近中心的位置，边缘膜的曝气效果会增强；减小是由于当膜间距过小时，大直径气泡难以通过，从而导致剪切力降低和膜污染增加。综合来看，Db=4.5mm是本研究条件下最适合的间距。
图3 膜间距对剪切力的影响。
4.1.3 挡板到罐壁距离对剪切力的影响
研究发现增大挡板到罐壁的距离（Dc）对膜表面平均剪切力的影响较小（图4），但会影响液体循环流动。这是因为相较于膜组件之间较窄的间隙，挡板和罐壁之间较宽的空间对水流的阻力更小。且当Dc过小时，膜组件外的液体缺乏循环空间。而当Dc=12cm时，剪切力最大，且膜之间的液体流速相对均匀。因此，最佳Dc为12cm。
图4 挡板到罐壁距离对剪切力的影响。
4.1.4 膜与曝气管之间的距离对剪切力的影响
从图5中可以看出，减小膜与曝气管之间的距离（Dd）会导致膜表面剪切力逐渐减小。这是因为Dd会调节外部液体流入膜组件的区域。当Dd过小时会增加液体的流入阻力，同时会降低循环流动速率，最终导致曝气效果不均。考虑到长距离传输能量消耗、流入阻力和剪切力的影响，Dd最优值为5.9cm。
图5 膜与曝气管之间的距离对剪切力的影响。
4.1.5 曝气管中心至罐底的距离对剪切力的影响
研究发现，曝气管中心与罐底距离（De）的增大、减小均会导致剪切力的明显减小（图6）。减小De会导致曝气管上游的液体流向中心，从而增加膜两侧液体的流速（小编注：应该是曝气会集中在膜组件的中心部分，导致曝气对膜组件的覆盖面减小）；增大De会导致从膜喷射出的液体流速显著降低，表明曝气管中心与罐底距离过大会增加液体的循环流动阻力。因此，最佳曝气管中心与罐底距离为1.6cm。
图6 曝气管中心至罐底的距离对剪切力的影响。
4.2 操作条件的优化
4.2.1 混合液悬浮固体浓度（MLSS）对剪切力的影响
从图7a和c可以看出，在相同曝气情况下，随着MLSS浓度的增加，剪切力逐渐增大。这是因为粘稠的污泥具有较高的粘度，其增强了污泥与膜表面之间的摩擦，从而增加了剪切力。从实际应用角度来看，高浓度MLSS会导致流动阻力增加，阻碍污泥循环，并增加膜过滤阻力。这是由于在恒定的动能输入条件下，通过污泥浓度改变了流体的粘滞力，剪切提升是由动能损失增加造成的，所以这里剪切虽然增大了，但是污泥却更难清除，所以膜过滤阻力才会提升。同时，从图7b中可以看出，随着MLSS浓度的增加，应变率迅速下降，然后稳定在0.065Pa·L· g-1。因此，在高浓度MLSS下，需要增加曝气强度以促进液体流动。
图7 MLSS浓度对剪切力的影响。
4.2.2 曝气强度（Ia）对剪切力的影响
增加曝气强度对液体流动方向的影响可以忽略不计（图8），但会显著增加剪切力和流速。此外，曝气强度会影响每个膜组件的平均剪切力。当曝气强度大于3m/s时，剪切力随着曝气强度的增加而线性增加，但边缘区域的剪切力仍低于中间区域，这可能会导致边缘区域的污染率更高。这可能是因为气泡主要从曝气管道喷出，并向上流动，受重力和液体流动的影响，气泡可能会聚集在膜组件的中间区域，导致边缘区域的气泡数量和曝气效果减弱，从而降低边缘区域的剪切力，导致污染率更高。
图8 曝气强度对剪切力的影响。
4.2.3 气泡直径（Df）对剪切力的影响
在平板膜组件中，液体的流动状态可以分为气泡流和段塞流。较小的气泡直径会产生更大的剪切力，但膜边缘的液体流速不够高，会导致其污染加剧。较大的气泡直径会导致剪切力显著降低，这可能是由于膜之间的间隙较窄，无法容纳大直径的气泡，导致这些气泡的液体流速降低，故需要增加膜间距以适应。因此，本实验的最佳气泡直径为5mm，其既可以在膜表面提供足够的剪切力，又能保持相对均匀的分布。
4.2.4 侧挡板长度（Ls）对剪切力的影响
研究发现，在不改变原有设计的情况下，将反应器两侧的挡板延长，可以显著改善膜表面流速分布和剪切力的均匀性。
4.3 原位曝气对剪切力的影响
与传统的曝气方式相比，原位曝气可以显著提高边缘膜附近的液体流速，并产生更均匀的膜间液体流速分布。原位曝气产生的气泡直径非常小（纳米级），具有极高的表面积，从而在膜表面产生有效的剪切力。通过将外曝气与原位曝气相结合，膜表面的剪切力分布更加均匀。原位曝气还可以提高液体流速和湍流能动，从而有效减少局部膜污染的可能性。
5、总结与启发
文章通过CFD对平板膜生物反应器的流体力学特性进行了系统性研究，并且利用非均相流模拟技术首次探究了原位曝气技术的剪切分布及其对过滤性能的影响（小编注：既然原位曝气很重要，为啥不给出数据图呢？）。此研究揭示了膜组件配置和操作条件对MBR内流体流动和剪切力的影响，并且通过优化膜间距、曝气强度、MLSS浓度等关键参数，成功降低了膜污染的风险，提高了MBR运行效率。模拟研究显示，原位曝气技术为MBR的进一步改进提供了方向，具有潜在的应用价值。
导师点评：研究很有实际应用价值，工作量很足，机理解释得也很清楚，不过，纯的CFD模拟没有实验验证还是让人不那么信服。
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