平板膜生物反应器活塞流曝气流态优化与节能降耗研究取得进展

膜生物反应器（Membrane bioreactors，MBRs)作为一种高效水处理方法，具备传统污水处理工艺无法比拟的优势。但膜污染问题一直是困扰该技术在水处理中长期稳定运行和广泛应用的关键因素。曝气——将气泡引入液体中产生两相流被证实为一种可有效抑制膜污染的重要手段，但其能耗占整个运行能耗的70%以上，是造成MBR高能耗的主要因素。然而以往的研究鲜有针对工业大型平板膜生物反应器建立起有效抑制膜污染且低能耗的曝气方法。

中国科学院城市环境研究所张凯松研究团队自2006年以来，与英国牛津大学工程科学系教授Robert W. Field团队开展长期合作，致力于活塞流曝气膜污染控制技术和MBR曝气节能降耗研究。通过对平板膜表面传质系数的测量，发现活塞流曝气可引起更高强度膜表面剪应力的变化，从而可更有效地控制膜污染；通过与自由曝气机制对比，活塞流曝气还可大大降低曝气能耗（Zhang et al., Journl of Membrane Science, 2009；Desalination, 2011)。随后将计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟技术应用于活塞流曝气研究中，通过模拟与实验结果对比分析，发现活塞流气泡在两片平板膜间（单通道内）的发展形态与尺寸，该方法建立的气泡尺寸与剪应力定量关系具有直观性及更强的准确性（Wei et al., Journl of Membrane Science,2013）。

最近，研究团队针对平板膜生物反应器大规模应用的实际需求，提出了可控式间歇性活塞流曝气的新方法，并对工业型平板膜组件进行流体力学优化设计。王冰等通过CFD模拟计算与实验并重的研究手段，成功揭示了新型活塞流曝气的气泡发展规律、形态及其尺寸（图1），证实了该方法的应用可行性。并对大型平板膜生物反应器进行最优化的工业设计，通过多片平板膜间活塞流气泡引起的剪应力及曝气总量进行准确性评估分析（图2），发现该新型活塞流曝气方法在有效增强剪应力的同时大大节约能耗50%左右。这些研究结果对解决MBR膜污染控制问题和平板膜生物反应器曝气能耗偏高等工程科学问题具有重要意义。上述最新研究进展发表于该领域国际期刊AIChE Journal 和Journal of Membrane Science上。（B. Wang, K. S. Zhang*, R. W. Field. Novel aeration of a large-scale flat sheet MBR: a CFD and experimental investigation. AIChE J. 2018, 64: 2721–2736; B. Wang, K. S. Zhang*, R. W. Field. Slug bubbling in flat at sheet MBRs: Hydrodynamic optimization of membrane design variables through computational and experimental studies. J. Membrane. Sci. 2018, 548: 165-175）。

该研究获得了中科院前沿科学重点研究项目（优秀青年科学家）(QYZDB-SSW-DQC044)和中科院国际合作重点项目(132C35KYSB20160018)的资助。

图1（a）正视图-气泡聚并与活塞流气泡形态；（b）侧视图-活塞流气泡在多个通道间的分布（已显示14个通道，可通过对称边界条件得到含≥99个通道内的结果）。

图2（a）平板膜间（通道内）活塞流气泡形态及尺寸；（b）活塞流气泡引入的剪应力分布；（c）不同膜组件设计下的气泡平均剪应力定量分析；（d）不同曝气方法的曝气量对比。