膜生物反应器(Membrane Bioreactor,MBR)是一种通过膜强化生物反应的高效废水处理技术,由于其具有处理效果好、占地面积小、剩余污泥量少等优点,已在废水处理工程领域得到广泛应用。目前的MBR设计方法和常用的生物动力学依据均假定在MBR内部气液固三项完全混合,而忽略了反应器内部实际的水力学情况。事实上,这些水力学特征,如气相和液相速度分布、湍动能分布等对优化传质效果、减缓膜污染和提高系统能量利用率均具有显著影响。然而由于反应器内气液固三相湍流的复杂性和膜组件内部监测点位无法测定等客观原因,使现有MBR系统中尚无法通过实验监测手段表征这些重要的水力学特征。因此,通过理论模拟手段对MBR内的水力学特征进行研究,其中,计算机流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法作为一种高效的流体模拟工具,能准确模拟,高精度定量流场,将其应用于MBR系统内水力学特征的考察,有望从微观层面对系统的膜污染预防和运行参数决策进行有效研究,并为新型MBR的优化设计提出依据。本研究采用CFD方法中的FLUENT软件,以目前工程中应用最多的中空纤维膜浸没式生物反应器(Submerged Membrane Bioreactor,SMBR)为研究对象,进行气液两相流模拟,系统展开三个重要参数(膜丝直径、曝气速度和气泡大小)对反应器中水力学特征,如气相和液相速度、气含率、湍动能和膜面剪切力的影响。通过模拟反应器中单根膜丝下不同流场情况,分析水力学特征对膜污染的影响;并通过模拟九根膜丝组件中不同流场分布,考察水力学特征以及膜丝间相互作用对膜污染的影响。通过查阅文献的方法,间接验证了模拟结果的准确性。取得的主要结论如下:(1)分别考察膜丝直径为1 mm、3mm、5mm的条件下,单根膜和九根膜组件反应器内的水力学特征。结果表明,随着膜丝直径的增加,反应器上部的气相速度明显增大,液相速度在气相速度的带动下逐渐增加,膜组件两侧的湍动能明显增加。说明在粗膜丝条件下,反应器上部的膜丝也能得到有效的水气冲刷,减缓膜污染。(2)分别考察曝气速度为0.1m/s、0.3m/s和0.5m/s的情况下,SMBR系统内的水力学特征。在单根膜丝和九根膜丝组件的反应器中,随着曝气速度的增加,气相和液相速度的不均匀性增大,在反应器内出现超过1 m/s的高速区域。由于使用壁面模型,将膜丝作为障碍物,使得液相速度随气相速度的变化较明显。九根膜丝作为更大的障碍物,使其反应器内的速度分布不均匀性大于单根膜丝反应器,出现组件单侧速度增加的现象。曝气速度增加,反应器底部的气含率增加,但气含率没有随反应器的高度增加,反应器中上部的气含率几乎为零,说明好氧微生物主要在反应器底部完成对有机物的降解。湍动能也随着曝气速度的增加而增加,无论是单根膜还是九根膜组件,曝气速度为0.5m/s下的湍动能最大。(3)分别考察气泡直径为1 mm、3mm和5mm的情况下,SMBR系统内的水力学特征。单根膜组件和九根膜组件中,随着气泡直径的增大,气相速度和液相速度在反应器内不均匀性的增加,在反应器内均出现高于1.1m/s的高速区域,使得反应器内气水混合性增强。但反应器中的气含率变化不明显,特别是当气泡直径为3mm和5mm时,其气含率分布类似。大气泡产生的尾流大于小气泡,使直径为5mm的气泡下,产生的湍动能最大。而由于九根膜丝组件离反应器壁较近,使膜组件两侧的湍动能随着高度的增加明显减小。(4)通过相同参数下的单根膜和九根膜组件流场分布的比较发现,由于九根膜组件在反应器内的体积较大,与反应器壁的距离较近,使反应器中流场更不均匀,在靠近反应器壁处出现速度超过1.1m/s的流场面积更大。九根膜丝组件膜丝间的间隙为4mm,使1mm的气泡能进入组件中,在组件下部产生明显流场,但由于膜丝间的相互作用,气相和液相速度无法如单根膜一样均匀分布,使组件内的膜丝间污染程度不同。(5)九根膜组件中,侧面膜丝截面附近的气相和液相速度明显高于中间膜丝截面和膜丝间截面,其湍动能也最大,说明膜组件外侧受到的冲刷最大。膜面剪切力的模拟结果显示,不同膜丝位置下,膜面剪切力值呈现出较大差异,侧面膜丝的剪切力最大,角落膜丝次之,中心位置膜丝的剪切力最小。但剪切力都集中在膜丝下部。说明膜组件中上部的膜丝更容易出现污染。