膜生物反应器(Membrane Bioreactor,MBR)是一种结合活性污泥法与膜分离的高效废水处理技术,具有优良的处理效果以及占地面积小、剩余污泥量少等优点,已成为废水处理领域被广泛使用的技术,但膜组件易污染,导致MBR工艺的成本较高。只有解决膜污染问题才可有效提高膜组件利用效率降低成本,目前除实验研究外,还可以通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的方法作为高效的流体模拟工具,高精度的定量模拟流场,对其SMBR内部进行考察。模拟和实验相比,可以得到更多流场内重要的水力学特征,如膜内速度,渗透速度等,从微观层面了解MBR的传质特性,并对MBR优化提供帮助。研究分别采用了ANSYS14.5软件中的ICEM软件和FLUENT软件,并以工程应用最广泛的浸没式中空纤维膜反应器(Submerged Membrane Bioreactor,SMBR)作为研究对象。首先比较应用最多的壁面模型与多孔介质模型的模拟差异,通过查阅文献和实验的方法进行验证模拟,结果如下:1.壁面模型由于缺少渗透且整个反应器出水口单一,反应器内部湍流量大,呈现出的数据和云图波动更大。多孔介质模型虽然有计算量大,收敛难度大,剪切力不易计算等难点,但其中产生渗透速度、渗透竞争、膜内速度等流场情况,数值波动小,和实验、文献数据相比更符合真实SMBR流场。因此,多孔介质模型更利于探究SMBR内的传质特性。2.模拟以三相流为主,将污泥相态以更利于计算的拟流体形态导入,模拟不同膜间距和不同膜丝直径等参数的水力学特征,如膜外膜内流速、液相流速、污泥堆积等,并通过多种实验方式对模拟数据进行验证,取得主要结果如下:(1)考察膜丝间距为1 mm、4mm时,九根膜丝组成的膜组件反应器内的水力学特征。结果表明,当膜间距较小时,会形成更多的低速与缓速区,尤其在膜组件内部,使得膜组件内污泥相更容易堆积。扩大膜丝间距优化了区域流场水力学条件,单根膜丝上冲刷效果提升,抗膜污染能力较好,污染情况明显好于1mm膜间距。膜间距越小,膜丝之间相互阻挡、竞争作用越明显,并且膜丝会形成一个大的多孔介质区域,形成相差较大的内外流场,靠近外流场面积大的角膜、边膜受到污染较少,中央膜位置水力学条件差,受污染严重,增大膜间距膜丝位置差距仍存在。(2)考察1mm膜间距下,膜丝直径1mm和2mm的水力学条件,污泥浓度和膜丝之间流场宽度是形成不同污染程度的主因。增加膜直径的同时,膜丝之间的流道面积增大,内部上升流较快,提供稳定的膜面冲刷作用,不易形成污染。但直径越大,渗透作用影响范围更大,在污泥浓度较高时,污染情况相对应增加。膜丝表面曲率的增大,使得膜内外湍动能更稳定,膜面污染层厚度相较于1mm直径膜丝更小。论证分析增大膜直径可以提高膜丝的通量,对角膜丝位置提升最多。通过网格验证,把实验中各位置膜丝膜内速度和酵母菌电镜扫描图和模拟数据进行对应比较并确认模拟数据的准确可靠性。