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          平板膜生物反應器活塞流曝氣流態優化與節能降耗研究

          發表日期:2018-06-22 10:02文章編輯:國初科技瀏覽次數: 標簽:    

                據中科院城環所官網2018年6月19日訊 膜生物反應器(Membrane bioreactors,MBRs)作為一種高效水處理方法,具備傳統污水處理工藝無法比擬的優勢。但膜污染問題一直是困擾該技術在水處理中長期穩定運行和廣泛應用的關鍵因素。曝氣—將氣泡引入液體中產生兩相流被證實為一種可有效抑制膜污染的重要手段,但其能耗占整個運行能耗的70%以上,是造成MBR高能耗的主要因素。然而以往的研究鮮有針對工業大型平板膜生物反應器建立起有效抑制膜污染且低能耗的曝氣方法。
            張凱松研究團隊自2006年以來,與英國牛津大學工程科學系Robert W. Field教授團隊開展長期合作,致力于活塞流曝氣膜污染控制技術和MBR曝氣節能降耗研究。通過對平板膜表面傳質系數的測量,發現活塞流曝氣可引起更高強度膜表面剪應力的變化,從而可更有效的控制膜污染;通過與自由曝氣機制對比,活塞流曝氣還可大大降低曝氣能耗(Zhang et al., Journl of Membrane Science, 2009;Desalination,2011)。隨后將計算流體力學 (Computational Fluid Dynamics,CFD)模擬技術應用于活塞流曝氣研究中,通過模擬與實驗結果對比分析,發現活塞流氣泡在兩片平板膜間(單通道內)的發展形態與尺寸,該方法建立的氣泡尺寸與剪應力定量關系具有直觀性及更強的準確性(Wei et al., Journl of Membrane Science,2013)。
            最近,研究團隊針對平板膜生物反應器大規模應用的實際需求,提出了可控式間歇性活塞流曝氣的新方法,并對工業型平板膜組件進行流體力學優化設計。王冰博士等通過CFD模擬計算與實驗并重的研究手段,成功揭示了新型活塞流曝氣的氣泡發展規律、形態、及其尺寸(圖1),證實了該方法的應用可行性。并對大型平板膜生物反應器進行最優化的工業設計,通過多片平板膜間活塞流氣泡引起的剪應力及曝氣總量進行準確性評估分析 (圖2),發現該新型活塞流曝氣方法在有效增強剪應力的同時大大節約能 耗50%左右。這些研究結果對解決MBR膜污染控制問題和平板膜生物反應器曝氣能耗偏高等工程科學問題具有重要意義。上述最新研究進展發表于本領域國際頂級期刊《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)。

           

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          圖1 (a)正視圖-氣泡聚并與活塞流氣泡形態;(b)側視圖-活塞流氣泡在多個通道間的分布(已顯示14個通道,可通過對稱邊界條件得到含≥99個通道內的結果)。

           

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          圖2 (a)平板膜間(通道內)活塞流氣泡形態及尺寸;(b)活塞流氣泡引入的剪應力分布;(c)不同膜組件設計下的氣泡平均剪應力定量分析;(d)不同曝氣方法的曝氣量對比。


            本研究獲得了中國科學院前沿科學重點研究項(優秀青年科學家) (QYZDB-SSW-DQC044)和中國科學院國際合作重點項(132C35KYSB20160018)的資助。

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