双轴旋转错流膜分离过程的数值模拟

　　随着膜分离技术的不断推陈出新，其低能耗、设备简单、温度要求低、分离效果好、应用范围广等优势在众多分离技术中脱颖而出[1]。目前，主动错流式膜分离设备将“静态”变为“动态”操作方式，实现主动式错流过滤，消除浓差极化，提高膜通量，并充分利用旋转产生冲刷剪切力和滤液湍流，防止滤层产生，无需曝气和反冲洗即可高效防止膜阻塞和延缓膜污染[2]。双轴结构的改进使得膜盘间交错区域相比其他区域有着较大的剪切速度，该结构的改进相比原装置有更好的錯流效果。

 

　　2 模型基本介绍

 

　　2.1 理论依据

 

　　运行时原液相对于膜表面运动产生一定的速度梯度，由于流体粘性作用而产生在膜表面的剪切力，这种剪切力的存在减小了滞留层的厚度，从而提高膜通量，同时对原液里的固体浓度也没有严格的限制。同时与膜表面接触的微粒受到以下3个力的作用：由渗透流引起的垂直于膜表面的力（∝m，u其中m为微粒质量，u为渗流速度），由错流速度v引起的平行于膜表面的向前的力（∝m，v）（如是紊流状态，则是因紊流引起的力）；由黏附及摩擦作用而引起的向后的力，如果沿膜表面向前的力大于其他的力时，颗粒就不会停留；当向前的力小于其他力的作用而无法继续跟随沿膜表面的水流运动时，颗粒便沉积在膜表面成为滤饼的一部分[3]。

 

　　2.2 模型思路与框架

 

　　在workbench建立三维物理模型后进入meshing划分网格，用MRF模型模拟旋转并设置旋转相，并根据设备的结构，对流域进行网格划分，整体采用扫掠网格划分，共计2070719个单元，在后面的计算中加入dpm模型模拟水中的污泥颗粒，为了减少计算量，将膜面设置为出口。本文根据所使用的MRF模型和膜盘转动特点，并且相间密度比接近于1，采用标准k-ε湍流模型可以利用混合物特性和混合速度可以捕捉湍流的重要特性。此模型在先前试验中已经被成功运用到旋转剪切流当中。

 

　　3 设备概况

 

　　3.1 设备原理和结构

 

　　为实现上诉原理，本文采用和以前一样的中空腔式平板膜组件、内置式集水系统、浸没式旋转机构以及程控驱动装置，使整套膜分离设备高度集成化。设备由长50cm、宽40cm、高30cm的铁制外壳和两根穿插膜组件的集水管组成。由六角网孔和中空腔式结构组成的中空腔式膜组件加载平板式有机高分子超 / 微滤膜，支撑膜板可注塑加工，膜片焊接容易，膜填充密度可达 120 /，膜组件实现单元化和模块化.原水从XOZ面垂直进入装置，经膜片过滤后沿两根中空管导出。本设备采用内置式集水系统，在进口速度分别为0.8m/s、1m/s和1.2m/s探究速度沿盘径分布情况。

 

　　3.2 运行工况条件

 

　　装置用膜为有机纤维膜，膜孔径为 0.04 μm，在每分钟130转、抽停比为13：7的条件下，两组膜盘相互“咬合”转动，含有污泥颗粒的原液由下往上以一定的初速度进入该装置，原液过滤以后由两根集水管将过滤后的水导出，浓水滞留在该装置内，与下一次原水混合。

 

　　4 结果与讨论

 

　　4.1 讨论

 

　　进口速度为1.2m/s时，水力死区压力最低为60pa，主体区域为1020pa，主体区域速度大致为1.28m/s，水力死区速度为0.512m/s，颗粒停留时间为0.114秒。

 

　　进口速度为1m/s时，水力死区压力最低为35.7pa，主体区域为860pa，主体区域速度大致为1.06m/s，水力死区速度为0.212m/s，颗粒停留时间为0.214秒。

 

　　进口速度为0.8m/s时，水力死区压力最低为43.4pa，主体区域为532pa，主体区域速度大致为0.936m/s，水力死区速度为0.425m/s，颗粒停留时间为0.31秒。

 

　　从速度沿盘径分布可知，两膜盘相互咬合，得到了速度上的一些补偿，使得中间出现了一个峰值，这个峰值的存在表明此结构的改进得到了速度上的收益，有利于弱化膜污染。

 

　　5 结论

 

　　相较于装置其他区域，在交错区域形成了水力死区从而降低了错流速度，但是由于交错区域的形成，从而减小了压力，大大地降低了颗粒沉积的可能性，同时，虽然液体速度在水力死区降低，但是污泥颗粒速度在交错区域较其他区域仅仅略有提高。随着进口速度的增大，颗粒停留的时间减小。此结构对于可使两膜组件相互得到速度上的补偿，有利于减小膜污染。