膜生物反應(yīng)器（Membrane bioreactors，MBRs)作為一種高效水處理方法，具備傳統(tǒng)污水處理工藝無法比擬的優(yōu)勢(shì)。但膜污染問題一直是困擾該技術(shù)在水處理中長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。曝氣——將氣泡引入液體中產(chǎn)生兩相流被證實(shí)為一種可有效抑制膜污染的重要手段，但其能耗占整個(gè)運(yùn)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(duì)工業(yè)大型平板膜生物反應(yīng)器建立起有效抑制膜污染且低能耗的曝氣方法。

中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所張凱松研究團(tuán)隊(duì)自2006年以來，與英國(guó)牛津大學(xué)工程科學(xué)系教授Robert W. Field團(tuán)隊(duì)開展長(zhǎng)期合作，致力于活塞流曝氣膜污染控制技術(shù)和MBR曝氣節(jié)能降耗研究。通過對(duì)平板膜表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)活塞流曝氣可引起更高強(qiáng)度膜表面剪應(yīng)力的變化，從而可更有效地控制膜污染；通過與自由曝氣機(jī)制對(duì)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(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬技術(shù)應(yīng)用于活塞流曝氣研究中，通過模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)活塞流氣泡在兩片平板膜間（單通道內(nèi)）的發(fā)展形態(tài)與尺寸，該方法建立的氣泡尺寸與剪應(yīng)力定量關(guān)系具有直觀性及更強(qiáng)的準(zhǔn)確性（Wei et al., Journl of Membrane Science,2013）。

最近，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)平板膜生物反應(yīng)器大規(guī)模應(yīng)用的實(shí)際需求，提出了可控式間歇性活塞流曝氣的新方法，并對(duì)工業(yè)型平板膜組件進(jìn)行流體力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)。王冰等通過CFD模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)并重的研究手段，成功揭示了新型活塞流曝氣的氣泡發(fā)展規(guī)律、形態(tài)及其尺寸，證實(shí)了該方法的應(yīng)用可行性。并對(duì)大型平板膜生物反應(yīng)器進(jìn)行最優(yōu)化的工業(yè)設(shè)計(jì)，通過多片平板膜間活塞流氣泡引起的剪應(yīng)力及曝氣總量進(jìn)行準(zhǔn)確性評(píng)估分析，發(fā)現(xiàn)該新型活塞流曝氣方法在有效增強(qiáng)剪應(yīng)力的同時(shí)大大節(jié)約能耗50%左右。這些研究結(jié)果對(duì)解決MBR膜污染控制問題和平板膜生物反應(yīng)器曝氣能耗偏高等工程科學(xué)問題具有重要意義。上述最新研究進(jìn)展發(fā)表于該領(lǐng)域國(guó)際期刊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）。

該研究獲得了中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（優(yōu)秀青年科學(xué)家）(QYZDB-SSW-DQC044)和中科院國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目(132C35KYSB20160018)的資助。

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