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膜生物反应器(Membrane bioreactor，MBR)因出水水质好、占地面积少、剩余污泥少等优点在水污染控制与水回用领域得到广泛应用，但膜污染和运行能耗高仍是制约其发展的关键因素。MBR分为一体式和分置式两种，传统一体式MBR运行能耗低(0.6～2 kW·h/m3)，但膜组件清洗维护较复杂;传统分置式MBR膜清洗方便，但能耗较高(3～4 kW·h/m3)。基于此，本课题组开发的气升循环分体式MBR结合了分体式和一体式MBR的优点，具有运行能耗较低、膜组件清洗和维护方便的特点，并已有大量工程应用。但由于其结构复杂，反应器水力学条件不清楚，相关设计和运行参数常采用经验或半经验方法取得，致使该技术常难以在优化工作状态下运行，膜污染控制效率较低和运行能耗较高的问题仍制约着其推广应用。
为此，本研究基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法，并辅以敏感性分析和响应面分析方法，以气升循环分体式MBR为研究对象，系统展开了该MBR水力学条件模拟与优化研究。主要包括膜单元曝气器布局、H循环管尺寸及其他MBR主要结构参数的优化，以及曝气强度等运行参数优化。取得如下主要结论:
1)揭示了MBR膜污染和运行能耗高的内在流体力学原因:
在MBR膜组件中存在着气水混合流冲刷不均匀现象，使得一定比例的膜组件和膜面积未能充分发挥有效作用。同时，膜面低流速边界层现象是导致膜污染加重，运行能耗升高的重要原因，且表明仅通过增大曝气强度控制膜污染的方法存在局限性。
2)膜单元曝气器布局优化研究结果表明，增加气液混合高度和曝气面积可提高反应器混合程度和膜冲刷强度及均匀性，有利于膜污染控制;而曝气器位置升高会使MBR流场分布的均匀性下降;
3)气升循环分体式MBR中H循环管的作用是实现生物单元和膜单元之间的有效水力循环，具有必要性;H循环管管径与系统循环量呈正相关关系，随H循环管管径增大，MBR循环流量增大直至达到饱和;但H循环管管径的利用效率是存在优化值的;推导得出H循环管内流速计算公式为:U=1/nR2/3[(H0/l(Qa1/v1A1-Qa2/v2A2)]1/2。
4) MBR重要构型参数优化结果表明，膜组件摆放位置应以反应器截面形状为近似正方形为先，当反应器为类正方形布局，膜单元和生物单元为对称布局，膜单元和生物单元截面比为1∶1.5，膜组件上升流占膜单元截面比为50％,挡板高度的设置保证溢流高度大于100mm时，气升循环分体式MBR的水力学条件较优。基于以上构型优化结果，课题组提出一种新型一体化A2/O-MBR。
5)响应面分析得出本研究优化运行方案为:膜池曝气量4.67m3/h、生化池曝气量2.04m3/h、污泥粘度1.57mPa·s，相比经验运行方案，不仅能提高反应器水力学性能，还能减少膜单元曝气量、降低能耗。
本研究模拟结果经实验验证具有可靠性，研究结果可为低耗高效MBR技术的设计和开发提供科学依据和技术支持。