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Superior performance of a membrane bioreactor through innovative in-situ aeration and structural optimization using computational fluid dynamics

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作者
Liguo Shen,Qihang Wu,Qunfeng Ye,Hongjun Lin,Jianzhen Zhang,Cheng Chen,Yue Rong,Jiaheng Teng,Huachang Hong,Baoqiang Liao
出处
期刊:Water Research [Elsevier BV]
卷期号:243: 120353-120353 被引量:67
标识
DOI:10.1016/j.watres.2023.120353
摘要

The optimization of membrane bioreactors (MBRs) involves a critical challenge in structural design for mitigation of membrane fouling. To address this issue, a three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model was utilized in this study to simulate the hydrodynamic characteristics of a flat sheet (FS) MBR. The optimization of the membrane module configuration and operating conditions was performed by investigating key parameters that altered the shear stress and liquid velocity. The mixed liquor suspended solids (MLSS) concentration was found to increase the shear stress, leading to a more uniform distribution of shear stress. By optimizing the appropriate bubble diameter to 5 mm, the shear stress on the membrane surface was optimized with relatively uniform distribution. Additionally, extending the side baffle length dramatically improved the uniformity of the shear stress distribution on each membrane. A novel in-situ aeration method was also discovered to promote turbulent kinetic energy by 200 times compared with traditional aeration modes, leading to a more uniform bubble streamline. As a result, the novel in-situ aeration method demonstrated superior membrane antifouling potential in the MBR. This work provides a new approach for the structural design and optimization of MBRs. The innovative combination of the CFD model, optimization techniques, and novel in-situ aeration method has provided a substantial contribution to the advancement of membrane separation technology in wastewater treatment.
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