移动床生物膜反应器中生物载体构型对流体动力学特性的影响：基于CFD的结构化与随机排列对比研究

本研究通过计算流体力学(CFD)模拟，系统分析了移动床生物膜反应器(MBBR)中矩形/交错网格(结构化)与松散/密集随机(非结构化)生物载体排列对空气分布、水流速度剖面及压降的关键影响。结果表明结构化排列能提升流动稳定性与能源效率，而随机排列适用于需强化混合的高BOD废水处理，为MBBR设计优化提供了重要理论依据。

　　

在污水处理领域，移动床生物膜反应器(MBBR)因其高效、紧凑的特点成为研究热点，但生物载体的空间排列如何影响反应器性能仍是未解难题。传统观点认为载体在曝气作用下随机运动，初始排列无关紧要，然而越来越多的证据表明，载体分布模式会显著改变流体动力学行为，进而影响氧传递、生物膜生长乃至整个系统的能耗效率。这种认知空白导致实际工程中常出现局部死区、曝气不均等问题，亟需从流体力学角度揭示其内在机制。

针对这一挑战，研究人员开展了基于计算流体力学(CFD)的仿真研究，成果发表于《Bioresource Technology Reports》。该研究创新性地对比了四种生物载体构型：矩形网格、交错网格两种结构化排列，以及松散随机、密集随机两种非结构化排列。通过建立二维多相流模型，采用ANSYS Workbench 2024平台结合欧拉多相模型和k-ε湍流模型，量化分析了不同构型下空气体积分数(AVF)、水流速度场和压降等关键参数。

关键技术方法包括：1) 建立含9个高密度聚乙烯(HDPE)穿孔生物载体的二维反应器模型，载体直径30 mm，孔隙率45%；2) 应用欧拉多相流模型模拟水-气-生物载体相互作用；3) 采用k-ε湍流模型捕捉复杂流动特征；4) 通过对比结构化与非结构化排列的AVF分布、速度剖面等参数评估性能差异。

【数值模型设置】
研究采用具有5090 mm²表面积的穿孔生物球，设置四种空间构型。模型通过调整载体间距实现不同排列密度，其中结构化排列保持严格几何对称，而非结构化排列引入随机位置扰动。

【结构化与非结构化生物载体排列的空气体积分数比较】
矩形网格展现出最均匀的AVF分布(峰值0.35)，而交错网格出现局部高氧区(AVF 0.53)与低氧区(AVF 0.01)交替现象。密集随机排列产生显著流动分离，导致30%区域AVF低于0.1，证实非结构化排列易形成氧传递盲区。

【结论与建议】
结构化排列尤其是矩形网格构型，能实现最优的流体稳定性——压降降低17%，能量消耗减少23%，同时维持生物膜均匀生长。而交错网格虽增强局部混合，但能耗增加15%。研究建议高BOD废水可采用适度随机排列以强化湍流混合，但需控制载体密度避免死区形成。

这项研究首次系统论证了生物载体初始排列对MBBR长期运行的深远影响：结构化设计通过优化流场结构，可使氧传递效率提升40%，同时降低系统能耗。该发现为"精准水力设计"理念提供了理论支撑，对实现污水处理厂的节能降耗具有重要实践价值。作者团队特别指出，未来需结合三维模型进一步验证局部涡流效应，并开发混合排列策略以兼顾处理效率与能耗平衡。