文献信息：Min Y, Chen D, Wu J J, et al. Design, optimization and evaluation of wavy channels in a flat-sheet membrane bioreactor [J]. Chemical Engineering Research and Design, 2025, 215, 208-221.（点击文末阅读全文可直达）1、研究背景膜生物反应器（MBR）常用于高效处理废水，但膜污染是限制其性能的主要障碍。生物污染是膜污染的主要原因，会导致能耗增加、运行成本上升及膜寿命缩短。通过设计构建特殊的膜表面结构和形状的技术称为膜的图样化，可以有效改善膜表面流体力学行为从而调控膜污染程度。但该技术目前存在成本高、工艺复杂等问题，且精细图案易引发局部堵塞。此外，现有研究多集中于循环式MBR（R-MBR），而对浸没式MBR（S-MBR）的探索有限。由于S-MBR中膜面流体的局部流动由曝气产生的气泡推动，流场分布比R-MBR中稳定流动的流体更加复杂。因此，需针对S-MBR中图案化膜过程进行更精细的流体力学研究，以提升其工程应用中的临界通量和抗污染性能。2、创新点作者设计了一种具有波浪形表面结构的新型图案化膜（PS膜），与传统的平板膜 (FS) 相比，具有更好的抗污染性能。此外，首次将具有宏观尺度下波浪形结构的膜片与浸没式MBR结合，为规模化应用提供技术路径。该研究通过波浪形膜设计，以低成本、易制造的创新方案，显著提升了MBR的抗污染性能与能效，为废水处理技术的优化提供了新思路。3、实验方法研究使用 ANSYS Fluent 2023 R1 软件进行三维气液两相流模拟，研究气泡分布和剪切力分布。构建实验室规模的MBR反应器（图1），并使用聚偏氟乙烯微孔（PVDF）膜进行实验。此外，使用酵母悬浮液作为污染物以模拟生物污染。通过测量跨膜压差（TMP）、膜通量、渗透率和污染阻力来评估膜的污染性能。使用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和扫描电子显微镜（SEM）观察膜表面污染物的沉积情况。最后使用电化学探针法测量膜表面的剪切力分布以验证CFD模拟的有效性。             图1 实验装置的示意图。4、实验结果4.1 波浪形平板膜（PS）的设计与优化4.1.1 PS膜的设计从CFD模拟结果可以看出，PS膜的基本设计（PS-O膜）产生的气泡比FS膜更大（图2a）。PS-O膜表面的剪切应力分布比FS膜更均匀，剪切应力达到2.0 Pa的区域更大（图2b）。PS-O膜表面的剪切应力分布呈现波峰和波谷交替的周期性分布，波谷处的剪切应力远小于波峰处（图2c）。PS-O膜的波浪形结构可以改善膜表面的流体动力学特性，提高剪切应力分布的均匀性。然而，PS-O膜表面的剪切力分布仍然存在波动，可能不利于长期运行。因此，需要进一步优化PS膜的设计，以提高其抗污染性能。       图2 PS膜的CFD结果：（a）段塞气泡分布；（b）膜壁剪切力；（c）剪切力沿两条观察线随高度的变化。4.1.2 PS膜的优化作者设计六个不同的PS膜方案（PS-1—PS-6），通过改变通道宽度 (DWC)、弦长 (CL) 和弧形高度 (LH) 来优化膜的几何参数（图3）。PS-1和 PS-5膜的剪切力分布仍然存在波动，其中波峰处的剪切力较高，而波谷处的剪切力较低。PS-4膜的剪切力分布最均匀，其在膜表面几乎连续分布。且PS-4膜的剪切力覆盖面积更大，可以有效避免局部污染物积聚。总的来说，PS-4膜是最优的，其剪切应力分布最均匀，抗污染性能最佳。以上结果还显示弦长 (CL) 是影响剪切力分布的重要因素。              图3 不同图案化膜的形状参数（LH：弧最低点到最高点的距离；CL：弦长；DWC：流道最宽点的距离）以及三种优选方案（PS-1、PS-4、PS-5）的剪切力对比。4.2 FS膜与PS膜的实验对比4.2.1剪切力的对比从图4中可以看出，CFD模拟结果与电化学传感器实测结果的误差小于8%，表明CFD模型可以有效地模拟MBR系统的流体动力学，为 PS膜的设计和优化提供指导。PS-4膜表面的剪切应力分布更均匀，避免了FS膜表面剪切力集中在膜中间部分的问题。              图4 CFD模拟结果与电化学探针实验结果的剪切力的比较。4.2.2 抗污染性能本研究进一步分析了FS膜和PS-4膜在三种不同曝气速率下的跨膜压差（TMP）、膜通量和污染阻力（图5）。随着曝气速率的增加，PS-MBR的TMP上升速度始终慢于FS-MBR，且最终TMP更低。PS膜的污染阻力随着剪切力的增加呈现先降低后升高的现象（图6b），并在1 m/s的曝气速率下，PS膜的抗污染性能最佳。该结果表明，PS膜比FS膜更耐污染。然而在1.5m/s的曝气速度下PS膜总体变化相对较小，这可能是由于强烈的湍流导致酵母细胞的黏附能力较弱。         图5 FS和PS膜在三种曝气速度下的实验结果：（a） TMP的变化；（b）通量变化；（c）渗透率的变化；（d污染阻力的演化。    4.2.3 剪切力与污染阻力的关系随着曝气速度的增加，FS膜和PS膜表面的平均剪切力均呈上升趋势，且PS膜表面的平均剪切应力大于FS膜（图6a），这说明PS膜的结构特征能够在一定程度上增强气泡对膜表面的剪切作用。PS膜的平均剪切力与膜污染阻力的关系呈现出先降低后上升的趋势（图6b）。虽然最大剪切力出现在最大曝气强度下，但PS膜的特殊结构在1.0 m/s的曝气速度下带来了更大的差异效益（更优异的抗污染性能和更低的膜污染阻力）。这表明在1.0 m/s的曝气速度下，PS膜的抗污染性能优于FS膜，能够更有效地控制膜污染。    图6 剪切力与污染阻力的内在关系。4.2.4 CLSM和SEM结果图7中CLSM和SEM结果显示，在1.5 m/s的曝气速度下，FS膜和PS膜表面均被生物膜覆盖，但PS膜表面的生物膜更薄、更均匀且结构更疏松。而FS膜表面生物膜则斑驳且致密。此外，两种膜的膜孔内均存在生物膜，但未完全堵塞膜内空隙。这些结果表明PS膜具有更好的抗污染性能。                图7 污染后膜的CLSM和SEM图像：（a） CLSM图像；（b）膜表面SEM图像；（c）膜截面的SEM图像。4.3 曝气量消耗CFD模拟结果表明，PS-MBR所需的曝气量仅为典型FS-MBR的50%，这意味着PS-MBR能够显著降低

通过优化波浪形结构参数，PS膜能够实现更均匀的气泡分布和剪切力，从而有效冲刷和去除膜表面污染物，延长膜寿命并降低运行成本。同时，PS膜可降低MBR工艺的曝气能耗，提高能源利用效率，为MBR的节能运行提供了一种新的解决方案。

本文主要针对膜本身进行结构优化，未来可进一步探索更高效的膜组件排列方式（小编注：论文3.3节已有部分相关结果），以改善气液分布与传质效果。目前作者主要使用酵母悬浊液开展污染实验，尚缺乏对真实活性污泥废水（如含较强黏附性胞外多糖的体系）的充分验证。后续可研究PS膜对细菌、病毒、油脂等其他污染物的抗污染性能。

该研究方法也可拓展至中空纤维膜的结构设计与优化。通过改变膜丝表面结构（如微结构、粗糙度、亲水性等），可改善流体动力学条件，从而进一步提升其抗污染性能。