Numerical investigation of the aeration process in the MBR system equipped with a flat sheet membrane module

This PhD study is devoted to numerically quantify the hydrodynamic characteristics in FS modules, such as shear stress distribution on the membrane surface and flow field distribution in membrane channels, under different operational and configurational conditions, so that it can provide some hints for the design and the operation of FS membrane modules. For this, interDyMFoam with the volume of fluid (VOF) method for modeling gas-liquid two-phase flow and the self-developed solver (interSolidFoam) coupled with the sludge models for modeling quasi gas-liquid-solid three-phase flow are adopted to simulate the ascent of single bubble and bubble swarms in FS membrane channels with the liquid medium of water and activated sludge, respectively. The critical parameters of the aeration process in FS modules, such as airflow rate, bubble size, superimposed liquid velocity, membrane channel depth, and MLSS concentration, are investigated in numerical models, and their effects are examined fundamentally. The models are validated against the experimental data from the literature in terms of bubble terminal rise velocity, and a good agreement is obtained between them. Numerical results reveal that the best performance is achieved at the narrowest membrane gap distance investigated, where the maximum shear stress is obtained under the same operational conditions. Therefore, it is recommended that the smallest membrane channel of 6 mm should be applied to the FS membrane modules for better membrane fouling control. Besides, the operational parameters affect the hydrodynamics in the FS membrane module significantly. Among all of the varied parameters, MLSS concentration, namely the rheology of non-Newtonian fluid, affects the bubble ascent behavior most. Airflow rate and superimposed liquid velocity are the parameters that have the most substantial influence regarding areaweighted shear stress, where a generally rising trend is observed with an increase in superimposed liquid velocity or an increase in airflow rate.

Diese Dissertation widmet sich der numerischen Quantifizierung der hydrodynamischen Eigenschaften in FS-Modulen, wie z.B. Scherspannungsverteilung auf der Membranoberfläche und Strömungsfeldverteilung in Membrankanälen, unter verschiedenen Betriebs- und Konfigurationsbedingungen, um einige Hinweise für die Auslegung und den Betrieb von FS-Membranmodulen zu geben. Hierzu werden interDyMFoam mit der Volume of Fluid (VOF)-Methode zur Modellierung von Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenströmung und der selbst entwickelte Solver (interSolidFoam) gekoppelt mit den Schlammmodellen zur Modellierung von Quasi-Gas-Flüssigkeits-Feststoff-Dreiphasenströmung eingesetzt, um den Aufstieg von Einzelblasen- und Blasenschwärmen in FS-Membrankanälen mit dem flüssigen Medium Wasser bzw. Belebtschlamm zu simulieren. Die kritischen Parameter des Belüftungsprozesses in den FS-Modulen, wie Luftdurchsatz, Blasengröße, überlagerte Flüssigkeitsgeschwindigkeit, Membrankanaltiefe und MLSS-Konzentration, werden in numerischen Modellen untersucht und ihre Auswirkungen grundlegend untersucht. Die Modelle werden mit den experimentellen Daten aus der Literatur in Bezug auf die Aufstiegsgeschwindigkeit der Blasenterminals validiert, und es wird eine gute Übereinstimmung zwischen ihnen erzielt. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass die beste Leistung bei dem untersuchten engsten Membranspaltabstand erreicht wird, wo die maximale Scherspannung unter den gleichen Betriebsbedingungen erreicht wird. Daher wird empfohlen, den kleinsten Membrankanal von 6 mm auf die FS-Membranmodule anzuwenden, um eine bessere Kontrolle des Membranfoulings zu erreichen. Außerdem beeinflussen die Betriebsparameter die Hydrodynamik im FS-Membranmodul erheblich. Von allen variierten Parametern beeinflusst die MLSS-Konzentration, nämlich die Rheologie der nicht-newtonschen Flüssigkeit, das Aufstiegsverhalten der Blasen am stärksten. Die Luftdurchflussrate und die Geschwindigkeit der überlagerten Flüssigkeit sind die Parameter, die den größten Einfluss auf die flächengewichtete Scherspannung haben, wobei ein allgemein steigender Trend mit einer Zunahme der Geschwindigkeit der überlagerten Flüssigkeit oder einer Zunahme der Luftdurchflussrate beobachtet wird.