曝气池多相流作用下紊动对活性污泥特性及微生物代谢行为的影响机制研究

Turbulence is one of the most important factors for mass and energy transfer in aerobic tank, because the characteristics of activated sludge and operation efficiency of aerobic tank are determined by turbulence. Therefore, some investigations should be necessarily done for the purpose of finding the relationships between turbulent characteristics and microbial metabolism products, and the relationships between turbulent characteristics and physical-chemical characteristics of activated sludge under different hydrodynamic conditions. The hydrodynamic turbulence characteristics of aerobic tank can be achieved with the technologies of CFD (Computational Fluid dynamic) and PIV (Particle Image Velocimetry). And these characteristics contribute to obtain special parameters for expressing hydrodynamic turbulence characteristics. Based on the researches of both the hydrodynamic characteristics in aerobic tank and the action of microbial metabolism products on activated sludge evolution, a hydrodynamic- Reaction Kinetics Coupled Model will be built. With the Coupled Model, the mechanisms about influence of turbulence on activated sludge characteristics and microbial metabolism behaviors will be illustrated by multi-scale analysis method. This study will be useful for the optimization on operation and design of aerobic tank.

紊动是曝气池中物质和能量传递的重要因素，它直接影响活性污泥的特性和曝气池的运行效能。本课题拟在追踪曝气池中气、固、液多相流紊动条件下活性污泥破碎、聚集、特性演变过程的基础上，考察不同水动力条件下活性污泥理化特性和微生物代谢行为，建立水流紊动特性与活性污泥理化特性、微生物代谢产物组分和含量之间的响应规律；采用CFD技术与PIV技术相结合的方法，分析反应器中的水流紊动特性，提出表征反应器水动力特性的新指标；从微生物代谢产物在活性污泥特性演变中的作用出发，将反应器水动力特性分析成果与活性污泥动力学模型耦合，建立水动力－生化反应动力学耦合模型，利用耦合模型模拟反应器中活性污泥对污染物的降解和微生物代谢过程，通过多尺度分析，从微观、亚微观和宏观层面，阐明多相流作用下紊动对活性污泥特性及微生物代谢行为的影响机制，为曝气池的优化设计及运行提供有力的支持。

紊动是曝气池中物质和能量传递的关键因素，它直接影响活性污泥的特性和曝气池的运行效能。本研究以污水生物处理中应用最为广泛的活性污泥处理工艺为对象，在明确基质、温度、DO等反应条件对好氧生物反应影响规律的前提下，考察不同水动力条件下活性污泥理化特性和微生物代谢行为，分析曝气池内气、固、液多相流条件下的紊动特性，尝试建立水流紊动特性与活性污泥理化特性、微生物代谢产物组分和含量之间的响应规律，分析紊动对活性污泥特性及微生物代谢行为的影响机制。项目组成员通过实验室小试，研究了不同曝气强度和搅拌转速等水动力条件下反应器内活性污泥理化特性和微生物代谢产物的变化规律；在追踪曝气池中气、固、液多相流紊动条件下活性污泥破碎、聚集、特性演变过程的基础上，采用CFD技术与PIV技术相结合的方法，系统分析反应器中的微观水流紊动特性，同时解读反应器的混合特征；在前述研究的基础上，根据不同水动力条件下，活性污泥絮体聚集成核的过程及理化演变，结合胞外聚合物分层组分特性分析及过程追踪，基于扩展DLVO理论，探讨紊动对活性污泥特性及微生物代谢行为的影响机制。研究结果表明，紊动特性对微生物代谢产物的影响主要表现在细胞外层的LB-EPS上，增强紊动产生的剪切作用能够在一定程度上刺激微生物分泌更多的EPS抵抗外界环境的影响，多糖是导致EPS增加的主要原因。但过大的剪切作用，将引起微生物正常的代谢行为受到影响和抑制，导致EPS含量的降低。通过对不同紊动条件下微生物细胞间总作用能量的变化，提出了“紊动影响活性污泥微生物的代谢过程，引起胞外聚合物上多糖含量的改变，进而通过改变微生物细胞表面特性，影响絮体相互作用能量，最终导致活性污泥絮体聚集特性演变”的作用机制。从微生物代谢产物在活性污泥特性演变中的作用出发，将反应器水动力特性分析成果与活性污泥动力学模型耦合，建立水动力－生化反应动力学耦合模型，利用耦合模型模拟反应器中活性污泥对污染物的降解和微生物代谢过程，通过多尺度分析，进一步阐明多相流作用下紊动对活性污泥特性及微生物代谢行为的影响过程，为曝气池的优化设计及运行提供有力的支持。