排水管道复杂流态下生物膜结构及反应特性

利用实时PCR等分子生物学技术联合Fluent流态模拟技术及PIV流场测试技术研究市政排水管道内复杂流态下生物膜菌群结构变化规律，建立流态变化与生物膜中微生物种群结构分布的映射关系；基于氧利用速率（OUR）测试技术且通过优化实验设计，研究在不同温度及溶解氧条件下，各种不同结构生物膜中好氧微生物活性及代谢特性，最终开发排水管道流体力学与生物膜好氧反应动力学耦合模型。项目研究成果将在理论上进一步揭示排水管道内有机物降解机理，为将排水管道作为反应器这一理念的应用提供理论依据和积累基础资料。

复杂的流态是排水管道最重要的特性之一，不同的流态对应着不同的流体动力学特征，生物膜的生长过程及附着过程均会受其影响，继而影响生物膜内部的生物反应特性。但对于排水管道内水力学与生物反应动力学的耦合研究，国内外尚未见报道。针对排水管道内具有复杂的流态以及存在生物膜且具有生物降解能力这一现象，本研究将微电极测试方法联合流场测试手段用于研究排水管道内复杂流态下生物膜生长动力学特征以及生物膜中物质的迁移转化规律。.研究取得的主要成果包括：1）采用光学系统和图像处理系统构建PIV测试平台，通过对不同条件下排水管道流态进行测试，获得了相应的流场信息；2）利用FLUENT软件模拟了与PIV实验相同工况下的排水管道流态，并将模拟结果与PIV测试结果进行对比，表明模拟结果具有较高可信度；3）采用响应曲面法建立了排水管道管壁剪切应力数学模型并对其进行了验证，模型具有较高的准确性；4）以流态测试及模拟结果为基准，搭建了几种典型工况下的排水管道生物膜培养装置，运行反应器以培养生物膜，对生物膜生长过程中生物膜厚度、TS及EPS进行了测试分析，得到了不同剪切力与生物膜生长过程变化的映射关系；5）在各种稳定的生物膜中，利用微电极初步研究了N元素在生物膜中的迁移转化规律。研究成果表明生物膜的生长需要合适的剪切力，在理论上进一步揭示了排水管道内有机物降解机理，为排水管道作为反应器这一理念的进一步推广及今后的实际应用提供理论依据和基础资料。