好氧颗粒污泥的力学解析及结构稳定性响应机制

Aerobic granules are dense and strong microbial structure, good settling ability, diversity of microorganisms, comparing with activated sludge flocs.This technolgy has good application prospect. Its full-scale application has been hindered because of its instability. Although the effects of operating conditions and granule characteristics on stability have been investigated by experiments, the other important factor, i.e., force analysis has rarely been studied. If the mechanisms of aerobic granules instability can be fully understood, quantitative control strategies can be provided for stable operation. On the basis of experiments of breakage of aerobic granules, the quantitative relation between operating factors and EPS distribution, macrostructure of reactors, microstructure of aerobic granules and granule instability were determined. The force of granule surface and inner granule with different EPS distributions and microstructures at different operating conditions were analysed using computational fluid dynamics and elastic-plastic mechanics. The interactions among operating conditions, EPS distribution and microstructure, force distribution, and critical state of granules were developed. Responding mechanism between operating conditions and stability of granules was determined. It is hoped that the results can provide foundations for stable operation and application of aerobic granules.

好氧颗粒污泥较絮体活性污泥结构致密、沉降性能好、多样化微生物代谢菌群共存与协同耦合，具有较好的应用前景，目前其产业化应用遇到的一个主要瓶颈是稳定性较差。尽管研究者已通过实验得到运行条件和颗粒特性对稳定性影响的定性规律，但结构破坏的另一决定因素-受力分析尚未能充分了解。本项目在颗粒污泥解体实验研究基础上，结合宏观反应器和微尺度颗粒的多尺度分析，进行多个生化反应耦合，构建操作要素与颗粒特性的定量关系；通过颗粒污泥反应器三相流体力学模拟，确定操作要素与颗粒表面受力的定量关系；利用弹塑性力学理论，对三维重建的颗粒污泥进行内部受力解析，确定不同操作要素下不同特性颗粒内部应力和应变分布；建立操作要素-颗粒特性-颗粒内外部受力分布-解体临界状态之间的定量关系，提出以各操作要素为响应参数，以解体临界条件为防控目标的操作要素与结构稳定性响应机制，为提高好氧颗粒污泥稳定性和应用前景提供科学依据。

好氧颗粒污泥技术因其对城镇与工业污水的高效处理而被广泛关注。研究表明，好氧颗粒污泥污泥结构致密、沉降性能好、生物活性强，具有较好的应用前景。然而，好氧颗粒污泥的不稳定性仍然是阻碍其进行实际应用的主要瓶颈。尽管有不少学者提出了强化好氧颗粒稳定性的方法，但未能在力学角度对颗粒结构破坏进行定量分析。.本项目在不同操作要素下对颗粒污泥和反应器特征参数变化规律进行实验研究。在颗粒污泥解体实验研究基础上，构建操作要素与微生物产物组成分布、颗粒微结构的定量关系。借助反应器宏观模型、颗粒三维微尺度模型和各子过程模型的动态耦合，构建操作要素与胞外多聚物组成分布、颗粒微结构的定量关系。利用颗粒污泥的计算流体力学和弹塑性力学特征解析，进行颗粒表面内部受力分布模拟，建立操作要素—颗粒微结构和微生物产物组成分布—颗粒内部受力分布—解体临界状态之间的定量关系。.本项目获得的重要结果和数据包括：本项目采用实验和数值模拟相结合的方式，构建操作要素与微生物产物组成分布、颗粒微结构的定量关系，利用颗粒污泥的计算流体力学和弹塑性力学特征解析，确定不同操作要素下颗粒污泥表面受力和不同微结构和EPS组成颗粒内部应力和应变分布；借助分形理论得到好氧颗粒污泥的水力特性参数，模拟了具有渗透性的单个颗粒污泥在不同孔隙率和外部流体速度下的水力特性，模拟结果得到了初级粒子直径的增加均会导致颗粒内部对流的提高，提高颗粒的孔隙率有助于降低颗粒表面所受总压力；基于气液两相流建立好氧颗粒污泥的流固耦合模型，发现颗粒的孔隙率对应力减少的关键作用。.本项目的研究为颗粒污泥稳定维持提供理论指导和科学依据，具有重要的理论意义和实用价值。