基于团聚及水力剪切的好氧颗粒污泥形成-解体动态平衡模型开发及高效稳定运行调控策略研究

Aiming at aerobic granular sludge instability and disintegration, this project, which was based on reactor flow field determination, aggregation behavior and hydraulic shear distribution analysis, intends to establish function correlation between flow characteristics, aggregation characteristics and granule size, as well as function correlation between hydraulic shear characteristics and granules characteristics. As granule formation and growth are affected by aggregation behavior, and hydraulic shear stress could influence mass transfer and decrease granule size, a formation-disintegration dynamic equilibrium of aerobic granular sludge basing on aggregation and hydraulic shear stress was established to explore the mechanism of hydraulics during granular structure stabilization process. Based on this dynamic equilibrium, granule size optimization could be achieved by hydraulic shear stress control and aggregation behavior adjustment. Relative regulation strategies for the stable and efficient operation of aerobic granular sludge would thus be developed.

针对好氧污泥颗粒容易失稳解体的问题，项目提出通过反应器流场测定、团聚行为分析及水力剪切分布研究，建立流场特征指标、团聚特征指标及颗粒粒径间函数关联，水力剪切特征指标与颗粒特征指标间函数关联。鉴于团聚行为影响颗粒形成及粒径增长，水力剪切控制传质及降低颗粒粒径，建立基于团聚及水力剪切的好氧颗粒污泥形成-解体动态平衡模型，阐明水力学在颗粒结构维稳过程中的作用机理。基于动态模型，通过水力剪切及团聚行为调控颗粒平衡粒径，开发好氧颗粒污泥工艺高效稳定运行调控策略。

好氧颗粒污泥是一项富有前景的废水处理技术，但在运行过程中容易发生粒径过度增加导致颗粒解体、体系失稳，极大地制约了其工程运用。项目开展了流场特征参数与絮体团聚特征指标关联，水力剪切与污泥颗粒粒径间函数关联，优化颗粒粒径分布的调控策略等研究。研究采用涡旋尺度TL为影响团聚效果的水力特征指标，在此基础上研究了反应器高径比H/D、曝气强度及曝气方式对涡旋尺度TL的影响，并明确了反应器高径比为团聚效果的主影响因子。降低高径比能提高团聚效果。项目开发了一种环形曝气形式，将高径比H/D降低至1。低高径比的环形曝气反应器实现了低进水强度条件下的污泥颗粒化，具有更良好团聚效率和颗粒化机制。颗粒水力剪切研究表明，曝气强度不是水力剪切的主影响因子。气泡行为研究指出不同曝气强度下气泡具有各种不同的初始速度，但其最终速度迅速保持稳定。因此增加曝气强度仅增强了反应器底部的水力剪切力，其强度的增加对提升颗粒所受的水力剪切效果有限。基于颗粒强度及溶解氧传质效果确定了颗粒的最佳粒径范围为1800~3000 μm，并设计开发了低高径比内置筛网反应器。目的是将粒径超过最佳粒径上限的颗粒截留在反应器顶部高水力剪切区，通过对大颗粒的强化水力剪切来抑制颗粒粒径的过度增加，使颗粒保持在最佳粒径范围内，强化其稳定性及污染物去除效率。结果表明在低曝气强度和低高径比条件下，筛网反应器中大颗粒的总水力剪切力仍比常规反应器高出约3.0倍以上。通过使用筛网可得到有利的粒径分布，81.95±5.13％的颗粒处于最佳粒径范围内，提高了反应器的稳定性和污染物去除性能，节约了建设和运营成本。研究为颗粒污泥的工业化应用提供了技术支持。