活性污泥絮体动力行为的跨尺度研究与模拟

Multi-scale dynamic behaviors of activated sludge flocs and their interaction patterns with the flocs were studied under flow, solid, biological field-coupling for urban sewage treatment systems. By the means of Computational Fluid Dynamics (CFD), Dissipative Particle Dynamics (DPD) and Activated Sludge Model (ASM), spatio-temporal heterogeneity distribution, flow and mass transfer process of activated sludge flocs were detected in macroscopic scale. Meanwhile, in mesoscopic scale, affections of the three fields on polymerization, separation and morphology evolution processes of activated sludge flocs and their mechanisms were also studied. A two-scale relation model, coupling macroscopic flow behavior and mesoscopic floc structure evolution orientation, as well as laboratory evaluation and calibration system and methods of its parameters were developed. The model was calibrated and evaluated by laboratory and in-situ experiments of A2O reactor, and cross-scales optimization method of the reactor with the model was put forward. The results of this study can fully reveal the behavior dynamics of activated sludge flocs in wastewater bioreactors on different scales, promote the development of the multi-scale simulation techniques for complex fluids, provide scientific grounds for design optimization of the reactors, as well as serve as the foundation of theory and technique development of multi-scale studies of wastewater bioreactors. Therefore, the project has important academic significance and practical value.

研究城镇污水处理系统中活性污泥絮体在流、固、生物等多场耦合条件下的跨尺度动力行为及其相互作用规律。以计算流体力学（CFD）和耗散粒子动力学（DPD）为手段，结合活性污泥数学模型（ASM），从宏观上研究反应器中活性污泥絮体的时空异质分布规律及流动、反应传质等过程，在介观尺度上解析污泥絮团的聚合、分离、形貌演变过程的影响与相互作用机制。开发耦合宏观流动行为和介观絮体结构演化取向的双尺度关联模型，建立模型参数测试与校核的实验系统和方法；通过AAO工艺的小试和现场试验进行参数校核和模型评估，提出利用该模型进行反应器跨尺度优化的研究方法。项目的成果将全面揭示废水生物反应器中活性污泥絮体不同尺度上的动力行为，发展复杂流体的多尺度贯通的模拟技术，对指导反应器的优化设计提供科学依据，为废水生物处理反应器多尺度科学的研究奠定理论和技术基础。因此，项目具有重要的学术意义和实用价值。

活性污泥法是废水生物处理的主要方法之一，对其反应器模拟与优化一直是废水处理领域的研究热点。目前，多数研究者关注于其在单一尺度上的动力学过程，如：宏观或微观尺度上生化反应动力学和流体动力学。事实上，活性污泥系统存在多尺度的复杂行为，如何将反应器内不同尺度动力行为贯通耦合，还有一定难度，目前研究非常少。本项目采用图像测速系统，以活性污泥处理过程典型反应器AAO为研究对象，对活性污泥絮体多尺度动力学行为进行了探索研究。主要研究成果为：（1）基于傅立叶形状分析法构建出“数字污泥絮体”平台，可实现对活性污泥絮体表面微观结构和形态的动态表征。（2）发展“软物质”测试技术，研制出活性污泥絮体宏-介双尺度流动与形变试验测试技术及装置。（3）基于计算流体力学（CFD）和耗散粒子动力学（DPD），建立了耦合宏观流动行为和介观絮体结构演化取向的双尺度关联模型，可实现从宏观上模拟反应器中活性污泥絮体的时空异质分布规律及流动、反应传质等过程，在介观尺度上解析污泥絮团的聚合、分离、形貌演变过程的影响与相互作用机制。项目的成果将全面揭示废水生物反应器中活性污泥絮体不同尺度上的动力行为，发展复杂流体的多尺度贯通的模拟技术，对指导反应器的优化设计提供科学依据，具有重要学术意义和实用价值。