基于Hydrodynamics-Reaction Kinetics耦合模型的厌氧膨胀床反应器三相流场数值模拟及生态-水力响应机制解析

本项目针对典型的第三代高效厌氧膨胀颗粒污泥床反应器进行研究，在构建气液固三相Hydrodynamics-Reaction Kinetics耦合模型基础上，利用CFD技术进行反应器流场的数值模拟，研究反应器布水区、反应区、三相分离区的流态分布，优化反应器结构，探讨工程放大的相似因子；采用数值模拟与实验测量相结合的方法，研究流体力学参数对反应器工作效能的影响，优化工艺运行控制参数；进一步结合分子生物学技术，研究反应器内微生物的群落格局、群落动态、活性与水动力学响应的定量关系，探讨反应器内微生物生态-水力学机制，建立基于流态、运行参数和微生物生态互动关系的提高反应器处理效率的调控对策，实现反应器的优化设计和运行，所建立的利用耦合模型研究反应器工艺设计、优化调控以及工程放大平台，为开发新型高效反应器，解决我国大量污/废水处理中急需高效低耗反应器的现状以及反应器工业放大的难题提供理论依据和技术支持。

随着我国工业废水和生活污水排放量的急剧增加，需要大力开发和推广应用高效低耗的废水处理工艺，厌氧处理对于污水的资源化和节能降耗具有重要的意义。本项目针对典型的第三代高效厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器进行研究，结合水动力学研究与生化反应动力学构建气液固三相耦合模型，利用CFD技术进行反应器流场的数值模拟，分析确定了水动力学参数与处理效能的定量关系，并应用于EGSB生物制氢反应器的产氢效能预测；进一步优化反应器结构和运行参数，提出了EGSB反应器的改进方案，有效改善了反应器内部流场，提高了反应器的处理效率和稳定性；研究反应器内部流场对污泥形态、污泥粒径分布、颗粒污泥机械强度及EPS含量的影响；采用DGGE技术解析了不同上升流速作用下的流场对反应器内微生物种群演替的影响，采用高通量测序技术解析了流场对于微生物空间分布及丰度的影响，探讨了反应器内微生物生态-水力学机制，为反应器的高效稳定运行调控对策提供依据。利用耦合模型进行反应器工艺设计、优化调控以及工程放大研究，可增强反应器工艺操作的可预见性和可控制性，同时也可用于新型高效反应器的开发，有助于突破“实验室-小试-中试-工业” 传统放大过程的某些环节进行技术创新，节省大量资金和时间，使新的设想和创新技术得以通过模拟实现。本研究提出的研究思路与方法具有创新性，对类似反应器的工程设计和运行调控研究有借鉴作用，有重要的理论指导意义和工程应用价值，为解决我国大量污水处理中急需高效低耗反应器的现状及反应器工业放大的难题提供理论依据和技术支持。