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紊動(dòng)對(duì)活性污泥特性及微生物代謝產(chǎn)物的影響(環(huán)保)

                      閆玉濤^1，2，  周凌³，  馮騫^1,2*，  李軍⁴

（1．河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098；2．河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210098：3．浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310007；4．中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司華東分院，江蘇南京210098）

摘要：紊動(dòng)是水處理生物反應(yīng)器中物質(zhì)和能量傳遞的重要?jiǎng)恿σ蜃�，它直接影響活性污泥的特性，制約微生物的生長(zhǎng)和代謝行為，也是水處理生物反應(yīng)器運(yùn)行效果和效能的關(guān)鍵因素。文章介紹了不同紊動(dòng)條件下活性污泥粒徑、沉降性能、活性等理化特性的演變，顆�；�進(jìn)程的發(fā)展，胞外聚合物和溶解性有機(jī)產(chǎn)物等微生物代謝產(chǎn)物的形成和轉(zhuǎn)化規(guī)律，探討了紊動(dòng)對(duì)活性污泥特性及微生物代謝的影響機(jī)制，在此基礎(chǔ)上指出了現(xiàn)有研究的不足，提出了未來(lái)研究的方向，以期為活性污泥系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供參考。

關(guān)鍵詞：活性污泥；紊動(dòng)；微生物胞外聚合物；溶解性有機(jī)產(chǎn)物

 中圖分類(lèi)號(hào)：X172  doi:10.3969/j.issn．1003-6504.2016.05.001    文章編號(hào)：1003-6504(2016)05-0001-07

    活性污泥法是污水生物處理中應(yīng)用最廣泛的處理工藝之一。在反應(yīng)中起主要作用的微生物，通過(guò)自凝聚作用形成活性污泥，吸附污水中的有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)元素，合成微生物細(xì)胞，自身增殖的同時(shí)降解水中的污染物質(zhì)。紊動(dòng)是反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)量和能量傳遞的主要影響因素，活性污泥處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件的改變將引起反應(yīng)器內(nèi)流速分布的變化，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)部微環(huán)境的更替，制約系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量循環(huán)過(guò)程，進(jìn)而影響污染物的降解速率和去除效果。此外，反應(yīng)器內(nèi)氣、液相的速度分布、污泥絮體間的相互碰撞產(chǎn)生不同的剪切作用，會(huì)引起活性污泥絮體的聚集、生長(zhǎng)和破碎等行為，同時(shí)影響微生物代謝產(chǎn)物的組分和數(shù)量，進(jìn)而引發(fā)池內(nèi)活性污泥的尺寸、結(jié)構(gòu)、空隙率、活性、傳質(zhì)速率和降解速率等理化特性的改變。為此，文章通過(guò)對(duì)前人研究的對(duì)比，分析了水流和紊動(dòng)條件對(duì)活性污泥顆�；�進(jìn)程、活性污泥理化特性、微生物代謝產(chǎn)物的形成和轉(zhuǎn)化的影響規(guī)律，探討了紊動(dòng)對(duì)活性污泥特性及微生物代謝的影響機(jī)制，在此基礎(chǔ)上指出了現(xiàn)有研究的不足，提出了未來(lái)研究的方向，以期通過(guò)調(diào)整活性污泥反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和操作運(yùn)行條件，創(chuàng)造有利的水動(dòng)力條件，改善反應(yīng)器的運(yùn)行效果，優(yōu)化反應(yīng)器的能量配置，為反應(yīng)器的合理設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和優(yōu)化運(yùn)行提供參考。

1  紊動(dòng)特性對(duì)活性污泥特性的影響

    活性污泥是細(xì)菌通過(guò)自凝聚作用，以絲狀菌為骨架，膠團(tuán)菌附著的狀態(tài)相互交織生長(zhǎng)形成。由于構(gòu)成污泥主體結(jié)構(gòu)的絲狀菌和膠團(tuán)菌對(duì)流體紊動(dòng)產(chǎn)生的剪切力敏感程度差異顯著，因此不同結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)的反應(yīng)器中產(chǎn)生的不同剪切作用，會(huì)使得活性污泥中優(yōu)勢(shì)菌種的類(lèi)型和數(shù)量發(fā)生改變，從而影響污泥的碰撞聚集行為、污泥絮體的形態(tài)、粒徑、孔隙結(jié)構(gòu)、沉降性能、活性、濃度、污染物降解速率等理化特性。

    實(shí)驗(yàn)室研究與污水廠的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查：活性污泥的形狀與剪切作用關(guān)系密切，反應(yīng)器中剪切作用較強(qiáng)時(shí)，形成的生物污泥以表面光滑的卵形和球形居多；剪切作用較弱的情況下，可以發(fā)現(xiàn)棒形及板型的顆粒污泥。在COD負(fù)荷一定的情況下，剪切作用的變化會(huì)導(dǎo)致污泥粒徑的變化，這一點(diǎn)已經(jīng)得到大多數(shù)學(xué)者的證實(shí)，但在影響規(guī)律方面，并未達(dá)成比較一致的意

見(jiàn)。Guiot等發(fā)現(xiàn)在0.9—6.6 m/h的上升流速范圍內(nèi)，UASB反應(yīng)器中形成的顆粒污泥平均粒徑是剪切力的函數(shù)，并隨上升流速的增加而增加。Beun等在好養(yǎng)條件下的研究，也得到了類(lèi)似的結(jié)果。有學(xué)者研究表明活性污泥的粒徑與速度梯度(G)值呈指數(shù)負(fù)相關(guān)，活性污泥的沉降性能也會(huì)受剪切作用的影響。在底物和DO不成為反應(yīng)限制因素的條件下，隨著剪切作用的增加，活性污泥的粒徑逐漸減小，沉降性能則表現(xiàn)出先改善后惡化的趨勢(shì)。出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因就在于，在底物和DO充足的條件下，隨著反應(yīng)器中剪切作用的增加，活性污泥中絲狀菌數(shù)量明顯減少，菌膠團(tuán)尺寸更小，結(jié)構(gòu)更致密，網(wǎng)狀和孔洞結(jié)構(gòu)也逐漸消失。但剪切作用超過(guò)閾值后，反應(yīng)器內(nèi)高剪切環(huán)境會(huì)使得絲狀菌幾乎無(wú)法生存，造成形成活性污泥

所需骨架的缺失，導(dǎo)致污泥的破碎、解體。Feng等在SBR中的試驗(yàn)表明：活性污泥的耗氧速率和污染物降解速率隨流體紊動(dòng)強(qiáng)度的增加表現(xiàn)出先增加后降低的規(guī)律。Jin等的研究表明，隨著單位體積能耗和表觀上升氣速的增加，活性污泥的傳質(zhì)系數(shù)也逐漸增加，但增幅逐漸趨緩。馮騫等研究了攪拌型SBR反應(yīng)器中不同轉(zhuǎn)速下反應(yīng)器內(nèi)的紊動(dòng)強(qiáng)度分布，結(jié)果表明：隨攪拌漿轉(zhuǎn)速的增加，活性污泥反應(yīng)器內(nèi)污染物的降解速率常數(shù)則隨紊動(dòng)強(qiáng)度的增加先增加

后降低。湛含輝等證實(shí)，通過(guò)改變反應(yīng)器內(nèi)攪拌槳型式、攪拌轉(zhuǎn)速、曝氣強(qiáng)度、曝氣方式，在反應(yīng)器內(nèi)增加隔板、調(diào)整進(jìn)出水口位置等手段，可改善好氧生物反應(yīng)器內(nèi)的混合程度，強(qiáng)化污泥中的氧傳質(zhì)效率，在降低能耗的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高污染物的降解速度。Tay等在好氧顆粒污泥的研究中，也得到了類(lèi)似的結(jié)果，污泥的比好氧速率( SOUR)隨表觀上升氣速增

加呈線性遞增。馮騫等利用SBR反應(yīng)器模型研究了水流剪切力對(duì)活性污泥沉降特性和活性的影響；通過(guò)不同水流剪切力下活性污泥絮凝體形態(tài)及微生物類(lèi)型的比較，分析了水流剪切力對(duì)活性污泥特性的影響機(jī)理。

    曝氣或水流產(chǎn)生的剪切力還會(huì)影響微生物種群的多樣性。Ma等在SMBR中的研究發(fā)現(xiàn)，微生物種群的多樣性隨曝氣產(chǎn)生剪切力的增加而明顯減少。Rickard等的研究證實(shí)了剪切力的大小會(huì)影響到微生物種群的多樣性和不同菌種的組成比例。Cocolina等應(yīng)用DGGE技術(shù)也證實(shí)，不同的曝氣方式會(huì)對(duì)活性污泥系統(tǒng)中原生動(dòng)物和微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，剪切作用越強(qiáng)，微生物多樣性指數(shù)越低。Rochex等l冽在CCTR( conical  Couettc-Taylor reactor)反應(yīng)器中，也得到了類(lèi)似的結(jié)果。

2  紊動(dòng)特性對(duì)活性污泥顆粒化過(guò)程的影響

    好氧污泥顆�；�現(xiàn)象是近年來(lái)污水處理領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的絮狀活性污泥相比，具有生物濃度更高，沉降性能更好，泥水分離更快，降解污染物的效率更高的特點(diǎn)，但是好氧污泥顆�；�的過(guò)程更加復(fù)雜，多相流動(dòng)產(chǎn)生的剪切在其中的作用也更加重要，因此剪切作用對(duì)好氧顆粒污泥的影響得到了更多的關(guān)注。Ivanovic等發(fā)現(xiàn)通過(guò)控制曝氣產(chǎn)生的剪切，可以控制MBR中粒子的聚集。Liu等的研究表明，在內(nèi)源呼吸期減少曝氣速率，能夠形成穩(wěn)定的好養(yǎng)顆粒污泥而且在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)改變好養(yǎng)顆粒的沉降性能。Tay等在鼓泡塔中的研究表明，表觀上升流速大于1.2 cm/s時(shí)，能夠形成更緊湊，更致密，更圓，更堅(jiān)實(shí)，更小的顆粒污泥，而表觀上升流速低于1.2 cm/s時(shí)，不能夠形成顆粒污泥。Chen等在SBR反應(yīng)器的研究表明：在較高剪切壓力的作用下( 2.4、3.2 cm/s)，顆粒能夠形成堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定清晰的外部形態(tài)，密集，結(jié)構(gòu)緊湊，性能良好。而在低剪切壓力的作用下（0.8、1.6 cm/s），形成的顆粒形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)松散，性能差、運(yùn)行不穩(wěn)定。Liu等在污泥顆�；�的研究過(guò)程中則發(fā)現(xiàn)，不同的流體流動(dòng)和微生物絮凝體相互作用的方式對(duì)活性污泥的顆�；�過(guò)程有顯著的影響。大高徑比柱狀反應(yīng)器中，氣水的上向流動(dòng)能沿反應(yīng)器高度方向產(chǎn)生足夠長(zhǎng)、相對(duì)均勻的環(huán)流軌道，更有助于促使微生物聚集，形成穩(wěn)定的顆粒污泥。與之相比，全混流反應(yīng)器中微生物絮體受不斷變化的流體作用產(chǎn)生隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，更易形成尺寸和形狀不規(guī)則的絮狀污泥（圖1）。不少研究者通過(guò)各自的研究，以表觀上升流速、曝氣強(qiáng)度等為指標(biāo)，分別得到了形成好氧顆粒污泥所需的剪切條件和要求，建立了水流剪切對(duì)顆粒污泥特性的影

響規(guī)律。與絮狀污泥相比，水流剪切力對(duì)顆粒污泥特性的影響規(guī)律與之類(lèi)似，適當(dāng)?shù)卦黾铀�流剪切力能形成密�?shí)度更高、沉淀性能更好、活性更強(qiáng)的顆粒污泥，過(guò)大的剪切作用也會(huì)導(dǎo)致顆粒污泥的破碎和解體，但對(duì)比分析可知，影響顆粒污泥的水流剪切力域值明顯高于絮狀污泥。

3  紊動(dòng)特性對(duì)活性污泥代謝產(chǎn)物的影響

    胞外聚合物(extracelluler polymer substances．EPS)和溶解性微生物產(chǎn)物(soluble microbial product，SMP)是活性污泥微生物降解廢水中有機(jī)污染物時(shí)產(chǎn)生的主要微生物代謝產(chǎn)物，其中以多糖、蛋白質(zhì)、腐殖質(zhì)等成分為主。隨著微生物代謝產(chǎn)物在活性污泥形成和特性演變中的重要作用被發(fā)現(xiàn)，不同水流紊動(dòng)條件下活性污泥微生物代謝產(chǎn)物的組分和濃度的變化，也被用于分析和解釋水流紊動(dòng)對(duì)活性污泥的影響規(guī)律和作用機(jī)制。

    根據(jù)EPS在細(xì)胞外的存在方式，胞外聚合物(EPS)可分為結(jié)合型EPS (bound EPS)和溶解型EPS(soluble EPS)。覆蓋在微生物表面的是bound EPS，它一方面能夠通過(guò)各種橋接作用，將活性污泥絮體粘結(jié)在一起，促進(jìn)活性污泥的聚集，另一方面，還能幫助微生物抵御高水流剪切產(chǎn)生的不利環(huán)境。研究表明，EPS對(duì)保持污泥絮體的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度具有重要作用。合理增加剪切作用能刺激微生物的呼吸作用，提高微生物的活性，促使微生物細(xì)胞分泌出更多的結(jié)合型EPS，增加其中多糖與蛋白質(zhì)含量的比值。但過(guò)大的剪切作用，也會(huì)導(dǎo)致結(jié)合型EPS的濃度降低，從而引發(fā)已經(jīng)形成的活性污泥破碎和解體（圖2）。李軍等利用序批式活性污泥法裝置(SBR)研究了活性污泥好氧階段曝氣強(qiáng)度對(duì)活性污泥沉降性能、松散束縛型胞外聚合物( LB-EPS)含量及其組分的影響。結(jié)果表明：隨著曝氣強(qiáng)度增加，活性污泥中( LB-EPS)含量逐漸升高。而活性污泥的SVI逐漸增大，沉降性能逐漸變差。Shin等的研究發(fā)現(xiàn)，隨著曝氣強(qiáng)度的增大，活性污泥EPS中多糖含量表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，而其中蛋白質(zhì)的含量幾乎沒(méi)有變化。Tay等在好氧顆粒污泥的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著曝氣強(qiáng)度的上升，多糖／蛋白質(zhì)也逐漸增大。

  溶解型EPS(soluble EPS)通常被認(rèn)為是溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)的主要來(lái)源之一，它也是廢水生物處理出水中COD的主要組成部分，它的組分和濃度直接影響生物處理的過(guò)程和效果。水流剪切作用的存在，會(huì)使得附著在細(xì)胞表面的結(jié)合型EPS釋放出更多的溶解型EPS，在生物處理過(guò)程中被作為碳源利用或殘留于出水中，從而影響反應(yīng)器對(duì)污染物的降解過(guò)程。張海豐等基于不同曝氣量下膜生物反應(yīng)器中EPS和SMP的組分和含量的分析，探討了曝氣量對(duì)

活性污泥特性影響的機(jī)制，提出了優(yōu)化曝氣量運(yùn)行的建議。Ni等在SBR反應(yīng)器中建立了一整套數(shù)學(xué)模型，分析了不同曝氣量下好氧顆粒污泥反應(yīng)器中EPS的產(chǎn)生和SMP的釋放規(guī)律，為從微觀尺度進(jìn)一步解讀水動(dòng)力條件對(duì)活性污泥特性的影響機(jī)制做出了的新嘗試。

4  反應(yīng)器水動(dòng)力特性及紊動(dòng)行為分析

    水處理領(lǐng)域的相關(guān)研究中，通常采用停留時(shí)間分布曲線(residence time distribution，RTD)、單位體積能耗(P/V、表觀上升流(氣)速、速度梯度G等宏觀指標(biāo)對(duì)反應(yīng)器的水動(dòng)力特性進(jìn)行分析和表征。以水處理反應(yīng)器設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為普遍的G值為例，曝氣設(shè)備和強(qiáng)度、攪拌槳葉和轉(zhuǎn)速的變化，都會(huì)影響反應(yīng)器的紊動(dòng)行為。給水絮凝反應(yīng)中，最佳速度梯度G值多控制在20～100 s^-1。傳統(tǒng)的曝氣池中為維持微生物好氧生長(zhǎng)所需的條件，通常維持池中DO為2.0 mg/L。若將曝氣池中的反應(yīng)視為生物絮凝，為維持曝氣池中污泥懸浮和供氧的雙重要求，反應(yīng)器中的最佳速度梯度G值應(yīng)處于100～200 s^-1之間。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提升和測(cè)試儀器的快速發(fā)展，利用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamic，CFD)技術(shù)模擬反應(yīng)器中的水動(dòng)力條件，并使用非侵入式流體測(cè)試技術(shù)如粒子圖像測(cè)速(particle image velocimetry，PIV)或激光多普勒測(cè)速(laser doppler velocimetry，LDV)技術(shù)相互驗(yàn)證，全面分析反應(yīng)器內(nèi)的水動(dòng)力特性，從反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)范圍、底物和活性污泥的混合程度、氧濃度分布和傳質(zhì)效率等方面提出優(yōu)化水動(dòng)力條件的做法，在水處理領(lǐng)域也開(kāi)始得到重視和應(yīng)用。涉及到沉淀池的固一液分離，氯接觸池停留時(shí)間，高速混合池，絮凝池，氣浮池的優(yōu)化。Fayolle等采用兩相流動(dòng)模型，對(duì)裝有微氣泡擴(kuò)散器和軸向慢速攪拌器的曝氣池內(nèi)的流場(chǎng)分布和氧氣傳遞過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬預(yù)測(cè)。Bridgeman等使用CFD對(duì)反應(yīng)器的流場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同速度梯度下對(duì)活性污泥絮體強(qiáng)度的影響，確定了最優(yōu)的速度梯度。Xie等使用CFD對(duì)氧化溝的流場(chǎng)和污泥沉降過(guò)程進(jìn)行了模擬，通過(guò)模擬找出現(xiàn)有運(yùn)行方案的不足，并提出了改進(jìn)的優(yōu)化方案。Wang等使用CFD對(duì)EGSB反應(yīng)器三相流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同水力停留時(shí)間下流場(chǎng)的均勻程度以及生物產(chǎn)氫速率，并確定了最優(yōu)的水力停留時(shí)間。Ding等利用CFD對(duì)生物制氫CSTR反應(yīng)器的流場(chǎng)特性進(jìn)行了模擬分析，并對(duì)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。Dfez等和Zima等[70]利用CFD建立了SBR反應(yīng)器水動(dòng)力分析模型，并使用PIV技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了多相流SBR反應(yīng)器中的水動(dòng)力特性，為優(yōu)化SBR的運(yùn)行條件，改善反應(yīng)器混合傳質(zhì)效率提供了一條有效的途徑。張冰等采用CFD和PIV技術(shù)對(duì)CSTR和EGSB 2種厭氧反應(yīng)器中流場(chǎng)特性進(jìn)行了模擬分析，結(jié)合廢水厭氧處理工藝試驗(yàn)，分析了流動(dòng)參數(shù)對(duì)廢水生物處理工藝的影響，確定了優(yōu)化運(yùn)行水力條件。Yang等在卡羅賽爾氧化溝、Gresch等在曝氣池中也分別利用CFD技術(shù)，建立了反應(yīng)器的水動(dòng)力學(xué)模型，并結(jié)合DO分布，提出了優(yōu)化曝氣器位置、降低運(yùn)行能耗、優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行的建議。反應(yīng)器水動(dòng)力特性分析能力和水平的深入，不僅有助于人們尋求改善反應(yīng)器混合傳質(zhì)效率、強(qiáng)化反應(yīng)速率的有效途徑，同時(shí)對(duì)于深入了解反應(yīng)器內(nèi)水動(dòng)力條件對(duì)活性污泥特性的影響機(jī)制，也提供了流體力學(xué)領(lǐng)域的支撐。

    近年來(lái)，將水動(dòng)力學(xué)模型和生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)結(jié)合起來(lái)，全面模擬水處理反應(yīng)器的運(yùn)行，分析各影響因素對(duì)反應(yīng)過(guò)程的作用機(jī)制，并進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化，也開(kāi)始得到人們的關(guān)注。哈爾濱工業(yè)大學(xué)任南琪課題組在利用CFD和PIV技術(shù)全面分析EGSB反應(yīng)器流場(chǎng)特性的基礎(chǔ)上，建立了基于CFD的EGSB反應(yīng)器三相流體學(xué)一反應(yīng)動(dòng)力學(xué)耦合模型，探討了厭氧反應(yīng)器中流場(chǎng)效應(yīng)與生物發(fā)酵反應(yīng)過(guò)程的響應(yīng)關(guān)系。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞漢青課題組從顆粒污泥的結(jié)構(gòu)和特性出發(fā)，建立了好氧顆粒污泥水動(dòng)力條件和傳質(zhì)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，采用CFD技術(shù)、PIV技術(shù)和共聚焦掃描電鏡分析技術(shù)，從好氧顆粒絮體粒子的層面探討了水動(dòng)力特性對(duì)氧擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程的影響。這種構(gòu)建水動(dòng)力學(xué)和生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)耦合模型的做法，為深入剖析多相流作用下紊動(dòng)對(duì)活性污泥特性的影響機(jī)制，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提供了一種全新的思路。

5  研究現(xiàn)狀分析與展望

    水動(dòng)力條件對(duì)活性污泥處理系統(tǒng)的影響體現(xiàn)在2個(gè)方面：(1)反應(yīng)器中水力剪切作用；(2)反應(yīng)器中物質(zhì)擴(kuò)散特性。它們對(duì)活性污泥處理系統(tǒng)的作用，主要是通過(guò)干擾反應(yīng)器內(nèi)微生物生長(zhǎng)的微觀環(huán)境，使活性污泥中優(yōu)勢(shì)微生物的種群、數(shù)量、組合形態(tài)發(fā)生變化，影響活性污泥絮體的形成、破碎過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。曝氣池內(nèi)氣、液、固三相的流場(chǎng)分布、污泥絮體間的相互碰撞摩擦產(chǎn)生不同的剪切作用，會(huì)影響微生物代謝產(chǎn)物(胞外聚合物(EPS)，溶解性微生物產(chǎn)物(SMP))的組分和含量，同時(shí)會(huì)引起活性污泥絮體的聚集、生長(zhǎng)和破碎等行為，進(jìn)而引發(fā)池內(nèi)活性污泥的尺寸、結(jié)構(gòu)、空隙率、活性、沉降性能、傳質(zhì)速率和降解速率等理化特性的改變。

    現(xiàn)有的報(bào)道均已證實(shí)，反應(yīng)器內(nèi)多相流條件下的紊動(dòng)將極大地影響活性污泥的性質(zhì)和反應(yīng)器的運(yùn)行效果。但現(xiàn)有研究多集中于水動(dòng)力條件對(duì)活性污泥物理、化學(xué)特性、傳質(zhì)過(guò)程的影響，在水動(dòng)力條件影響活性污泥微生物代謝行為方面，研究成果并不多見(jiàn)，并未能從微生物代謝行為的角度解析水動(dòng)力條件對(duì)活性污泥特性演變的影響機(jī)制；在反應(yīng)器水動(dòng)力特性的分析和表征中，目前常用的表觀上升流速、單位體積能耗、G值等水動(dòng)力特性指標(biāo)，也存在適用面不廣、全面性不足的弊端；利用水動(dòng)力與生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)耦合模型模擬、優(yōu)化反應(yīng)器的運(yùn)行方面，相關(guān)報(bào)道也十分有限，且已有的研究重點(diǎn)也多集中于污泥顆�；�的反應(yīng)器中。面對(duì)反應(yīng)器內(nèi)活性污泥生長(zhǎng)、聚集、破碎和傳質(zhì)過(guò)程，這些單方面、單一尺度上的研究，無(wú)法清晰地闡明反應(yīng)器內(nèi)多相流作用下紊動(dòng)對(duì)活性污泥特性的影響機(jī)制，也制約了反應(yīng)器設(shè)計(jì)和運(yùn)行水平的提高。

    在反應(yīng)器內(nèi)攪拌和曝氣設(shè)備一定的情況下，紊動(dòng)對(duì)活性污泥特性和微生物代謝產(chǎn)物的影響規(guī)律仍會(huì)受到進(jìn)水水質(zhì)、溫度、反應(yīng)器運(yùn)行方式等設(shè)計(jì)和運(yùn)行條件的制約。因此，在實(shí)際水處理工程中，更應(yīng)考慮到微生物數(shù)量、優(yōu)勢(shì)種群等方面的差異，建立水動(dòng)力一生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)耦合模型，并應(yīng)用于反應(yīng)器的模擬中，才能從根本上找出曝氣池水動(dòng)力特性優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行的有效策略。鑒于以上分析，提出該領(lǐng)域未來(lái)研究的方向如下：(1)針對(duì)現(xiàn)有水動(dòng)力學(xué)特性分析結(jié)果較為宏觀，參數(shù)適應(yīng)面不廣的問(wèn)題，結(jié)合反應(yīng)器多相流條件下紊動(dòng)特性的解析，提出表征反應(yīng)器水動(dòng)力特性的新指標(biāo)，用于指導(dǎo)實(shí)際水處理反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。(2)利用新指標(biāo)，建立水動(dòng)力條件與污泥特性、反應(yīng)器降解效率、微生物代謝產(chǎn)物濃度等的互動(dòng)響應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步探討紊動(dòng)對(duì)活性污泥特性及微生物代謝行為的影響機(jī)制。(3)基于各種微生物代謝產(chǎn)物在活性污泥特性演變中的不同作用，將反應(yīng)器水動(dòng)力特性分析成果、紊動(dòng)特性與活性污泥的理化特性和微生物代謝行為的響應(yīng)規(guī)律與活性污泥動(dòng)力學(xué)模型耦合，建立水動(dòng)力一生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)耦合模型，模擬實(shí)際水處理反應(yīng)器中污染物的降解和微生物代謝過(guò)程，為曝氣池的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供有力的支持。