張濤， 趙永紅， 蘇滔瓏， 蔣裕平

（1. 電子科技大學(xué)中山學(xué)院材料與食品學(xué)院，廣東 中山 528400；2. 江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

0 引 言

傳統(tǒng)懸浮活性污泥反應(yīng)器在污水處理領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，但仍存在容積負(fù)荷較低（0.5～2.0 kg COD·m-3·d-1）、污泥沉降速度較慢、污泥產(chǎn)率高（0.4～0.6 kg TSS·kg COD-1）等不足[1]。 隨后研發(fā)的附著型生物膜反應(yīng)器，如生物接觸氧化、曝氣生物濾池等，填料表面生物膜有效提高了生物濃度，進(jìn)而提高了容積負(fù)荷（4.0～6.0 kg COD·m-3·d-1），但它們也存在顆粒物預(yù)處理要求高、易堵塞或須反沖洗以維持生物膜厚度及降低水頭損失等缺點(diǎn)。 顆粒污泥反應(yīng)器被證明能較好地解決上述問題，污泥顆粒大具有較快的沉降速度， 顆粒生物量濃度高（可達(dá)15 g/L），容積負(fù)荷較高（6.0～7.0 kg COD·m-3·d-1），污泥產(chǎn)率低，顆粒處于流態(tài)化而無堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

鑒于顆?；勰喾磻?yīng)器的優(yōu)勢，較多研究者在顆?；勰嗟呐囵B(yǎng)[2]、影響顆?；囊蛩豙3]、顆?；臋C(jī)制[4]和顆?；磻?yīng)器的應(yīng)用[5]等方面開展了工作。 結(jié)果表明，反應(yīng)器水力條件被公認(rèn)是決定顆粒污泥能否形成、顆粒大小和穩(wěn)定性的最為關(guān)鍵的因素[6-7]。 當(dāng)前已有較多關(guān)于反應(yīng)器水力條件對(duì)污泥顆粒化過程影響的研究[8-9]，但由于水力條件的抽象性、微觀性、動(dòng)態(tài)性及影響因素的復(fù)雜性，導(dǎo)致水力條件的影響機(jī)制尚不清晰，部分研究結(jié)果難以統(tǒng)一。 目前關(guān)于反應(yīng)器水力條件對(duì)污泥顆?；^程影響的總結(jié)性綜述還比較缺乏。本文旨在對(duì)現(xiàn)有污泥顆?；l件的研究結(jié)果進(jìn)行梳理、分析和歸納，理清水力條件對(duì)污泥顆?；挠绊懸?guī)律和機(jī)制，尤其關(guān)注反應(yīng)器水力條件的控制方式、合理范圍和表達(dá)方式，以期為顆?；勰喾磻?yīng)器的研究和應(yīng)用提供基礎(chǔ)和精確指導(dǎo)。

1 水動(dòng)力學(xué)因素對(duì)污泥顆?；^程的影響

1.1 污泥顆?；^程

污泥顆?；且环N微生物自發(fā)聚集并固定化而形成較密實(shí)、 體積較大的近球形生物聚集體的過程[10]。 目前在水處理領(lǐng)域已經(jīng)獲得的顆?；勰?，按照微生物代謝過程中的電子受體可分為厭氧顆粒污泥和好氧顆粒污泥2 種類型[11]。 到目前為止，好氧和厭氧顆粒污泥均受到了較多研究者的重點(diǎn)關(guān)注[12-15]，并取得了部分的實(shí)際應(yīng)用[16-17]。

厭氧污泥顆?；F(xiàn)象發(fā)現(xiàn)較早，LETTINGA 等于1980 年首次報(bào)道了在上流式厭氧污泥床（UASB）的較低區(qū)段，部分污泥呈現(xiàn)顆粒狀的形式[18]。 一般認(rèn)為，厭氧顆粒污泥的形成主要是厭氧微生物在生長繁殖的過程中不同菌體被本身所產(chǎn)生的胞外聚合物（EPS）粘連，菌體相互交融，絲狀菌纏繞菌體而形成細(xì)小顆粒的過程[19]。 通?？煞譃? 個(gè)階段：①單個(gè)菌體向其他基底（可以是菌體或惰性物質(zhì)） 表面移動(dòng)；②因各種理化作用力而產(chǎn)生的初始可逆吸附； ③在EPS 的作用下菌體與基底之間發(fā)生不可逆黏附而形成細(xì)菌微聚體；④微聚體因細(xì)菌增殖及捕獲作用變大而逐步顆粒化[20]。圖1 可用于描述厭氧顆粒污泥的形成以上4 個(gè)階段過程。

圖1 厭氧顆粒污泥形成的4 個(gè)階段Fig. 1 Four stages for the formation of anaerobic granular sludge

好氧污泥顆?；F(xiàn)象發(fā)現(xiàn)較晚，1991 年MISHIMA 等報(bào)道了在上流式好氧污泥床（AUSB）中形成了直徑2～8 mm 的好氧生物污泥顆粒，它們具有極好的沉降性能[21]。 1997 年MORGENROTH 等在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的SBR 中通過控制非常短的沉淀和排水階段，并于40 d 后成功培養(yǎng)出了好氧顆粒污泥[22]。隨后95%以上關(guān)于好氧顆粒污泥的研究都是在SBR中開展的，這可能與SBR 能控制較短的沉淀時(shí)間，間歇進(jìn)水有利于改善污泥沉降性能，營造飽食期與饑餓期等因素有關(guān)[23]。 關(guān)于好氧顆粒污泥的形成機(jī)制，目前尚未有統(tǒng)一的定論。 部分學(xué)者認(rèn)為EPS 對(duì)好氧顆粒污泥產(chǎn)生具有明顯促進(jìn)作用，并可以用與上述厭氧顆粒污泥形成基本相同的4 個(gè)階段來解釋其形成過程[24]。水力選擇壓力也被認(rèn)為是影響好氧顆粒污泥產(chǎn)生的重要因素，首先細(xì)小顆粒污泥、絲狀菌和絮體共存于反應(yīng)器中， 通過合適的水力選擇策略使沉速較大的顆粒污泥被截留， 絲狀菌和污泥絮體被排出反應(yīng)器，從而使被截留的顆粒污泥得以不斷生長成熟[19]。另有其他研究者通過研究發(fā)現(xiàn)：底物負(fù)荷的飽食—饑餓交替循環(huán)[25]、水力剪切力[26]、基質(zhì)類型[27]、有機(jī)負(fù)荷[28]、溶解氧水平[29]等均在一定程度上影響好氧顆?；^程。 因此，影響好氧顆粒污泥形成的決定性因素和機(jī)制還有待進(jìn)一步明確。

1.2 影響因素

相對(duì)于一般絮狀活性污泥來說， 顆?；勰嗟男纬蓷l件比較苛刻，通常需要對(duì)反應(yīng)器水力條件、停留時(shí)間、沉淀分離時(shí)間、有機(jī)負(fù)荷、碳源及碳氮比等多種條件進(jìn)行較為嚴(yán)格的控制， 否則顆粒污泥難以形成及穩(wěn)定。 當(dāng)前，已有較多的研究者針對(duì)影響好氧和厭氧顆粒污泥產(chǎn)生及其性質(zhì)的多種因素進(jìn)行了研究， 還有少量綜述文獻(xiàn)對(duì)各種影響因素進(jìn)行了較為全面的總結(jié)[11,30]。 這里僅就其中被廣大研究者普遍認(rèn)可的水力條件因素對(duì)好氧與厭氧顆粒污泥產(chǎn)生及性能的影響、可能的作用機(jī)制等問題進(jìn)行梳理、總結(jié)與分析。

大量研究表明， 反應(yīng)器水力條件對(duì)好氧顆粒污泥的形成及性質(zhì)具有重要影響。 SHIN 等（1992）報(bào)道在2 套具有不同攪拌速度的高負(fù)荷AUSB 中（R1為3 r/min，R2 為6 r/min）， 反應(yīng)器啟動(dòng)5 d 后均出現(xiàn)了巧克力色的顆粒污泥， 直徑為0.5～2.5 mm，R2中顆粒更為密實(shí)，但R1 在運(yùn)行約1 個(gè)月后出現(xiàn)了絲狀菌污泥膨脹，R2 則未膨脹且顆粒較光滑，他們認(rèn)為主要原因是R2 中剪切應(yīng)力更大[31]。BEUN 等1999 年報(bào)道在SBR 反應(yīng)器中， 當(dāng)表觀氣速較低時(shí)（0.014、0.02 m/s） 不能形成穩(wěn)定的好氧顆粒污泥；但當(dāng)表觀氣速提高到0.041 m/s 時(shí)，光滑、密實(shí)和穩(wěn)定的好氧顆粒得以產(chǎn)生[32]。TAY 等在采用葡萄糖作為碳源的SBR 系統(tǒng)中應(yīng)用了0.008、0.025 m/s 兩種不同的表觀氣速，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：低表觀氣速下僅有絨毛狀的污泥絮體，顆粒污泥無法形成；相反，高表觀氣速下好氧顆粒污泥可成功培養(yǎng)[33]。 BEUN 等報(bào)道在強(qiáng)烈攪拌的序批式氣升流反應(yīng)器（SBAR）中，接種懸浮活性污泥后僅用7 d 即成功培養(yǎng)出了好氧顆粒污泥，反應(yīng)器表觀氣速控制為80 m/h（即0.022 m/s），穩(wěn)態(tài)顆粒平均直徑2.5 mm[34]。 魯磊等在連續(xù)流好氧顆粒污泥系統(tǒng)處理低COD/N 實(shí)際生活污水的研究中發(fā)現(xiàn)， 曝氣量對(duì)顆粒污泥穩(wěn)定性有較大影響， 在接種后的第1 個(gè)15 d 階段，表觀氣速控制為0.008 m/s，階段結(jié)束時(shí)顆粒污泥輕微解體； 第2 個(gè)15 d 階段表觀氣速控制為0.012 m/s，此時(shí)部分解體的顆粒污泥重新聚集，形成規(guī)則的顆粒污泥；但當(dāng)?shù)? 個(gè)15 d 階段表觀氣速調(diào)整為0.016 m/s 時(shí)， 過大的水力剪切導(dǎo)致顆粒結(jié)構(gòu)被沖刷破壞而解體；此后表觀氣速重調(diào)為0.012 m/s，規(guī)則完整的顆粒污泥再次重新形成[35]。王陸璽等在2 種不同構(gòu)型的SBR 反應(yīng)器中（中間擋板分隔型R1和中間提升圓筒式R2）， 接種厭氧活性污泥后均成功培養(yǎng)了成熟的好氧顆粒污泥，R2 的污泥培養(yǎng)時(shí)間稍短，且MLSS 更大而SVI值更低，其原因被認(rèn)為是R2 液相流速更高，水力剪切力更強(qiáng)[36]。邱光磊等利用連續(xù)流MBR 反應(yīng)器， 在運(yùn)行的第70 天成功培養(yǎng)出了好氧顆粒污泥。該MBR 反應(yīng)器分為主反應(yīng)區(qū)和膜分離區(qū)， 其中主反應(yīng)區(qū)采用微孔盤進(jìn)行低表觀氣速曝氣（4.9×10-4m/s），膜分離區(qū)采用穿孔管進(jìn)行高表觀氣速曝氣（5.6×10-3m/s），主反應(yīng)區(qū)表觀氣速明顯低于其他文獻(xiàn)報(bào)道值， 但膜分離區(qū)氣速可與文獻(xiàn)值比較， 可能對(duì)顆粒污泥塑形與形態(tài)維持發(fā)揮了重要作用[37]。

反應(yīng)器水力條件對(duì)厭氧顆粒污泥的形成及性質(zhì)同樣具有重要影響。 O’FLAHERTY 等在利用上流式厭氧復(fù)合反應(yīng)器處理人工配置乙醇/VFA 混合廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液體上升流速為0.01 m/h 時(shí)，僅能形成絮體污泥，當(dāng)通過增加回流的方式將液體上升流速提高到0.5 m/h 時(shí)，顆粒污泥出現(xiàn)[38]。 王娜等以飲料生產(chǎn)實(shí)際廢水為基質(zhì)，接種工程UASB 的厭氧顆粒污泥，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的UASB 中研究了水力停留時(shí)間（HRT）對(duì)污泥性能的影響， 結(jié)果表明：HRT為10 h 和2.5 h時(shí)， 粒徑大于1 000 μm 的污泥均占主體且兩者接近，而HRT為5 h 時(shí)該組分污泥比例明顯降低；顆粒污泥平均沉降速度和平均密度均隨HRT縮短而明顯增大。 其原因：縮短HRT提高了水力負(fù)荷，而低負(fù)荷下厭氧顆粒可能存在結(jié)構(gòu)松散或內(nèi)部空洞現(xiàn)象；提高負(fù)荷后顆粒污泥在水力剪切作用下破碎而粒徑減??；進(jìn)一步提高水力負(fù)荷后，較小顆粒逐漸長大且密實(shí)度和沉降速度得以大幅提高[39]。吳靜等在3 個(gè)構(gòu)型相同的升流式厭氧反應(yīng)器（R1、R2、R3）中接種絮狀污泥，并分別通入不同流速的氮?dú)庖钥刂频停?.04±0.00）s-1、中（8.28±0.39）s-1、 高（12.42±0.89）s-13 種水力剪切條件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中等水力條件下污泥成核（接種至形成平均粒徑為0.1～0.6 mm 的污泥）時(shí)間最短，運(yùn)行穩(wěn)定后含核率和平均粒徑也最大。 其原因被認(rèn)為是：高的水力剪切有利于提高顆粒EPS 含量、 增加細(xì)菌之間碰撞概率而提高成核速度、 強(qiáng)化傳質(zhì)而促進(jìn)生長，但高剪切也會(huì)導(dǎo)致碰撞接觸時(shí)間變短及核剪切破碎，因此水力剪切存在適中的優(yōu)化范圍[40]。

從以上研究結(jié)果可以看出，幾乎在所有污泥顆?；芯恐兴l件都被認(rèn)為是至關(guān)重要的因素，它直接決定了顆粒化污泥能否順利形成以及形成的污泥的性能。 但是，影響反應(yīng)器水力條件本身的環(huán)境條件往往非常復(fù)雜，如反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式和尺寸規(guī)模，反應(yīng)器中物相類型、數(shù)目及尺度，反應(yīng)器操作條件與方式等，且這些因素之間還存在著復(fù)雜的交互影響而使問題更進(jìn)一步復(fù)雜化。因此，嘗試從現(xiàn)有研究結(jié)果出發(fā)，理清當(dāng)前關(guān)于反應(yīng)器水力條件控制和表達(dá)的思路脈絡(luò)，對(duì)后續(xù)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器水力條件的精確控制和科學(xué)表達(dá)具有重要意義。

2 污泥顆?；^程中水力條件的控制與表達(dá)

由于反應(yīng)器水力條件在污泥顆?；^程中的關(guān)鍵性作用，部分研究者通過多種方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)反應(yīng)器水力條件在不同水平的控制，并運(yùn)用不同方式對(duì)其進(jìn)行了量化表達(dá)，以探究污泥顆?；^程所對(duì)應(yīng)的水力條件的邊界。

2.1 水力條件控制

現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道中，對(duì)反應(yīng)器水力條件的控制主要是通過控制反應(yīng)器曝氣強(qiáng)度和機(jī)械攪拌強(qiáng)度2 種方式來實(shí)現(xiàn)。

控制曝氣強(qiáng)度來調(diào)控反應(yīng)器水力條件的方法在絕大多數(shù)研究中被廣泛采用[41-42]。 對(duì)于培養(yǎng)好氧顆粒污泥的曝氣反應(yīng)器來說，反應(yīng)器的輸入能量包括氣體曝氣的動(dòng)能輸入及氣體上升過程體積膨脹引起的內(nèi)能變化，其中前者占絕對(duì)主導(dǎo)地位。 氣泡動(dòng)能經(jīng)水流曳力被耗散，部分轉(zhuǎn)化為水流的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，進(jìn)而產(chǎn)生水流與顆粒污泥的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起表面摩擦；或者氣泡直接與污泥顆粒發(fā)生碰撞摩擦，以及通過傳遞動(dòng)量給污泥顆粒而造成顆粒間的相互摩擦；以上復(fù)雜相互作用共同構(gòu)成了反應(yīng)器水力剪切作用。 因此，控制曝氣強(qiáng)度就可以間接控制反應(yīng)器水力條件，對(duì)污泥顆?；^程具有舉足輕重的作用[43]。

少數(shù)研究者選擇采用機(jī)械攪拌的方式來提供顆粒污泥培養(yǎng)過程所需的水力條件[11,18,44]。 機(jī)械攪拌對(duì)水力條件的影響機(jī)制在本質(zhì)上與曝氣過程基本相似，其差別主要在于機(jī)械攪拌過程的能量輸入來源于電機(jī)軸功率傳遞到攪拌槳上的機(jī)械動(dòng)能。攪拌槳進(jìn)一步將機(jī)械能傳遞到水相，從而在流體水相中產(chǎn)生一系列不同尺度的渦，渦則通過擴(kuò)散作用和黏性耗散作用進(jìn)行能量傳遞與消耗，使整個(gè)反應(yīng)器水相產(chǎn)生從宏觀尺度的對(duì)流到微觀尺度的分子擴(kuò)散，更進(jìn)一步使顆粒污泥與水相的異質(zhì)性而產(chǎn)生類似曝氣過程的作用于顆粒污泥的水力剪切作用。由于機(jī)械攪拌器的軸功率或轉(zhuǎn)速可以簡單地實(shí)現(xiàn)無極調(diào)整，因此水力條件也可以方便地實(shí)現(xiàn)無梯度的連續(xù)控制。 但是，由于好氧生物反應(yīng)過程需要不斷輸入溶解氧，若單純采用機(jī)械攪拌控制反應(yīng)器水力條件，就必須在原水進(jìn)入生物反應(yīng)器之前采用預(yù)曝氣或壓力溶氣等方式進(jìn)行提前溶氧操作，造成操作過程的不便，因此應(yīng)用較少。 為此，也有少數(shù)研究者采用了機(jī)械攪拌和曝氣聯(lián)用的方式來控制反應(yīng)器的水動(dòng)力學(xué)因素。 例如，曲新月在圓柱形低高徑比（H/D=1.2）的SBR 反應(yīng)器中，依靠曝氣—水平機(jī)械攪拌提供水力剪切， 成功實(shí)現(xiàn)了污泥顆?；痆45]。張小玲等在SBR 反應(yīng)器中以普通絮狀活性污泥為種泥，培養(yǎng)出了富含聚磷菌的好氧顆粒污泥，并研究了水力剪切力對(duì)污泥顆粒理化及生物學(xué)特性的影響，其水力剪切控制方式為較弱的曝氣聯(lián)合不同轉(zhuǎn)速水平的機(jī)械攪拌[46]。

2.2 水力條件表達(dá)

針對(duì)顆粒污泥培養(yǎng)過程中反應(yīng)器水力條件參數(shù)的表達(dá)方式問題，歷經(jīng)了從簡單到復(fù)雜，從宏觀到微觀，從平均到局部的過程。 這里按水力條件參數(shù)表達(dá)發(fā)展歷程和逐步完善化的思路來進(jìn)行討論。

2.2.1 簡單表達(dá)法

由于絕大多數(shù)研究都是采用調(diào)節(jié)曝氣強(qiáng)度來控制反應(yīng)器水力條件，因此已有研究中最為簡單和常用的表達(dá)反應(yīng)器水力條件的參數(shù)是表觀氣速Ug（Superficial Gas Velocity, SGV）。 它反映的是單位反應(yīng)器截面積上氣體的體積流量，采用式（1）計(jì)算。該表達(dá)方式考慮了反應(yīng)器截面積（A）對(duì)單位時(shí)間內(nèi)氣體體積流量（Qg）的影響，在一定程度上可以獨(dú)立于反應(yīng)器規(guī)模來表達(dá)其內(nèi)部曝氣強(qiáng)度，方便對(duì)不同規(guī)模反應(yīng)器中曝氣強(qiáng)度進(jìn)行橫向?qū)Ρ取?因此，該參數(shù)被廣泛用于顆粒污泥培養(yǎng)中水動(dòng)力學(xué)因素的量化表達(dá)[47-49]。

然而值得注意的是， 部分研究者也指出表觀氣速并不是決定反應(yīng)器水動(dòng)力學(xué)條件的唯一因素。 相反，水動(dòng)力學(xué)條件的決定性因素非常復(fù)雜，包括反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)、反應(yīng)器總?cè)莘e、顆粒粒徑及密度、氣泡尺寸分布及反應(yīng)器流動(dòng)流型等， 均會(huì)對(duì)反應(yīng)器水動(dòng)力學(xué)條件產(chǎn)生明顯影響。 例如，周赟成在5 個(gè)序批式生物反應(yīng)器中通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制安裝在底部的微孔砂芯曝氣頭的曝氣強(qiáng)度， 并同時(shí)通過改變反應(yīng)器的高徑比及內(nèi)置篩網(wǎng)來改變總水力剪切力[6]。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：保持高徑比不變，增加曝氣強(qiáng)度則總水力剪切力增加；保持曝氣強(qiáng)度和反應(yīng)器總?cè)莘e不變，增加高徑比則總水力剪切力也會(huì)增加； 曝氣強(qiáng)度和高徑比對(duì)總水力剪切力的影響隨反應(yīng)器工作容積的增加而逐漸減小；內(nèi)置篩網(wǎng)可以增強(qiáng)顆粒的總水力剪切，但不同工作容積條件下效果存在差異； 通過改變以上條件的總水力剪切力影響存在較明顯的區(qū)域分布特征，即不同區(qū)域受影響的程度存在差異性。ZHU 等在3 個(gè)體積均為5 L 但結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的反應(yīng)器中（R1、R2 為SBR， 高徑比分別為3∶1 和12∶1；R3 為序批氣升式反應(yīng)器SABR，高徑比為8∶1），研究了水力剪切條件污染物去除效率和顆粒污泥性質(zhì)的影響， 結(jié)果表明： 表觀氣速大于2.4 cm/s 有利于顆粒污泥形成，相同表觀氣速條件下高徑比大則水力剪切速率大，SABR 雖高徑比相對(duì)低但總剪切速率高。即相同的表觀氣速并不能產(chǎn)生相同的水力剪切作用，因此水力條件的表達(dá)、水力剪切分析比表觀氣速更值得推薦[50]。

2.2.2 平均參數(shù)法

為避免上述簡單表達(dá)法問題，部分研究者嘗試從顆粒污泥反應(yīng)器水力剪切定量計(jì)算的角度來實(shí)現(xiàn)水力條件的表達(dá)。 目前，水力條件主要通過水力剪切應(yīng)力或剪切速率來進(jìn)行表達(dá)。 水力剪切應(yīng)力（τ）是指作用在顆粒表面單位面積上的切向力，單位為Pa。剪切速率（γ）描述的是流體剪切變形的速度，單位為s-1。這2 個(gè)參數(shù)并無顯著差別，可以根據(jù)牛頓黏性定律進(jìn)行簡單換算，即剪切速率與流體動(dòng)力黏度（μ）的乘積即為水力剪切應(yīng)力，見式（2）[51]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中剪切速率的表達(dá)應(yīng)用更為普遍。

目前應(yīng)用較多的反應(yīng)器剪切速率定量計(jì)算方法主要是式（3）[46]，即認(rèn)為剪切速率與輸入功率（P）的平方根成正比。 根據(jù)反應(yīng)器能量輸入方式的不同，曝氣和機(jī)械攪拌方式下P值分別可采用式（4）和式（5）進(jìn)行計(jì)算[52-53]。 將式（4）或式（5）分別代入式（3），即可計(jì)算出反應(yīng)器平均剪切速率γ。

式（3）—式（5）中：V為反應(yīng)器工作容積；ρ為水相密度；g為重力加速度；h為曝氣設(shè)備淹沒深度；C為阻力系數(shù)；ω為攪拌槳角速度；Z為槳板數(shù)目；b為槳板高度；R為垂直軸中心至槳板外緣的距離；r為垂直軸中心至槳板內(nèi)緣的距離。

但是，以上計(jì)算方法還存在一定的缺陷，主要是輸入功率P通常僅能獲得總體輸入功率數(shù)據(jù)， 而它并不是完全被液相本體所耗散，部分功率消耗于壁面摩擦，而與水力剪切有關(guān)的體耗散則主要由發(fā)生在相界面的摩擦引起， 這一觀點(diǎn)已由MERCHUK 在針對(duì)氣升式反應(yīng)器的能量耗散模型研究中指出[54]?？紤]扣除壁面摩擦耗散后， 任婷婷得到了三相氣泡柱SBR中總剪切應(yīng)力的計(jì)算式（6）[55]。

式（6）中：Ebulk為扣除壁面摩擦后的體耗散能量；tc為流體的循環(huán)水力停留時(shí)間；h為反應(yīng)器工作高度；V為反應(yīng)器混合相體積；ab和as分別為氣泡和顆粒污泥固相的比表面積。從式（6）可以看出，剪切應(yīng)力大小仍然與多種因素相關(guān)聯(lián)，包括反應(yīng)器構(gòu)型、污泥顆粒性質(zhì)、運(yùn)行條件及流體性質(zhì)等。

解決體耗散功率被高估的另一種方法是直接應(yīng)用相關(guān)領(lǐng)域的研究成果。 例如，考慮到好氧顆粒污泥反應(yīng)器一般具有鼓泡塔構(gòu)型，DE GRAAFF 等[56]在研究現(xiàn)場規(guī)模好氧顆粒污泥Nereda 反應(yīng)器中污泥的強(qiáng)度特征時(shí)， 通過借鑒鼓泡塔能量耗散的相關(guān)研究結(jié)果，并基于SáNCHEZ 等[57]提出的剪切速率計(jì)算半經(jīng)驗(yàn)公式，建立了用于描述鼓泡類反應(yīng)器剪切速率的計(jì)算式（7）。

式（7）中：K是為保持量綱一致性而引入的指數(shù)，對(duì)牛頓流體可取為其動(dòng)力黏度， 單位Pa·s；n是與流體流動(dòng)行為相關(guān)的指數(shù)，牛頓流體可取為1。 值得注意的是，同樣處于穩(wěn)定運(yùn)行的鼓泡塔類好氧顆粒污泥反應(yīng)器，就平均水力條件參數(shù)來說，現(xiàn)場規(guī)模的Nereda 反應(yīng)器比實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的鼓泡塔具有低一個(gè)量級(jí)以上的表觀氣體速度和剪切速率。

獨(dú)立于以上基于能量輸入的計(jì)算方法，CAMPESI 等在研究同時(shí)曝氣和攪拌生物反應(yīng)器中平均剪切速率時(shí)，提出了一種基于參數(shù)關(guān)聯(lián)的剪切速率計(jì)算方法[58]。 采用易于測量獲取的平均體積氧傳質(zhì)系數(shù)（kLa）來關(guān)聯(lián)剪切速率的計(jì)算方法，具體可以用式（8）來表示。

式（8）中：K、n與式（7）中一致；N為攪拌器轉(zhuǎn)速；a、b、c、d為常數(shù)。 該式也被FAN 等在估算同時(shí)存在曝氣和攪拌的顆粒污泥培養(yǎng)SBR 系統(tǒng)中進(jìn)行引用[59]。 但由于氧傳質(zhì)效率模型及氧傳質(zhì)效率與反應(yīng)器參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)式的半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)，本質(zhì)上仍屬于平均剪切速率的半經(jīng)驗(yàn)公式。

綜上可知：在實(shí)際應(yīng)用中，以上各種平均值計(jì)算性質(zhì)的水力條件參數(shù)本身受影響的環(huán)境條件因素較多，而參數(shù)與各種復(fù)雜影響因素之間的關(guān)聯(lián)式并未建立也難以建立，因此將在一定程度上限制平均水力條件參數(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。

2.2.3 局部參數(shù)法

隨著近些年計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法在化學(xué)、生物工程領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展， 精細(xì)化流場結(jié)構(gòu)得以表達(dá)，理論上通過足夠精細(xì)的時(shí)空離散化，它可以得到任何時(shí)間和空間點(diǎn)上的瞬時(shí)和局部流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)，在反應(yīng)器水力條件局部參數(shù)精確計(jì)算和可視化表達(dá)領(lǐng)域表現(xiàn)出難以替代的優(yōu)勢。 因此，少數(shù)研究者開始將CFD 方法應(yīng)用到了污泥顆粒化過程水力條件參數(shù)的模擬計(jì)算與可視化表達(dá)中。

張易培利用Fluent 研究了單個(gè)好氧顆粒污泥在不同雷諾數(shù)以及滲透系數(shù)下周圍以及內(nèi)部的流體速度場分布及剪切速率分布[60]。 王陸璽等利用CFD 軟件模擬了擋板式和圓筒式2 種SBR 反應(yīng)器中水流速度場和氣泡分布的情況，發(fā)現(xiàn)圓筒式反應(yīng)器中水流速度提高了34.4%且氣泡分布更加均勻，表明其中具有更高的水力剪切力[36]。 劉漢唐采用CFD 數(shù)值模擬技術(shù)分析了曝氣對(duì)SBR 中氣液兩相流的流場的影響，得到了不同氣泡尺寸下的流型和湍動(dòng)能耗散率分布，并提出以液相湍動(dòng)能耗散率來表征流場內(nèi)水力剪切作用的強(qiáng)弱[43]。范文雯等對(duì)鼓泡好氧顆粒污泥反應(yīng)器進(jìn)行了CFD 模擬， 通過獲取流場切向速度梯度分量duz/dx分析了水力剪切速率在全流場中的分布特征，并改變模擬參數(shù)研究了表觀氣速和曝氣孔徑對(duì)水力剪切的影響[61]。 FAN 等利用CFD 方法模擬了低高徑比的同時(shí)攪拌和曝氣的SBR 中流動(dòng)狀態(tài)， 發(fā)現(xiàn)隨著攪拌速度和SGV 的提高反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)從單體循逐漸環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槎噤鰷u循環(huán)狀態(tài)，攪拌速度對(duì)流態(tài)影響明顯而SGV 影響較弱；同時(shí)提取、繪制了氣含率、液體速度、氣泡尺寸分布和剪切速率等分布云圖，實(shí)現(xiàn)了流場特征和參數(shù)的可視化[59]。

以上研究在將CFD 技術(shù)應(yīng)用到顆粒污泥培養(yǎng)水力條件的探討中， 獲得了初步的成功， 充分體現(xiàn)了CFD 技術(shù)在全流場空間精細(xì)化表達(dá)和局部、 難測量參數(shù)獲取等方面的優(yōu)勢，可以預(yù)期該領(lǐng)域必將經(jīng)歷更為充分的發(fā)展，主要發(fā)展方向包括復(fù)雜構(gòu)型反應(yīng)器水力條件定量化表達(dá)、多尺度、多相態(tài)的氣泡—污泥—水多相流動(dòng)過程模擬、流場耦合污染物傳質(zhì)與反應(yīng)過程模擬、顆粒污泥過程適應(yīng)性流動(dòng)與傳質(zhì)模型優(yōu)化等方面。

3 結(jié)論與展望

顆?；勰嗯囵B(yǎng)過程中水力條件具有舉足輕重的作用，到目前為止該領(lǐng)域已經(jīng)積累了較多的相關(guān)研究成果。 通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的總結(jié)與分析得到：水力條件必須處于一定范圍內(nèi)顆粒化污泥才能被成功培養(yǎng)及保持穩(wěn)定， 水力條件可能影響培養(yǎng)顆粒污泥的粒徑、密度、抗剪切強(qiáng)度、EPS 含量、沉降性等性能，但對(duì)于顆粒污泥能被成功培養(yǎng)及穩(wěn)定存在的水力剪切條件的閾值范圍還不確切；通過控制曝氣強(qiáng)度或機(jī)械攪拌速度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)器水力條件的有效控制，反應(yīng)器不同運(yùn)行狀態(tài)的水力條件則主要通過表觀氣速或平均剪切速率來表達(dá)，但是影響反應(yīng)器水力條件的因素非常復(fù)雜，簡單以表觀氣速來表達(dá)水力條件則相對(duì)粗放，平均剪切速率表達(dá)水力條件明顯提高了精確性和可對(duì)比性，但仍存在忽略水力剪切空間分布特征的問題，CFD 方法能夠?qū)崿F(xiàn)全流場空間、瞬態(tài)水力條件參數(shù)精確計(jì)算，各相流速及分布、水力剪切速率等微觀參數(shù)可視化表達(dá)，將在顆粒化污泥培養(yǎng)水力條件研究中具有廣闊的應(yīng)用前景。