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近年来随着城镇化建设的快速发展，我国增大了城镇污水处理规模并提高了污水处理厂出水排放标准。氧化沟(Oxidation Ditch，OD)具有较长的水力停留时间、耐冲击负荷能力强等优点，是常用的污水处理工艺。因其具有复杂的推流及混合等水力学特征，目前关于如何优化配置氧化沟工艺中的曝气设备和水下推进器，平衡达标排放与节能运行间的能耗，尚缺乏成熟的理论指导。此外，为了进一步降低总磷和悬浮物(Suspended Solids，SS)等出水指标的含量，部分污水处理厂采用了高效澄清池新工艺进行提标改造。氧化沟与二沉池后增加的高效澄清池工艺运行过程中，由于磷形态复杂及其水力学特征不清晰，因此缺乏除磷及SS去除的优化方案。本论文针对以上问题，以武汉市南太子湖污水处理厂氧化沟工艺为研究对象，建立了计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)及耦合生化模型，并开展了优化运行及实测校验研究；对南太子湖污水处理厂与汤逊湖污水处理厂氧化沟提标改造后新增加的高效澄清池工艺运行过程中的不同形态磷的除磷效果进行对比研究；并对南太子湖污水处理厂的高效澄清池工艺进行了CFD模拟与关键结构参数优化研究。主要研究内容包括：
1、建立了氧化沟CFD与ASM2(Activated Sludge Model No. 2)生化模型的耦合模型，优化了实际氧化沟节能运行方案
以实验室小试氧化沟为研究对象，采用流体体积模型对表面曝气氧化沟的液-气两相流CFD模型进行了探索，通过实测的气含率与流场分布对模型进行了校验。模拟结果表明，当水下推进器相对于有效水深的安装高度比由当前的0.545下降为0.273时，下层流速可提高22.06%，能降低污泥沉积的风险。
以南太子湖污水处理厂卡鲁塞尔(Carrousel)氧化沟为对象，通过三维网格化建模，利用组分传输模型与溶解氧输入对生化模型中源项建立了用户自定义函数并导入CFD水力学模型，成功构建了氧化沟水力学模型与ASM2生化模型的耦合模型。耦合模型首次运用于全沟段氧化沟模拟，对于主要水质指标：三维流速、SS、溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)、总氮(Total Nitrogen ， TN )、氨氮(AmmoniumNitrogen，NH4+-N)、总磷(TotalPhosphorus，TP)等模拟结果与实测结果标准相对误差分别为4.34%、0.23%、0.57%、5.32%、3.32%、3.20%、5.09%，证明了模型的有效性。利用建立的CFD-ASM2耦合模型对开启不同组合的曝气设备与水下推进器运行模式进行模拟优化。在同样达到一级A排放标准(GB 18918-2002)的情况下，运行模式II(开启7台转碟曝气机与10台水下推进器)相比于当前运行模式(开启9台转碟曝气机与13台水下推进器)，可以降低第二与第四沟段SS浓度，有利于防止污泥沉积，同时氧化沟全沟段运行能耗可以降低22.3%，节约电耗55.46万元/年，节能效果显著。
2、揭示了二沉池出水中影响深度除磷效果的磷形态关键因子，开展了提标改造后高效澄清池工艺的混凝-絮凝除磷优化实验研究
通过选取武汉市南太子湖污水处理厂(生活污水与工业废水混合)与汤逊湖污水处理厂(生活污水)，研究不同进水初始磷含量对二沉池出水后高效澄清池工艺的混凝-絮凝除磷效果影响。利用响应表面法对二沉池出水中阳离子型聚丙烯酰胺(Cationic Polyacrylamide，PAM)与聚合氯化铝(Polyaluminium Chloride，PAC)的投加量进行优化，研究结果表明：对于南太子湖污水处理厂，共同投加阳离子型PAM与PAC，且其投加量分别为3mg/L与25mg/L时，总磷去除率最高为68.26%；对于汤逊湖污水处理厂，当PAC投加量为50mg/L时，总磷去除率最高为85.52%。并提出了一种二沉池出水中无机磷-有机磷形态的分类方法(R=0.915，p<0.05)，比常见的溶解性磷-颗粒性磷的磷形态分类方法(p>0.05)更能有效评估不同混凝/絮凝剂对二沉池出水的除磷效果。进一步通过化学分析与液态31P核磁共振波谱分析得出，阳离子型PAM主要去除包括膦酸酯和正磷酸单酯等有机磷，而PAC主要去除以正磷酸盐为主的无机磷。
3、建立了高效澄清池工艺的液-固两相流CFD三维模型，用于优化高效澄清池的稳定运行方案
以武汉市南太子湖污水处理厂提标改造增加的高效澄清池工艺为研究对象，使用多相流模型建立了高效澄清池工艺的液-固两相流CFD三维模型。流速与SS浓度的模拟结果与实测结果校验表明，标准相对误差分别为6.71%与1.24%。对不同下穿通道高度与宽度、溢流墙高度与挡板高度的优化方案进行模拟，其结果发现下穿通道高度的变化比宽度的变化对流场的影响更明显。将下穿通道高度从2000mm降低为500mm，挡板高度从3300mm加长到5213mm的优化方案相比于优化前初始方案，可有效降低反应池池底SS浓度34.95%，反应池停留时间缩短4.77%，能有效防止反应池污泥沉积。该方案可提高SS去除效率，并减少反应池污泥清淤量与运行成本。
本研究为污水处理厂氧化沟工艺与提标改造新增高效澄清池工艺的高效稳定运行提供了技术支撑和理论基础，对指导城市生活污水处理厂的稳定运行提供理论依据。
1、建立了氧化沟CFD与ASM2(Activated Sludge Model No. 2)生化模型的耦合模型，优化了实际氧化沟节能运行方案
以实验室小试氧化沟为研究对象，采用流体体积模型对表面曝气氧化沟的液-气两相流CFD模型进行了探索，通过实测的气含率与流场分布对模型进行了校验。模拟结果表明，当水下推进器相对于有效水深的安装高度比由当前的0.545下降为0.273时，下层流速可提高22.06%，能降低污泥沉积的风险。
以南太子湖污水处理厂卡鲁塞尔(Carrousel)氧化沟为对象，通过三维网格化建模，利用组分传输模型与溶解氧输入对生化模型中源项建立了用户自定义函数并导入CFD水力学模型，成功构建了氧化沟水力学模型与ASM2生化模型的耦合模型。耦合模型首次运用于全沟段氧化沟模拟，对于主要水质指标：三维流速、SS、溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)、总氮(Total Nitrogen ， TN )、氨氮(AmmoniumNitrogen，NH4+-N)、总磷(TotalPhosphorus，TP)等模拟结果与实测结果标准相对误差分别为4.34%、0.23%、0.57%、5.32%、3.32%、3.20%、5.09%，证明了模型的有效性。利用建立的CFD-ASM2耦合模型对开启不同组合的曝气设备与水下推进器运行模式进行模拟优化。在同样达到一级A排放标准(GB 18918-2002)的情况下，运行模式II(开启7台转碟曝气机与10台水下推进器)相比于当前运行模式(开启9台转碟曝气机与13台水下推进器)，可以降低第二与第四沟段SS浓度，有利于防止污泥沉积，同时氧化沟全沟段运行能耗可以降低22.3%，节约电耗55.46万元/年，节能效果显著。
2、揭示了二沉池出水中影响深度除磷效果的磷形态关键因子，开展了提标改造后高效澄清池工艺的混凝-絮凝除磷优化实验研究
通过选取武汉市南太子湖污水处理厂(生活污水与工业废水混合)与汤逊湖污水处理厂(生活污水)，研究不同进水初始磷含量对二沉池出水后高效澄清池工艺的混凝-絮凝除磷效果影响。利用响应表面法对二沉池出水中阳离子型聚丙烯酰胺(Cationic Polyacrylamide，PAM)与聚合氯化铝(Polyaluminium Chloride，PAC)的投加量进行优化，研究结果表明：对于南太子湖污水处理厂，共同投加阳离子型PAM与PAC，且其投加量分别为3mg/L与25mg/L时，总磷去除率最高为68.26%；对于汤逊湖污水处理厂，当PAC投加量为50mg/L时，总磷去除率最高为85.52%。并提出了一种二沉池出水中无机磷-有机磷形态的分类方法(R=0.915，p<0.05)，比常见的溶解性磷-颗粒性磷的磷形态分类方法(p>0.05)更能有效评估不同混凝/絮凝剂对二沉池出水的除磷效果。进一步通过化学分析与液态31P核磁共振波谱分析得出，阳离子型PAM主要去除包括膦酸酯和正磷酸单酯等有机磷，而PAC主要去除以正磷酸盐为主的无机磷。
3、建立了高效澄清池工艺的液-固两相流CFD三维模型，用于优化高效澄清池的稳定运行方案
以武汉市南太子湖污水处理厂提标改造增加的高效澄清池工艺为研究对象，使用多相流模型建立了高效澄清池工艺的液-固两相流CFD三维模型。流速与SS浓度的模拟结果与实测结果校验表明，标准相对误差分别为6.71%与1.24%。对不同下穿通道高度与宽度、溢流墙高度与挡板高度的优化方案进行模拟，其结果发现下穿通道高度的变化比宽度的变化对流场的影响更明显。将下穿通道高度从2000mm降低为500mm，挡板高度从3300mm加长到5213mm的优化方案相比于优化前初始方案，可有效降低反应池池底SS浓度34.95%，反应池停留时间缩短4.77%，能有效防止反应池污泥沉积。该方案可提高SS去除效率，并减少反应池污泥清淤量与运行成本。
本研究为污水处理厂氧化沟工艺与提标改造新增高效澄清池工艺的高效稳定运行提供了技术支撑和理论基础，对指导城市生活污水处理厂的稳定运行提供理论依据。