基于理想流态的生物反应器是在一定长径比的反应器中,设置相应设备,使反应器内形成螺旋上升流,此种流态可使活性污泥混合液以螺旋流的方式旋转上升,在横向断面沿圆周的螺旋向上流动方向形成不等速推流,可使具有推流流态的流线束具有极大的"长径比"而反应器本身的长径比又可以比较小,从而大大提高反应器推流流态的容积利用率。这种流态还可使相邻流线之间产生一定的速度梯度以利物系之间的质量传递,有利于形成并维系相对固定的微生物群落,便于微生物之间产生共生和互生关系,促进不同微生物之间产生协同作用,有利于形成活性污泥中微生物的生物多样性,进一步提高污水处理的效果。这一综合了化学反应与微生物作用的生物反应器的研究结果是对目前基于单纯化学反应的PFR反应器设计理论的一个创新,将可对适合污水处理的反应器理论与设计技术进行优化。由于这种反应器为立式结构,容积利用率高,可充分利用空间,减小设备容积,便于装置化和推广应用。
根据流态理论,将螺旋流特征应用于污水处理反应器技术中,开发出两种新型污水处理反应器螺旋升流式反应器(SUFR);同心圆活动导流墙式环流反应器(OGO)。课题对反应器流态、脱氮除磷效果以及微生物生态等方面进行了研究。流态试验研究表明螺旋流方式有利于新型反应器推流流态容积利用率的提高,从而强化了推流效果。研究发现,当污泥龄为15~20天、水力停留时间为8~10小时、反应器长径比为4~6时,SUFR系统具有较高的脱氮除磷效果。而OGO系统氨氮、总氮平均去除率分别从传统OCO工艺的51%、49%提高到74%、63%,总磷的平均去除率由70%提高到78%。微生物生态研究表明螺旋流特征能形成适宜于不同微生物种群生存的生态位,有利于活性污泥中微生物种群的多样化,使两种反应器均具有较强的抗外界干扰和自身恢复调节能力;螺旋流特征有利于污泥的颗粒化,方便地实现了目前较难工程化的反硝化除磷及同时硝化反硝化脱氮作用。上述成果对生物除磷脱氮系统的进一步研究和工程应用具有重要的指导意义。