流態對于生物處理系統的運行至關重要。它直接決定了污泥聚集體的生長、破碎和重組等關鍵過程（Feng et al., 2019; Jin and Lant, 2004），進而影響污泥的關鍵特性，包括ζ電位（Feng et al., 2020）、表面疏水性/親水性（Mikkelsen, 2001）、EPS的產生和組成（Wilén et al., 2000）以及生物絮凝性能（Feng et al., 2019）。好氧顆粒污泥（AGS）是一種創新的生物處理技術，其獨特的層狀結構近年來引起了廣泛關注（Wu et al., 2025）。與傳統活性污泥系統相比，AGS具有更好的沉淀性能（Nancharaiah and Kiran Kumar Reddy, 2018）、更高的污染物去除效率（Morgenroth et al., 1997）、更小的占地面積和更低的能耗，分別降低了50%-75%和38%-48%（Nancharaiah and Sarvajith, 2019）。
AGS的形成是一個復雜的過程，主要受生物反應器內流體動力學條件的控制（Guo et al., 2022），通常使用序批反應器（SBRs）。在這些系統中，通過調整反應器幾何形狀和表面風速可以直接改變內部流動模式，從而影響顆粒化效率。研究表明，高度與直徑比更高的SBRs會產生更強的水力剪切力和更長的循環路徑，從而增加顆粒間的碰撞頻率并促進顆�；ˋwang and Shaaban, 2016; Zhao and Zhou, 2024）。同樣，表面風速的增加也有助于顆�；–hen et al., 2007; Gao et al., 2013; Tay et al., 2004）。例如，表面風速超過1.2 cm/s時，可以促進更密集和更規則的AGS結構形成，而風速為0.3 cm/s的系統通常只形成生物絮體（Tay et al., 2001）。此外，反應器內的流動不均勻性可能導致局部停滯或過度湍流。這些不規則性增加了微生物群落的復雜性，并抑制了有效的相互作用，從而阻礙了顆粒成熟（Hamiruddin et al., 2025）。因此，全面理解反應器流體動力學對于闡明AGS形成機制和促進放大至關重要。
計算流體動力學（CFD）通過求解質量、動量和能量守恒的方程，是一種預測流體流動、質量傳遞和熱傳遞的強大方法（Gresch et al., 2009; Wang et al., 2010）。近年來，CFD越來越多地被用于分析生物反應器內的流體動力學條件（Feng et al., 2019; Guo et al., 2022）。Feng等人（2020）的研究闡明了污泥絮凝中的流體動力學機制。他們研究了幾種關鍵流體動力學參數（包括湍流動能、湍流耗散率和Kolmogorov微尺度）與污泥特性之間的關系，并證明湍流耗散率的增加可以顯著提高污泥體積指數（SVI）（Feng et al., 2010）。然而，大多數當前的研究僅關注宏觀參數，如表面風速和反應器高度與直徑比，來評估流體動力學對AGS的影響，而沒有系統地整合流場、表面熱力學、微生物群落演替和代謝途徑。
為了填補這一空白，本研究在SBRs中加入了擋板，以精確控制內部流體動力學條件。通過結合CFD模擬、表面熱力學、擴展的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理論和宏基因組分析，本研究旨在闡明湍流驅動的AGS形成的多尺度耦合機制。研究重點關注四個主要目標：（1）利用CFD模擬定量描述擋板如何改變關鍵流體動力學參數，包括流場模式、湍流動能和渦旋結構；（2）評估不同流體動力學條件下AGS的物理性質、EPS的組成和空間分布以及系統的污染物去除性能；（3）應用表面熱力學和XDLVO理論來闡明流動條件如何通過調節界面能量障礙來控制微生物聚集；（4）利用宏基因組學研究流體動力學對微生物群落演替、功能菌群富集以及關鍵代謝基因豐度的影響。通過這種多層次的系統分析，本研究建立了流體動力學參數與AGS特性之間的明確定量關系，為通過合理的流場設計優化AGS系統提供了理論基礎。
