在各种废水处理方法中，活性污泥工艺是一种广泛采用的生物处理技术（Crosset-Perrotin等人，2025年）。特别是厌氧-缺氧-好氧（A²O）工艺在过去几十年中成为最流行的配置之一，有效结合了硝化/反硝化作用和强化生物除磷（Zhang等人，2023年）。由于其成本效益高、能耗低和营养物去除效果可靠，A²O工艺在中国各地的污水处理厂得到广泛应用，适用于生活污水和工业污水的处理，以及二级、三级和再生水的处理。
计算流体动力学（CFD）已被广泛用于模拟生物反应器中的水力和生物行为（Climent等人，2018年；Xu等人，2021年；Xu等人，2020年）。许多研究人员开发了数值模型来描述流动模式，其中k–ε模型是最常用的选择，尽管在某些情况下k–ω模型也与实验数据吻合良好（Karpinska和Bridgeman，2016年）。然而，k–ω模型在模拟某些多相流时存在局限性。多相建模通常采用Euler-Euler或Euler-Lagrange方法，为模拟气泡流动提供了有用的框架。虽然Euler-Lagrange方法可以追踪单个气泡，但其高计算成本使得Euler-Euler方法更适合大规模系统（Climent等人，2019年；Ren等人，2024年；Xu等人，2021年）。
准确量化气相到混合液中的界面氧传输是一个在活性污泥反应器（ASR）计算建模中的基本难题（Chen等人，2023年；Fayolle等人，2007年；Terashima等人，2016年）。这一预测的准确性高度依赖于局部气泡尺寸分布（BSD），它决定了可用于质量传递的界面面积（Chen等人，2023年；Karpinska和Bridgeman，2016年；Ren等人，2024年）。早期的建模工作通常通过假设单一的、恒定的气泡直径来简化气泡动态，这在理想曝气条件下是一个合理的近似，此时气泡相互作用较少且尺寸分布较窄。传统设计工具估计整个池体的整体氧传递系数（KLa），而CFD则能够基于多相模拟获得的局部气体体积分数进行空间预测。例如，Cockx等人（2001年）将Higbie的穿透理论纳入CFD模型，以预测中试规模的气升式反应器中的KLa，而Fayolle等人（2007年）强调了流体力学对氧传递的强烈影响，证实了CFD在此类分析中的实用性。然而，研究表明，假设单一的、恒定气泡直径的简化显著限制了预测精度，而BSD是评估氧气传递效率的关键参数（Amaral等人，2018年；Ren等人，2024年；Sarhan等人，2018年）。尽管有这些进展，但在集成模拟中准确模拟对生物废水处理至关重要的氧传递仍然具有挑战性。在湍流曝气条件下，气泡相互作用导致气泡尺寸的空间分布广泛，直接影响界面面积和氧传递速率。在这种情况下，简化的均匀直径方法会导致模拟结果与实验数据之间存在显著差异，尤其是在预测局部KLa值时（Climent等人，2019年）。
在工业应用中，由于曝气器和非均匀的气泡尺寸分布，通常需要使用更精确的模型来准确模拟流动行为（Draw和Rzehak，2024年）。种群平衡模型（PBM）通过引入气泡数密度函数并建立包含气泡破裂和聚并机制的传输方程，可以动态描述反应器内气泡尺寸分布的时空演变，这是传统模型所缺乏的物理机制（Rajendran等人，2023年）。这种方法允许动态预测气泡尺寸分布及其与KLa估计的直接关联（Climent等人，2019年）。在之前的研究中，Li和Yang（2023年）发现，尽管PBM模型在高湍流区域仍存在不足，但它比传统的两相模型更真实地反映了气泡破裂和聚并过程；Climent等人（2019年）专注于全尺寸氧化沟中的气液两相流动，使用CFD结合PBM详细分析了气泡的演变过程，包括气泡尺寸分布、气体持留量和界面面积密度；Zhang等人（2020年）使用耦合的CFD-PBM模型模拟了气泡柱中的流体力学和质量传递，成功预测了不同粘度下的气泡尺寸扩散，并证明了耦合模型在预测宽粘度范围内的气泡柱质量传递方面的可靠性；Mohan T等人（2021年）将高速相机数据与PBM模拟的气泡尺寸分布进行了比较，发现最大偏差小于6.5%；SeyedSharifi等人（2024年）使用CFD-PBM模型分析了不同曝气器布置模式下气泡尺寸分布的变化，从而评估了它们对氧气传递效率的影响。因此，为了有效模拟气泡行为及其对氧气传递的影响，使用结合了湍流模型的Euler-Euler多相公式和PBM是一个合理的选择，这些湍流模型适用于多相流动（Climent等人，2019年；Mohan T等人，2021年；Ren等人，2024年）。
CFD还有助于整合生物动力学模型（如活性污泥模型（ASM），实现流体动力学和生物过程的耦合模拟。这有助于评估反应器几何形状、流速、曝气设计和操作条件对处理性能的影响（Climent等人，2018年；Sánchez等人，2018年；Xu等人，2021年）。Glover等人（2006年）为ASR开发了一个CFD-ASM1模型，Le Moullec等人（2010年）在稳态条件下建立并验证了一个完整的CFD-ASM1模型，解决了精度和计算成本之间的权衡问题。（Lei和Ni，2014年）和（Yang等人，2016年）进一步将三相CFD-ASM模型应用于氧化沟和膜生物反应器（MBRs）。随后，Karpinska和Bridgeman（2016年）提供了CFD在ASR建模中应用的全面综述，（Climent等人，2018年）使用CFD-ASM模型优化和改造了一个全尺寸生物反应器，提高了其反硝化效率。Xu等人（2021年）将流体力学和生物动力学整合到一个A²O系统中，使用耦合的CFD-ASM2框架优化了关键操作参数，如溶解氧（DO）、铵氮（NH₄⁺-N）、化学需氧量（COD）、总磷（TP）和总氮（TN），特别是在严格的出水磷标准下降低了能耗。
尽管先前的研究人员在耦合CFD-ASM模型方面取得了显著进展，但很少有人考虑非均匀气泡尺寸分布对这些耦合模型中氧气传递的影响。因此，本研究旨在为全尺寸生物反应器制定一个多物理场耦合的CFD-PBM-ASM2框架，以模拟流体动力学和生物动力学，从而弥合基于A²O系统的多相流特性与生物过程预测之间的差距。
