虞嘉東，張振家，王欣澤
(上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

　　摘要：厭氧顆?；勰嗟男纬墒荱ASB等高效厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)成功的標(biāo)志，研究污泥顆?；Ｓ玫氖侄尉褪菧y(cè)定反應(yīng)器內(nèi)污泥顆粒的粒徑分布，測(cè)量顆粒污泥粒徑的方法有沉降法、濕式篩分析法、顯微鏡法、圖像分析和激光粒度測(cè)定法等。而濕式篩分析法是一種適合我國(guó)國(guó)情的方法。
　　關(guān)鍵詞：污水處理；厭氧；顆粒污泥；粒徑分布
　　中圖分類號(hào)：X703　　 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B　　 文章編號(hào)：1009—2455(2004)01—0057—03

　　在UASB等厭氧反應(yīng)器內(nèi)，大部分厭氧污泥是以直徑約為0.5-6.0mm的球形或橢球形狀的顆粒污泥存在，也有報(bào)道發(fā)現(xiàn)顆粒污泥的直徑可達(dá)7mm。顆粒污泥的形成使厭氧反應(yīng)器內(nèi)可以保留高濃度的厭氧污泥，這樣就使高效厭氧反應(yīng)器的負(fù)荷比一般絮狀污泥的厭氧反應(yīng)器的負(fù)荷提高約3-5倍。
　　要保證高效厭氧反應(yīng)器有較好的運(yùn)行性能，就必須使反應(yīng)器內(nèi)的厭氧污泥具有良好的沉降性能。而當(dāng)單獨(dú)的顆粒的密度基本相同時(shí)，污泥顆粒的沉降性能僅與顆粒自身的粒徑有關(guān)，一般較大的顆粒沉降性能較好。正因?yàn)榇?，分析污泥顆粒的粒徑分布就能間接地反映反應(yīng)器的運(yùn)行狀況。同時(shí)不同構(gòu)型的反應(yīng)器因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)流態(tài)的差異，也會(huì)使得顆粒污泥的粒徑分布產(chǎn)生一定差異；同一反應(yīng)器內(nèi)也會(huì)因進(jìn)水負(fù)荷和基質(zhì)的改變，在不同階段，反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的粒徑分布也會(huì)產(chǎn)生變化；而且在EGSB等推流式反應(yīng)器內(nèi)，因反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)濃度的變化，在反應(yīng)器的不同高度層面，顆粒污泥的分布也有較大的差異。綜合上面的這些因素，研究反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的粒徑分布可以很直觀地反映出水力條件、基質(zhì)類型、基質(zhì)濃度等對(duì)顆粒污泥產(chǎn)生的影響，對(duì)于深入研究顆?；男纬伞⒀芯坑绊懳勰囝w?；奈锢砘瘜W(xué)因素和如何將反應(yīng)器維持在良好狀態(tài)有著特殊的作用(1J。因此，無(wú)論在實(shí)驗(yàn)室條件下還是在工程實(shí)踐中對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的顆粒污泥粒徑分布進(jìn)行測(cè)試都顯得非常必要。
　　目前在實(shí)驗(yàn)室和工程中用來(lái)分析UASB反應(yīng)器污泥粒徑分布的測(cè)試方法有以下幾種：

1 沉降速率計(jì)算法

　　沉降速率計(jì)算法一般是在水溶液中使污泥顆粒沉降，間接測(cè)定污泥顆粒的沉降速率，再根據(jù)斯托克斯公式計(jì)算出顆粒大小的一種方法。經(jīng)過(guò)沖洗的顆粒污泥(50-100mL)在一個(gè)2.20m的水柱中沉降并用天平測(cè)定水柱中顆粒污泥的質(zhì)量隨時(shí)間的變化。顆粒粒徑分布可根據(jù)以下公式計(jì)算^[2]：
　　Re=0.153×Ca^O.71　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (1)　　　
　　Ga=gD_p³ρ_w(ρ_s-ρ_w)μ^-2　　　　　　　　　　　　　　　　　 (2)
　　Dp=5.26 μ^0.872ρ_w^0.257v^0.886/[g^0.528(ρ_s-ρ_w)^0.628](3)
　　式中：Re——雷諾數(shù)；
　　　　　Ga——伽利略數(shù)；
　　　　　g-----重力加速度，m／s²；
　　　　　D_p--------顆粒污泥粒徑，m；
　　　　　ρ_w——水的密度，kg／m³；
　　　　　ρ_s-—顆粒污泥的密度，kg／m³；
　　　　　μ———?jiǎng)恿φ硿?，Pa·s；
　　　　　υ——沉降速度，m／s。
　　這種方法操作簡(jiǎn)單，成本較低，在使用工程中消耗品用量較少，儀器不易損耗，維修維護(hù)方便，不僅能測(cè)定粒度的大小，還可測(cè)定粒度分布。但是這種方法假設(shè)粒徑和沉降速率成一定關(guān)系，這與實(shí)際情況并不完全吻合，因此必然降低測(cè)定的穩(wěn)定性和精確性，而且耗時(shí)較長(zhǎng)。
　　由于存在精確性和耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，目前這種技術(shù)在測(cè)定UASB反應(yīng)器內(nèi)污泥粒徑分布方面使用較少。

2 濕式篩分析法

　　濕式篩分析法是最常用的粒徑測(cè)試方法，工藝控制與其它方法相比也最為方便。它遵循簡(jiǎn)單的極限量規(guī)原理，以顆粒能否通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)篩的網(wǎng)眼來(lái)測(cè)定粒徑的大小。
　　篩分過(guò)程為：在磷酸鹽緩沖溶液ρ(KH₂PO₄)=4g／L，ρ(Na₂HPO₄·7H₂O)=5.09 g／L，ρ(K₂HPO₄)=1.08 g／L，pH=7.3)中，讓10-25 mL污泥顆粒依次通過(guò)網(wǎng)眼為2，0.925，0.76，0.59和0.23 mm的不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)篩，然后收集截流在不同孑L徑篩網(wǎng)上的顆粒，分別在轉(zhuǎn)速為5 000r／min的條件下離心15 min，測(cè)出它們各自的VSS和TSS，這樣就可以得到不同粒徑范圍下(<0.23，0.23—0.59，0.59-0.76，0.76-0.925，0.925-2，>2mm)的顆粒的質(zhì)量占污泥顆?？傎|(zhì)重的質(zhì)量分?jǐn)?shù)^[1]。當(dāng)然在實(shí)際操作中標(biāo)準(zhǔn)篩的網(wǎng)眼規(guī)格會(huì)有一定的差異。
　　影響篩分析精度的主要因素是：網(wǎng)眼的尺寸的均勻性和篩網(wǎng)的磨損程度。網(wǎng)眼不均勻、尺寸大小不一，導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生誤差；長(zhǎng)時(shí)間使用后，網(wǎng)布松弛、網(wǎng)眼變大，測(cè)定結(jié)果必然偏細(xì)。
　　這種方法所需設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，操作較為簡(jiǎn)單，雖然它無(wú)法得到各粒徑范圍下顆粒的數(shù)量和平均粒徑，但是能夠較為精確的獲得反應(yīng)器內(nèi)污泥顆粒化程度的訊息。A Laguna^[1]等人在實(shí)驗(yàn)室條件下和實(shí)際工程中，使用這種方法對(duì)處理不同廢水的UASB反應(yīng)器內(nèi)的顆粒污泥進(jìn)行粒徑分析，均取得了滿意的結(jié)果，經(jīng)測(cè)試污泥顆粒的形貌在篩分前后沒(méi)有明顯的差異，這說(shuō)明這種方法是比較可靠的。
　　這種方法能夠在不具備大型分析儀器的條件下，方便而快速地分析污泥的顆?；乃?，故在國(guó)內(nèi)外的研究中都被廣泛地采用。

3 顯微鏡法

　　顯微鏡法是測(cè)定顆粒粒徑大小、觀察顆粒形貌最常用、最直接的方法，它從正上方觀察散布在載玻片上的顆粒，通過(guò)顆粒的投影來(lái)確定粒徑的大小和形貌，采用計(jì)數(shù)的原理統(tǒng)計(jì)出不同粒徑區(qū)間的顆粒個(gè)數(shù)，以確定顆粒粒徑的分布。該方法適用于顆粒球形比較好的情況，對(duì)棒形、片狀等不規(guī)則形狀及粒徑分布范圍較寬的顆粒測(cè)定誤差較大。隨著掃描電子顯微鏡的出現(xiàn)，顯微鏡法逐步由光學(xué)顯微鏡過(guò)渡到掃描電子顯微鏡法，掃描電子顯微鏡法極大的提高了測(cè)試的精度。
　　最初在分析粒徑分布時(shí)，通常采用手工計(jì)數(shù)測(cè)試較為繁瑣，而且精度較差，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，手工計(jì)數(shù)逐漸被自動(dòng)計(jì)數(shù)所取代。圖象分析系統(tǒng)就具有自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能，它能快捷的計(jì)數(shù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不僅可以給出粒度分析所需的參數(shù)，而且可以給出單個(gè)顆粒的形態(tài)參數(shù)及統(tǒng)計(jì)參數(shù)^[3]。這就大大提高了測(cè)試的精度，簡(jiǎn)化了測(cè)定的過(guò)程，測(cè)量重復(fù)性好，但是圖像分析系統(tǒng)價(jià)格較為昂貴。圖像分析系統(tǒng)的一般組成如圖1所示：

　　系統(tǒng)的分析過(guò)程為：待測(cè)量顆粒經(jīng)顯微鏡成像后，由CCD攝像機(jī)、圖像采集卡進(jìn)行數(shù)字化處理，然后用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字化顆粒圖像做分割處理(即二值化處理)，找出待分析的顆粒，通過(guò)快速顆粒檢測(cè)算法，測(cè)定顆粒粒徑及其分布情況。這種方法在國(guó)外應(yīng)用較為普遍。

4 激光粒度測(cè)定法

　　激光粒度測(cè)定法是根據(jù)富郎—費(fèi)衍射和MIE散射的原理，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的快速測(cè)定方法。它通過(guò)測(cè)量顆粒群的空間頻譜，來(lái)分析其粒度分布，可迅速完成整個(gè)測(cè)試過(guò)程，打印出最大粒徑、平均粒徑、最小粒徑及顆粒的頻率分布、累積分布等圖表。圖2[41是其測(cè)量原理示意圖?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)顯微鏡法的局限性，大大縮短了測(cè)量時(shí)間，減少了操作人員的主觀影響，提高了測(cè)試的客觀性和準(zhǔn)確性。因此，采用激光粒度測(cè)定法的突出優(yōu)點(diǎn)是速度快，操作簡(jiǎn)便，重復(fù)性好。它的不足之處是運(yùn)行成本稍高（1臺(tái)激光粒度分析設(shè)備價(jià)格在30000—60000美元之間^[1])，對(duì)粗顆粒的分辨率稍差。

　　這種方法是最近10年才發(fā)展起來(lái)的，而且設(shè)備較為昂貴，使用還不是很廣泛，國(guó)內(nèi)在這方面的應(yīng)用更少。

5 結(jié)語(yǔ)

　　以上介紹的幾種污泥粒徑分布的測(cè)試方法，各有其特點(diǎn)，在具體操作中可以根據(jù)自身的實(shí)驗(yàn)條件選擇較為合適的測(cè)試方法。
　　綜合上面各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以及它們目前在UASB等反應(yīng)器中的應(yīng)用現(xiàn)狀，可以知道濕式篩分析法是較為常用的一種方法，而且比較適合我國(guó)目前的實(shí)際情況。隨著科技的進(jìn)步和科研條件的改善，相信圖像分析和激光粒度分析等先進(jìn)的測(cè)試方法也會(huì)逐步引入到國(guó)內(nèi)對(duì)厭氧污泥顆粒粒徑分布的研究中來(lái)。

參考文獻(xiàn)：
[1] A Laguna, A Quattara， R O Gonzalez，et al．Asimple and low cost technique for determining the granulometry of upflow anaerobic sludge blanket reactor sludge[J]．Wat Sci Tech，1998，40(8)：1-8．
[2] Grotenhuis， J T C，Kissel，et al．Role of subsrate concentration in particle size distribution of methanogenic granular sludge in UASB reactors[J]．Wat Res，1991，25(1)：21-27．
[3]凌祥，涂善東，陳嘉南．計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)用于微粒的定量測(cè)量[J]．南京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，21(1)：54-57．
[4)董青云．顆粒特性對(duì)水泥性能的影響及分析方法[J]．四川水泥，2001，(1)：9-12．

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作者簡(jiǎn)介：虞嘉東(1978—)，男，江蘇武進(jìn)人，上海交通大學(xué)環(huán) 境工程專業(yè)碩士研究生，電話(021)54747412?！?/p>