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：厭氧顆粒化污泥的形成是UASB等高效厭氧反應(yīng)器啟動成功的標志，研究污泥顆?；Ｓ玫氖侄尉褪菧y定反應(yīng)器內(nèi)污泥顆粒的粒徑分布，測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定法等。而濕式篩分析法是一種適合我國國情的方法。
　　關(guān)鍵詞：污水處理；厭氧；顆粒污泥；粒徑分布
　　中圖分類號：X703　　 文獻標識碼：B　　 文章編號：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，也有報道發(fā)現(xiàn)顆粒污泥的直徑可達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)器的負荷比一般絮狀污泥的厭氧反應(yīng)器的負荷提高約3-5倍。
　　要保證高效厭氧反應(yīng)器有較好的運行性能，就必須使反應(yīng)器內(nèi)的厭氧污泥具有良好的沉降性能。而當單獨的顆粒的密度基本相同時，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。正因為此，分析污泥顆粒的粒徑分布就能間接地反映反應(yīng)器的運行狀況。同時不同構(gòu)型的反應(yīng)器因為反應(yīng)器內(nèi)流態(tài)的差異，也會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)也會因進水負荷和基質(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)濃度等對顆粒污泥產(chǎn)生的影響，對于深入研究顆?；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，無論在實驗室條件下還是在工程實踐中對反應(yīng)器內(nèi)的顆粒污泥粒徑分布進行測試都顯得非常必要。
　　目前在實驗室和工程中用來分析UASB反應(yīng)器污泥粒徑分布的測試方法有以下幾種：

1 沉降速率計算法

　　沉降速率計算法一般是在水溶液中使污泥顆粒沉降，間接測定污泥顆粒的沉降速率，再根據(jù)斯托克斯公式計算出顆粒大小的一種方法。經(jīng)過沖洗的顆粒污泥(50-100mL)在一個2.20m的水柱中沉降并用天平測定水柱中顆粒污泥的質(zhì)量隨時間的變化。顆粒粒徑分布可根據(jù)以下公式計算^[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———動力粘滯度，Pa·s；
　　　　　υ——沉降速度，m／s。
　　這種方法操作簡單，成本較低，在使用工程中消耗品用量較少，儀器不易損耗，維修維護方便，不僅能測定粒度的大小，還可測定粒度分布。但是這種方法假設(shè)粒徑和沉降速率成一定關(guān)系，這與實際情況并不完全吻合，因此必然降低測定的穩(wěn)定性和精確性，而且耗時較長。
　　由于存在精確性和耗時長的問題，目前這種技術(shù)在測定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試方法，工藝控制與其它方法相比也最為方便。它遵循簡單的極限量規(guī)原理，以顆粒能否通過標準篩的網(wǎng)眼來測定粒徑的大小。
　　篩分過程為：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污泥顆粒依次通過網(wǎng)眼為2，0.925，0.76，0.59和0.23 mm的不銹鋼標準篩，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)量分數(shù)^[1]。當然在實際操作中標準篩的網(wǎng)眼規(guī)格會有一定的差異。
　　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)致測定結(jié)果產(chǎn)生誤差；長時間使用后，網(wǎng)布松弛、網(wǎng)眼變大，測定結(jié)果必然偏細。
　　這種方法所需設(shè)備簡單，價格低廉，操作較為簡單，雖然它無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?；潭鹊挠嵪?。A Laguna^[1]等人在實驗室條件下和實際工程中，使用這種方法對處理不同廢水的UASB反應(yīng)器內(nèi)的顆粒污泥進行粒徑分析，均取得了滿意的結(jié)果，經(jīng)測試污泥顆粒的形貌在篩分前后沒有明顯的差異，這說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，通過顆粒的投影來確定粒徑的大小和形貌，采用計數(shù)的原理統(tǒng)計出不同粒徑區(qū)間的顆粒個數(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，對棒形、片狀等不規(guī)則形狀及粒徑分布范圍較寬的顆粒測定誤差較大。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試的精度。
　　最初在分析粒徑分布時，通常采用手工計數(shù)測試較為繁瑣，而且精度較差，隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展，手工計數(shù)逐漸被自動計數(shù)所取代。圖象分析系統(tǒng)就具有自動計數(shù)的功能，它能快捷的計數(shù)并對數(shù)據(jù)進行處理，不僅可以給出粒度分析所需的參數(shù)，而且可以給出單個顆粒的形態(tài)參數(shù)及統(tǒng)計參數(shù)^[3]。這就大大提高了測試的精度，簡化了測定的過程，測量重復(fù)性好，但是圖像分析系統(tǒng)價格較為昂貴。圖像分析系統(tǒng)的一般組成如圖1所示：

　　系統(tǒng)的分析過程為：待測量顆粒經(jīng)顯微鏡成像后，由CCD攝像機、圖像采集卡進行數(shù)字化處理，然后用計算機對數(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，通過快速顆粒檢測算法，測定顆粒粒徑及其分布情況。這種方法在國外應(yīng)用較為普遍。

4 激光粒度測定法

　　激光粒度測定法是根據(jù)富郎—費衍射和MIE散射的原理，結(jié)合現(xiàn)代計算機技術(shù)發(fā)展起來的快速測定方法。它通過測量顆粒群的空間頻譜，來分析其粒度分布，可迅速完成整個測試過程，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是其測量原理示意圖?，F(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)顯微鏡法的局限性，大大縮短了測量時間，減少了操作人員的主觀影響，提高了測試的客觀性和準確性。因此，采用激光粒度測定法的突出優(yōu)點是速度快，操作簡便，重復(fù)性好。它的不足之處是運行成本稍高（1臺激光粒度分析設(shè)備價格在30000—60000美元之間^[1])，對粗顆粒的分辨率稍差。

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

5 結(jié)語

　　以上介紹的幾種污泥粒徑分布的測試方法，各有其特點，在具體操作中可以根據(jù)自身的實驗條件選擇較為合適的測試方法。
　　綜合上面各種方法的優(yōu)缺點，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，而且比較適合我國目前的實際情況。隨著科技的進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的測試方法也會逐步引入到國內(nèi)對厭氧污泥顆粒粒徑分布的研究中來。

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作者簡介：虞嘉東(1978—)，男，江蘇武進人，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>