厌氧颗粒污泥粒径分布的分析测试方法简介

虞嘉东，张振家，王欣泽
(上海交通大学 环境科学与工程学院，上海 200240）

　　摘要：厌氧颗粒化污泥的形成是UASB等高效厌氧反应器启动成功的标志，研究污泥颗粒化常用的手段就是测定反应器内污泥颗粒的粒径分布，测量颗粒污泥粒径的方法有沉降法、湿式筛分析法、显微镜法、图像分析和激光粒度测定法等。而湿式筛分析法是一种适合我国国情的方法。
　　关键词：污水处理；厌氧；颗粒污泥；粒径分布
　　中图分类号：X703　　 文献标识码：B　　 文章编号：1009—2455(2004)01—0057—03

　　在UASB等厌氧反应器内，大部分厌氧污泥是以直径约为0.5-6.0mm的球形或椭球形状的颗粒污泥存在，也有报道发现颗粒污泥的直径可达7mm。颗粒污泥的形成使厌氧反应器内可以保留高浓度的厌氧污泥，这样就使高效厌氧反应器的负荷比一般絮状污泥的厌氧反应器的负荷提高约3-5倍。
　　要保证高效厌氧反应器有较好的运行性能，就必须使反应器内的厌氧污泥具有良好的沉降性能。而当单独的颗粒的密度基本相同时，污泥颗粒的沉降性能仅与颗粒自身的粒径有关，一般较大的颗粒沉降性能较好。正因为此，分析污泥颗粒的粒径分布就能间接地反映反应器的运行状况。同时不同构型的反应器因为反应器内流态的差异，也会使得颗粒污泥的粒径分布产生一定差异；同一反应器内也会因进水负荷和基质的改变，在不同阶段，反应器内颗粒污泥的粒径分布也会产生变化；而且在EGSB等推流式反应器内，因反应器内基质浓度的变化，在反应器的不同高度层面，颗粒污泥的分布也有较大的差异。综合上面的这些因素，研究反应器内颗粒污泥的粒径分布可以很直观地反映出水力条件、基质类型、基质浓度等对颗粒污泥产生的影响，对于深入研究颗粒化的形成、研究影响污泥颗粒化的物理化学因素和如何将反应器维持在良好状态有着特殊的作用(1J。因此，无论在实验室条件下还是在工程实践中对反应器内的颗粒污泥粒径分布进行测试都显得非常必要。
　　目前在实验室和工程中用来分析UASB反应器污泥粒径分布的测试方法有以下几种：

1 沉降速率计算法

　　沉降速率计算法一般是在水溶液中使污泥颗粒沉降，间接测定污泥颗粒的沉降速率，再根据斯托克斯公式计算出颗粒大小的一种方法。经过冲洗的颗粒污泥(50-100mL)在一个2.20m的水柱中沉降并用天平测定水柱中颗粒污泥的质量随时间的变化。颗粒粒径分布可根据以下公式计算^[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——雷诺数；
　　　　　Ga——伽利略数；
　　　　　g-----重力加速度，m／s²；
　　　　　D_p--------颗粒污泥粒径，m；
　　　　　ρ_w——水的密度，kg／m³；
　　　　　ρ_s-—颗粒污泥的密度，kg／m³；
　　　　　μ———动力粘滞度，Pa·s；
　　　　　υ——沉降速度，m／s。
　　这种方法操作简单，成本较低，在使用工程中消耗品用量较少，仪器不易损耗，维修维护方便，不仅能测定粒度的大小，还可测定粒度分布。但是这种方法假设粒径和沉降速率成一定关系，这与实际情况并不完全吻合，因此必然降低测定的稳定性和精确性，而且耗时较长。
　　由于存在精确性和耗时长的问题，目前这种技术在测定UASB反应器内污泥粒径分布方面使用较少。

2 湿式筛分析法

　　湿式筛分析法是最常用的粒径测试方法，工艺控制与其它方法相比也最为方便。它遵循简单的极限量规原理，以颗粒能否通过标准筛的网眼来测定粒径的大小。
　　筛分过程为：在磷酸盐缓冲溶液ρ(KH₂PO₄)=4g／L，ρ(Na₂HPO₄·7H₂O)=5.09 g／L，ρ(K₂HPO₄)=1.08 g／L，pH=7.3)中，让10-25 mL污泥颗粒依次通过网眼为2，0.925，0.76，0.59和0.23 mm的不锈钢标准筛，然后收集截流在不同孑L径筛网上的颗粒，分别在转速为5 000r／min的条件下离心15 min，测出它们各自的VSS和TSS，这样就可以得到不同粒径范围下(<0.23，0.23—0.59，0.59-0.76，0.76-0.925，0.925-2，>2mm)的颗粒的质量占污泥颗粒总质重的质量分数^[1]。当然在实际操作中标准筛的网眼规格会有一定的差异。
　　影响筛分析精度的主要因素是：网眼的尺寸的均匀性和筛网的磨损程度。网眼不均匀、尺寸大小不一，导致测定结果产生误差；长时间使用后，网布松弛、网眼变大，测定结果必然偏细。
　　这种方法所需设备简单，价格低廉，操作较为简单，虽然它无法得到各粒径范围下颗粒的数量和平均粒径，但是能够较为精确的获得反应器内污泥颗粒化程度的讯息。A Laguna^[1]等人在实验室条件下和实际工程中，使用这种方法对处理不同废水的UASB反应器内的颗粒污泥进行粒径分析，均取得了满意的结果，经测试污泥颗粒的形貌在筛分前后没有明显的差异，这说明这种方法是比较可靠的。
　　这种方法能够在不具备大型分析仪器的条件下，方便而快速地分析污泥的颗粒化的水平，故在国内外的研究中都被广泛地采用。

3 显微镜法

　　显微镜法是测定颗粒粒径大小、观察颗粒形貌最常用、最直接的方法，它从正上方观察散布在载玻片上的颗粒，通过颗粒的投影来确定粒径的大小和形貌，采用计数的原理统计出不同粒径区间的颗粒个数，以确定颗粒粒径的分布。该方法适用于颗粒球形比较好的情况，对棒形、片状等不规则形状及粒径分布范围较宽的颗粒测定误差较大。随着扫描电子显微镜的出现，显微镜法逐步由光学显微镜过渡到扫描电子显微镜法，扫描电子显微镜法极大的提高了测试的精度。
　　最初在分析粒径分布时，通常采用手工计数测试较为繁琐，而且精度较差，随着现代计算机技术的发展，手工计数逐渐被自动计数所取代。图象分析系统就具有自动计数的功能，它能快捷的计数并对数据进行处理，不仅可以给出粒度分析所需的参数，而且可以给出单个颗粒的形态参数及统计参数^[3]。这就大大提高了测试的精度，简化了测定的过程，测量重复性好，但是图像分析系统价格较为昂贵。图像分析系统的一般组成如图1所示：

　　系统的分析过程为：待测量颗粒经显微镜成像后，由CCD摄像机、图像采集卡进行数字化处理，然后用计算机对数字化颗粒图像做分割处理(即二值化处理)，找出待分析的颗粒，通过快速颗粒检测算法，测定颗粒粒径及其分布情况。这种方法在国外应用较为普遍。

4 激光粒度测定法

　　激光粒度测定法是根据富郎—费衍射和MIE散射的原理，结合现代计算机技术发展起来的快速测定方法。它通过测量颗粒群的空间频谱，来分析其粒度分布，可迅速完成整个测试过程，打印出最大粒径、平均粒径、最小粒径及颗粒的频率分布、累积分布等图表。图2[41是其测量原理示意图。现代计算机技术的发展和应用，突破了传统显微镜法的局限性，大大缩短了测量时间，减少了操作人员的主观影响，提高了测试的客观性和准确性。因此，采用激光粒度测定法的突出优点是速度快，操作简便，重复性好。它的不足之处是运行成本稍高（1台激光粒度分析设备价格在30000—60000美元之间^[1])，对粗颗粒的分辨率稍差。

　　这种方法是最近10年才发展起来的，而且设备较为昂贵，使用还不是很广泛，国内在这方面的应用更少。

5 结语

　　以上介绍的几种污泥粒径分布的测试方法，各有其特点，在具体操作中可以根据自身的实验条件选择较为合适的测试方法。
　　综合上面各种方法的优缺点，以及它们目前在UASB等反应器中的应用现状，可以知道湿式筛分析法是较为常用的一种方法，而且比较适合我国目前的实际情况。随着科技的进步和科研条件的改善，相信图像分析和激光粒度分析等先进的测试方法也会逐步引入到国内对厌氧污泥颗粒粒径分布的研究中来。

参考文献：
[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，涂善东，陈嘉南．计算机图像处理技术用于微粒的定量测量[J]．南京化工大学学报，1999，21(1)：54-57．
[4)董青云．颗粒特性对水泥性能的影响及分析方法[J]．四川水泥，2001，(1)：9-12．

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作者简介：虞嘉东(1978—)，男，江苏武进人，上海交通大学环 境工程专业硕士研究生，电话(021)54747412。