污泥絮体特征与微型动物运动速度相关性研究——以自由运动型微型动物为例

为了克服利用微型动物群落物种变化指示活性污泥运行状态存在的微型动物鉴别误判、分类和统计分析工作量大等问题,通过PCA法的相关性分析判断絮体微观形态参数降维成综合指标的可能性,采用“微型动物运动视频采集+定量图像分析”法表征微型动物的运动速度（平均线速度V和平均角速度W）,分析SBR系统中锐利楯纤虫（A.lynceus）等7种自由运动型微型动物的运动速度与污泥絮体微观特性之间的相关性.结果表明：多个污泥絮体微观形态参数之间存在较好的相关性,可降维成2大综合指标（絮体大小密实度（SC）和絮体形状规则度（SR））.絮体SC和SR指标与须足轮虫属（Euchlanis sp.）、凹扁前口虫（F.depressa）和锐利楯纤虫（A.lynceus）的运动速度之间具有较显著相关性（|r|>0.50,P<0.05）,因此利用典型的自由运动型微型动物运动速度变化能够快速指示污泥絮体的微观形态变化.     

活性污泥絮体的性状及其沉降性能的探讨

活性污泥法是最常见的污水处理工艺。该方法的关键是形成了活性污泥絮体。而这些絮体的性状,如表面性质(胞外聚合物、表面电荷、疏水性)和形态结构(粒径、孔隙率、分形维数)将影响后续固液分离过程的效率。目前一系列研究活性污泥絮体性状的实验测试方法已经建立。了解污泥表面基本信息,探究污泥絮体形态结构特征,充分认识污泥沉降性能与污泥絮体的物理、化学、生物因素的相关联系,可为改善固液分离效果提供新的信息和视角;并为活性污泥系统的参数设计,实际运行调控提供理论依据。     

基于活性污泥絮体微观参数的污泥沉降性能判别

针对活性污泥沉降性检测仍采用人工检测污泥容积指数(SVI)的现状,采用活性污泥絮体微观图像分析技术,以实现对污泥沉降性简单、快速的判别.将20个微观参数通过主成分分析归纳为3个污泥絮体微观特征综合指标,即大小因子、形态因子和浓度因子,并以3个综合指标建立污泥沉降性能Fisher判别模型,再分别以原始训练样本数据和2座污水厂3个月的检测数据作为测试样本对模型可靠程度进行检验.结果发现,判别正确率分别为79.8%和80.6%.研究表明,模型判别结果较为直观,能直接表达为"正常"或"膨胀",可为实现污泥沉降性的在线自动判别提供技术基础.     

活性污泥絮体粒径分布与分形维数的影响因素

絮体粒径分布和分形维数是活性污泥的重要参数.应用激光粒度仪测量了好氧活性污泥絮体在絮凝过程的粒径分布,研究了速度梯度、VSS/SS、EPS含量及Zeta电位对絮体粒径分布的影响.结果表明,絮体平均粒径与速度梯度显著负相关(R2>0.80),与Kolmogorov尺度数量级基本相当,其间差异性与污泥VSS/SS、絮体强度等有关;相同的速度梯度下,絮体平均粒径与VSS/SS或EPS含量显著正相关(R2>0.85),与Zeta电位负相关.有机质和EPS在活性污泥絮凝中作用明显,会增强絮体强度,提升絮凝效果;EPS中蛋白质比多糖对絮凝的促进作用更明显.基于显微图像分析方法,得到了好氧活性污泥絮体二维分形维数为1.28~1.72,三维分形维数为1.70~2.69.絮体分形维数随VSS/SS或EPS含量的增加而减小;对于相同的活性污泥,絮体三维分形维数随粒径增大而减小,符合幂函数关系式.     

活性污泥絮体的分形结构分析

通过小角光散射(small-angle light scattering,SALS)实验确定出活性污泥絮体的分形区域,对絮体粒径分布进行了拟合分析,采用原子力显微镜(AFM)和激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)对絮体在不同尺度下的形貌进行了观测.结果显示,污泥絮体是由一系列的絮团结合而成,絮体表面凹凸不平,有各种"孔洞","缝隙",絮体内部存在一系列的孔隙.较大尺度的絮体同时存在多种孔道结构,构成絮体中营养物和水流的运输通道;污泥絮体在0.5～50μm之间具有明显的分形结构,表明活性污泥絮体在较小的粒径时已经具有一定的分形特征,活性污泥的粒度分布属于Gamma分布方式,证明污泥絮体的成长过程是一种絮团-絮团的凝聚过程.     

大气腐蚀数据降维最优维度研究

目的确定金属大气腐蚀数据降维的最优维度。方法分别采用PCA、MDS、Isomap和LLE四种方法对大气腐蚀数据进行降维处理,并采用集成学习算法建立预测模型。针对不同的降维方法和近邻点个数计算,使用MAPE(Mean Absolute Percentage Error,相对百分误差绝对值的平均值)对预测结果进行评价,将最佳预测速率所对应的维度作为最优维度。结果不同的降维方法和近邻参数作用下,最优维度从2维到7维不等。流形学习方法对大气腐蚀数据进行降维的MAPE均小于线性降维方法。结论适合每种降维方法的最优维度可能是不同的,通过对MAPE进行对比,得到大气腐蚀数据在各种降维方法的最优维度。     

石油类物质环己烷对活性污泥沉降性能的影响

炼油废水中石油类物质容易影响活性污泥沉降性能、干扰处理效果.为了定量分析石油类物质对活性污泥沉降性能的影响,采用定量图像分析技术,通过图像采集、图像处理、图像分析和数据处理流程,考察了不同浓度环己烷影响下活性污泥絮体微观参数变化情况及参数间的相关性,并分析了微观参数与宏观参数[SV（污泥沉降比）、SVI（污泥容积指数）和MLSS（污泥浓度）]间的相关性.结果表明:①絮体微观参数值随环己烷投加浓度的变化规律具有明显的分组现象,同组参数间相关性强,可据此将参数分为大小类、规则性类和密实性类.②环己烷在低于1 g/L浓度条件下使活性污泥沉降体积增大,此时密实性参数与环己烷投加浓度、SV和SVI分别具有一定相关性.③环己烷投加浓度≥ 1 g/L时会导致污泥上浮流失,此时大小类和规则性类参数均分别与SV和MLSS具有一定相关性,其中,孔率与环己烷投加浓度呈负相关（R2为0.91）,分形维数与SV和MLSS分别呈负相关（R2分别为0.75和0.89）.研究显示,利用定量图像分析技术检测孔率和分形维数等污泥絮体微观参数,能够反映石油类物质对活性污泥沉降性能的影响,当孔率降至0.98以下预示着污泥流失,并且分形维数越大,流失越严重.      

活性污泥的理化性质与絮凝调理投药量的关系

采用烧杯试验研究了活性污泥理化性质与絮凝调理投药量的关系,分析了活性污泥离心上清液黏度及其中胶体的Zeta电位和表面电荷密度、污泥絮体的粒度、分形维数和强度等理化性质指标随调理絮凝剂(CPAM,CZ-8698)投药量的变化规律,探讨了这些指标在确定絮凝调理最佳投药量方面的差异.结果表明,CZ-8698的投药量对污泥的脱水性能和理化性质均可产生明显的影响,基于毛细吸水时间(CST)、污泥比阻(SRF)确定的活性污泥絮凝调理的最佳投药量范围为4.28～7.13g.kg-1,对应的CST与SRF值分别为(12.62±1.39)s、0.56×1012m.kg-1.在此最佳投药量区间,污泥离心上清液中胶体的Zeta电位与表面电荷密度均由负值变为正值,污泥絮体的分形维数分别为1.09(一维)和1.51(二维),其表面不规则程度最低、结构较为密实;污泥絮体的粒径随着絮凝剂投药量的增加持续增大到mm尺度,但其强度在投药量高于4.60 g.kg-1以后逐渐趋于稳定.此外,当絮凝剂投药量低于上述最佳范围时,污泥离心上清液的黏度已经达到了最小值(1.24±0.04)mPa.s.     

好氧污泥絮体与厌氧颗粒污泥的剪切稳定性分析

通过标准的剪切实验装置检测了好氧污泥絮体和厌氧颗粒污泥在不同剪切条件下剥离的分散胶体浓度的变化.结果表明,厌氧颗粒污泥的剪切敏感性(KSS)比好氧活性污泥高1个数量级,证明了好氧活性污泥的剪切稳定性更好.好氧活性污泥絮体在剪切下剥离的分散胶体平衡浓度(md,∞)分别随着污泥悬浊液的固体浓度(mT)和剪切强度(G)的增加而增加.AE模型的模拟结果显示,好氧活性污泥絮体样品1在剪切作用下粘附-剥离的平衡常数(Km)比样品2的高,相应的DG0adh/RT值更小,证明其在剪切作用下的粘附过程更易发生.修正AE模型可以更好地模拟不同剪切强度下污泥絮体上分散胶体的剥离过程,其不仅能够给出未施加剪切的稳定状态时因布朗运动而导致的分散胶体浓度,而且能确定与污泥絮体上分散胶体的剥离能量相关的DH/R值.模拟结果表明,好氧活性污泥絮体样品1上分散胶体的剥离需要更多的能量,剪切强度的升高对样品2的影响更加明显.活性污泥剪切稳定性的差异证明了其与污泥结构、性质以及污水处理厂运行效果之间的关系比较复杂.     

城市污水处理厂活性污泥的表面形态和微观结构研究

使用光学显微镜、电子显微镜和激光粒度分析仪考察了某城市污水处理厂中活性污泥的表面形态和微观结构。结果显示:该活性污泥中菌胶团结构致密,数量多,形状不规则,部分丝状细菌从絮状污泥结构中伸出,连接着不同的污泥絮体;污泥中原生动物数量较多,种类丰富,并生长有少量微型后生动物;电子显微镜观察显示出活性污泥主要由数量众多的细菌和有机质等组成,其中球状细菌在微生物类群中占据主导地位;粒径为100μm的活性污泥絮体所占比例最大,达到7.6%。     

微絮凝对腐殖酸超滤过程膜污染的减缓特性

以硫酸铝[Al_2(SO_4)_3·18H_2O]为絮凝剂,腐殖酸(humic acid,HA)和高岭土(Kaolin)水溶液为原水,研究微絮凝过程产生的不同絮体形态,对自制聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜过滤过程的影响.主要考察了微絮凝过程中絮体的特性(粒径大小及分布,分形维数)以及不同条件下形成的絮体形态对膜通量的影响,利用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对污染膜的表面形貌进行表征,并测定了PVDF膜与有机污染物之间黏附力大小,来解析不同絮体形态对超滤膜的膜污染影响机制.结果表明,Al~(3+)以电性中和作用水解去除有机物,随着絮凝剂投加量的增加,絮体粒径不断增大,絮体的分形维数减小.膜通量衰减速率与絮体的粒径呈负相关,絮体粒径越大,膜通量衰减速率越小,超滤过程中形成的滤饼层越疏松,同时,较小分形维数的絮体引起的膜污染较轻,其膜通量恢复率也较高.PVDF-有机污染物之间的相互作用力大小与运行初期相应污染膜通量衰减速率呈正相关.当Al~(3+)投加量为5 mg·L~(-1),初始pH=7时,HA去除率为96.7%,膜通量衰减最小,通量恢复率达到88%.     

活性污泥膨胀的生态控制研究

研究了一种后生动物-颤蚓对丝状细茵引起的活性污泥膨胀的控制效果.结果表明,在活性污泥反应器中投加颤蚓,通过其捕食作用,活性污泥中丝状细茵数量能在较短时间内得到明显地削减,其分类等级能下'降约1～2个级别,同时活性污泥指数SVI从291.5 ml/g下降为176.6 ml/g,下降迭39.4%,活性污泥的性状和絮体结构得到改善,污泥膨胀得到有效控制.     

聚合氯化铁-腐殖酸(PFC-HA)絮体的粒度和分形维数的动态变化

通过采集PFC-HA絮体的单个样品和拍摄它们的二维图像,研究了在不同混凝条件下絮体的粒度和分形维数的变化.结果表明,原水pH的下降滞后了PFC-HA絮体的出现.原水pH≥7.0时,随着投药量的增加,PFC-HA絮体的分形维数D2(lgA-lgdL)和D3(lgV1-lgdL)随之降低,表明絮体的结构越来越疏松;而原水pH=5.0时,PFC-HA絮体的分形维数存在波动.在PFC的最佳投药量时,水力条件的优化可以提高HA的去除效果,但随着原水pH的下降,HA去除效果的提高程度也随之减小.在最佳水力条件下,PFC-HA絮体的粒度为数百微米,其分形维数值较大,表明絮体的结构较为密实.此外,PFC-HA絮体的粒度分布具有(类)分形特征,最佳水力条件下正的D.值表明絮体的粒度分布趋向平稳.在整个混凝搅拌过程中,PFC-HA絮体的分形维数的变化是与混凝的溶液化学条件、搅拌时间和分形维数类型有关,其D2具有先上升后下降的趋势,这一过程中絮体结构先趋向密实,然后趋向疏松.而且慢速搅拌过程中絮体的尺度也是先增加后下降.     

阳离子型聚合物对低温低浊水的絮凝效果与形态学特性

采用微絮凝-深床直接过滤工艺,以西安市曲江水厂低温低浊水质为原水(水温低于10 ℃,初始浊度低于10NTU),投加阳离子型聚合物(简称CP)作主混凝剂或助凝剂,借助分形数学理论与图像分析技术,对滤料粒径、原水浊度、原水温度、药剂种类、聚合物分子量及投加量、混合强度等因素对处理效果的影响进行了研究,分析探讨了不同药剂处理低温低浊水的作用机理、絮凝形态学特征以及絮体结构的分形特性.结果表明,①当温度低于4 ℃、初始浊度小于4NTU时,不宜单独采用Al2(SO4)3或PAC作为絮凝剂;当温度为4～10 ℃、初始浊度小于10NTU时,如果只投加Al2(SO4)3或PAC作为絮凝剂,宜用细砂滤料过滤;低温低浊条件下,无机混凝剂形成的絮体粒径小、结构松散脆弱、有效质量密度低、沉速慢,但表征絮体分形特性的分维值较高.②CP作絮凝剂能显著改善低温低浊水的絮凝效果与过滤性能,但混合强度需增大,宜用粗砂滤料过滤;③单独用CP作絮凝剂时,宜投加分子量较低的弱阳性聚合物或投加低剂量较高分子量的强阳性聚合物;CP用作助凝剂时,能显著减少主混凝剂用量,但宜投加强阳性聚合物或增加弱阳性聚合物的剂量.④CP兼备电性中和与吸附架桥絮凝作用,能形成粒径较大、吸附性能与过滤性能良好的网状絮体构型,其有效质量密度高,产生的污泥量少,污泥沉降速度快,脱水效果好,但分维值低.⑤各种水处理药剂的处理效果为:Al2(SO4)3(或PAC) CP＞CP＞PAC＞Al2(SO4)3,这种差别由絮体的形态学特性与构型特征各异引起.     

混凝过程中絮体形貌的PIV成像观测与表征

采用粒子成像速度场仪(PIV)对Taylor-Couette反应器内的混凝过程中絮体的微观形貌进行了观测与表征.结果表明,内筒转速在20～60r/min范围内,生成的絮体颗粒较大,粒径分布均匀,絮凝沉淀效果最好.由于内筒旋转速度的变化直接导致混凝流场形态的变化,所以混凝过程中流场形态的变化对絮体生长过程有重要影响,进而直接影响到混凝效果.混凝过程中流场的周期性变化、涡间存在液体传递的波状涡结构有利于絮体颗粒的结合生长,并导致较高的絮凝沉淀去除率.这也说明PIV技术能够在测量流场的同时较好地反映混凝过程中微絮体的形貌变化特征,从而实现对絮凝过程的原位观测与表征.     

油田废水处理中絮体/气泡的形态及分形特征

文章采用絮体分形理论,阐述了电絮凝处理油田含聚压裂返排废水中形成的絮体颗粒、产生微气泡的形态变化和分形成长特征,研究了废水停留时间对其形成及变化的影响,用分形维数表征了废水停留时间对絮体和气泡的影响及变化规律。结果表明,处理过程中产生的絮体颗粒和微气泡形态与其分形维数、当量直径变化具有良好的正相关性,与废水浊度呈负相关性,絮体分形维数D_f值达到1.906后稳定变化小,絮体颗粒聚集更加紧实、易于沉降,气泡的分形维数基本不随时间变化,D_f在2.0小幅振荡波动,其当量圆直径为39.31～44.74μm;在体系中产生均匀的微气浮,加快了絮体快速聚集分离的效果,处理废水21 min时浊度降为18.3 NTU。     

基于内外回流污泥形态参数的水质预报

水质监测是污水厂至关重要的环节。为快速、准确地获取实时水质数据，以内、外回流污泥为研究对象，通过显微镜图像结合软件分析，分别得到内、外回流污泥各自絮体的形态参数，并结合污水处理厂运行参数，采用偏最小二乘(PLS)法对内、外回流污泥絮体形态参数与好氧池出水水质指标(COD_e、BOD_e、TN_e和TP_e)进行了回归分析，建立内回流污泥回归模型(PLS1模型)和外回流污泥回归模型(PLS2模型),通过分析两个回归模型中活性污泥絮体形态参数与出水水质指标之间的相关性，比较了两个回归模型的拟合效果和预测效果。试验结果表明：PLS2模型的拟合效果和预测效果要优于PLS1模型，该模型对好氧池出水中COD_e、BOD_e、TN_e和TP_e的预测系数Q²分别为0.736、0.665、0.753、0.716;出水污染物浓度与内回流污泥絮体密实度参数呈正相关关系，而其与外回流污泥絮体密实度参数呈负相关关系。本试验建立了污...     

纯氧曝气活性污泥培养过程中絮体结构变化

采用纯氧曝气序批式反应器(SBR)直接培养、驯化培养活性污泥,运用显微技术分析絮体当量直径(Deq)、规则度(Rd)、孔隙率(Po)和单位悬浮固体内总细丝长度(Ftl)在培养不同时期的变化规律,采用Pearson相关性分析法分析絮体结构参数的相关性.结果表明:污泥直接培养过程中絮体Deq不断增大,驯化培养初期絮体Deq减小,中后期不断增大,驯化培养污泥絮体颗粒较大;污泥直接培养过程中絮体Rd不断减小,驯化污泥絮体Rd变化不大,在0.400~0.520内波动,两种方式培养的絮体规则度值相当;直接培养初期、中期絮体Po随絮体粒径增大而增大,驯化污泥絮体Po初期、后期呈减小趋势,中期呈增大趋势,直接培养法的絮体Po较小;污泥直接培养中、后期出现大量丝状菌,但很快又减少,污泥驯化整个过程中系统内均无大量丝状菌出现.污泥直接培养初期絮体Deq与Po显著正相关,Rd与Deq、Po显著负相关;中期丝状菌作用较大,Ftl与Po、Rd都显著负相关.污泥驯化初期,絮体Deq与Rd、Po均显著正相关,驯化后期Rd起较大作用,与其他参数均显著相关.     

三种常见混凝机理为主导条件下絮体特性研究

以模拟低浊微污染水为原水,硫酸铝[Al2(SO4)3]为混凝剂,考察了3种常见混凝机理(电性中和、吸附架桥和网捕卷扫)为主导条件下絮体的成长过程、二维边界分形维数(Dpf)和比表面积及其与混凝效果的相关性.结果表明:吸附架桥为主导机理下絮体最大增长速率S(0.951)最快,达到稳定后絮凝指数FI最大(3.7%),二维边界分形维数Dpf最大(1.587),絮体呈块状且絮体间出现孔状间隙,比表面积介于网捕卷扫和电性中和之间[网捕卷扫(83.646m2/g)吸附架桥(98.808m2/g)电性中和(116.046m2/g)];FI值、S及Dpf变化与浊度去除率相关性较好,其相关系数分别达0.979、0.982和0.963,同时比表面积大的絮体吸附容量大,有机物的去除率高.     

A~2/O工艺中好氧污泥絮体的分形结构与理化特征分析

采用图像法和沉降柱法分别研究了A2/O工艺中好氧污泥絮体的形貌、粒度分布、低维分形维数和沉降速率、有效密度、空隙率以及质量分形维数,并尝试探讨了上述相关性质与这些污泥宏观操作性质(沉降、压缩、脱水和稳定性)相关的各种理化指标以及胞外高分子物质(EPS)的含量之间的变化关系.结果表明,污泥絮体呈现不规则的形貌,表面具有空隙.其有效密度一般随着其粒径的增加而降低,而空隙率和沉降速率却呈现与有效密度相反的变化趋势,这些均表明了污泥絮体的分形结构的存在.2次所采集的污泥絮体的中位直径分别为248.81、332.86μm,有效密度的平均值分别为0.0040、0.0072g·cm-3,自由沉降速率的平均值分别为2.67、4.79mm·s-1,空隙率的平均值分别为0.94、0.89,一维分形维数分别为1.03、1.19,二维分形维数分别为1.64、1.84,采用基于Logan经验公式的有效密度-最大直径的双对数关系确定的质量分形维数分别为1.74、2.29.尽管第2次所采集的污泥絮体较为密实,但其表面粗糙程度却比第1次的低.此外,研究中发现絮凝能力较高或负电荷较高的A2/O好氧污泥絮体具有高的SVI和ZSV值;分形维数较低...