厌氧折流板反应器(ABR)中成熟颗粒污泥的分形分析

研究了ABR反应器启动成功后成熟颗粒污泥的物理性质和不同拓扑空间下的分形维数.结果表明,在反应器启动成功后,各格室中形成了平均粒径为1.70～2.70 mm、边界较为清晰的黑色颗粒污泥.它们的SVI值为25～35 mL·g-1,有效密度主要集中在1.02g·mL-1以下,自由沉降速率主要集中在14.40～86.40m·h-1之间.在它们的等速自由沉降的过程中,第2格室到第5格室中颗粒污泥水平方向的投影平均直径与垂直投影方向上平均直径的比值接近0.73,而第1格室的这一比值却为0.83.依据沉降速率-当量圆直径的双对数图计算出的各格室中颗粒污泥的质量分形维数Df处于2.097～2.801之间,大小顺序为第5格＞第3格＞第2格≥第1格＞第4格,表明第5格室中形成的颗粒污泥较为密实,而第4格室的密实程度最小,但密实的颗粒污泥并不一定意味着较高的平均沉降速率.此外,依据投影法计算出的ABR各格室中颗粒污泥在低维拓扑空间下的几种分形维数之间的关系与其理论公式之间的关系相符,其中二维拓扑空间的分形维数为1.69～1.84(投影面积-长轴),大小顺序为第3格室＞第1格室＞第5格室＞第4格室＞第2格室,这些D2不等于2,即不符合Meakin的结论.一维拓扑空间下的分形维数在0.99～1.03之间,各格室之间差异不大,表明颗粒污泥的边界不规则程度小.     

不同碳源培养的成熟好氧颗粒污泥的分形表征

为了表征不同碳源培养的好氧颗粒污泥的密实以及规则程度,试验利用不同碳源培养的成熟好氧颗粒污泥SEM照片,采用Photoshop、Fips2对图形进行处理并且对图像进行分形计盒维数的计算.其中,1号(葡萄糖膨胀颗粒)好氧颗粒的计盒维数最低,达到1.794±0.011,3号(蛋白胨颗粒)与5号(生活污水颗粒)的分形维数较高,达到了1.866±0.018和1.880±0.015,较为致密.不同碳源培养的好氧颗粒污泥的边界计盒维数主要分布在1.14左右,其中6号(啤酒颗粒)的形状较为规则,计盒维数达到1.115±0.003,7号(垃圾渗滤液颗粒)污泥的形状最不规则.结果表明,利用二维分形维数能够较好地表征、区分不同好氧颗粒污泥的密实程度、规则程度,并且能够表征好氧颗粒污泥的状态,如膨胀等.分形表征一定程度上弥补其他现有表征好氧颗粒污泥的理化特性方法的缺陷,为研究好氧颗粒污泥的组成、结构及物化特征的关系提供重要依据.     

HRT对ABR处理低浓度废水的效果和颗粒污泥特征的影响

采用效果检测、粒度分布与分形等方法,研究了ABR处理低浓度废水时水力停留时间(HRT)对其运行状况和颗粒污泥特征的影响.结果表明,随着HRT从24 h逐渐缩短到5 h,反应器保持了较高的有机物去除效果,运行稳定阶段的COD去除率多在90%以上,主要承担COD去除的格室由反应器的前2格逐渐过渡到中间3格室;反应器后面格室颗粒污泥的MLSS值随着HRT的缩短总体也呈增加趋势,MLVSS/MLSS值先降低后升高,前3个格室的MLVSS/MLSS值高于后2个格室的趋势越来越明显.分形维数和粒度的变化表明,HRT为24 h和18 h时,ABR中颗粒污泥呈现表面光滑、结构密实和粒径逐渐增大的特点;HRT为12 h和8 h时,形成大而中空、表面相对不规则的疏松颗粒污泥; HRT为5 h时,水力扰动破碎、筛分以及微生物修补作用的综合影响导致颗粒污泥粒径减小、表面光滑、结构密实.在同一HRT下,ABR不同格室中颗粒污泥D1和D2呈现出相反的变化趋势,显示了沿着ABR格室,颗粒污泥表面变得光滑时对应的结构比较密实的特征.     

基于分形理论和形状特征的大气颗粒物研究

本研究对青岛市黄岛区的大气颗粒物进行了采集,通过CCD图像采集系统在显微镜下获得8种典型大气颗粒物的显微图像,运用差分盒维数法计算其分形维数以及图像处理技术计算其球形度等形状参数.进而研究了颗粒物分形维数与粗糙度的关系、分形维数的尺度不变性、以及分形维数和形状参数的相关性分析.研究发现不同颗粒图像的分形维数是不同的,可以运用分形维数结合长径比、庞大率等形状参数对大气颗粒物进行模式识别,为解析大气颗粒物的来源提供新的特征参数.     

聚合氯化铁-腐殖酸(PFC-HA)冷冻干燥絮体的表面微观形貌及其孔表面分形特征

采用低温急速冷冻-真空干燥技术制备了不同pH(9.0、7.0、5.0)原水在45.89mg·L-1(以Fe3 计,原水pH=9.0)或28.41mg·L-1(以Fe3 计,原水pH=7.0、5.0)投药量下混凝后形成的PFC-HA絮体的粉末样品,研究了它们的表面微观形貌和孔表面分形特征.SEM图像表明,PFC-HA絮体具有不规则的块、片状形貌,而且在原水pH=9.0或pH=7.0时形成絮体也存在簇状结构.3种样品对N2的吸附-脱附等温线上均存在滞后圈,但样品3的形状不同.它们的吸附量、BJH累积吸附孔体积与脱附平均孔径的大小顺序均为:样品3＞样品2＞样品1,即随原水pH的降低而升高,而且孔尺度分布曲线显示样品3的表面存在大孔.BET比表面积的变化趋势与它们不一致,且样品2的比样品3稍大,样品1的最小.基于分形FHH方程,采用吸附等温线和脱附等温线数据计算出样品1和样品2的孔表面分形维Ds数均在2.94左右,而样品3的均小于2.38.这些Ds值似乎不能完全表示出因孔表面粗糙性而导致的空间填充能力的大小,主要表达了3种样品的中孔甚至大孔的尺度分布引起的不规则性.本试验中采用热力学模型计算出的3个样品Ds值大都超过3,它们已经失去了维数的实际意义;但样品3因其吸附-脱附等温线上的滞后圈接近圆桶式的A类,如果缩小分形标度区间,可以得到与分形FHH方程计算出的Ds接近的值.     

引入分形维数的混凝动力学方程数值求解

运用Smoluchowskj基本原理,建立了引入絮凝体分形维数的混凝动力学模型.该模型在絮凝过程中考虑了不同时刻形成的絮凝体中引入的初始颗粒数目和空隙率,并以此来推求不同时刻形成的絮凝体所对应的分形维数.采用有限差分法对建立的混凝动力学模型进行了数值计算.结果表明,初始颗粒的结构特征和碰撞效率是影响絮凝体粒径分布的主要因素.初始颗粒的分形维数和碰撞效率越大,絮凝体粒径分布越宽泛,大尺寸的颗粒所占的份额越多.同时计算结果表明,絮凝体的分形维数有随其粒径增大而逐渐降低的趋势,其原因是絮凝体的成长粒径与絮凝体中所包含的初始颗粒增长速度不成比例.以腐殖酸为混凝对象,采用硫酸铝作为混凝剂进行混凝实验,并以其初始絮凝条件作为数值计算初始条件,研究表明数值计算分析结果和模拟结果吻合较好.     

柴油/碳酸二甲酯燃烧颗粒的微观结构和分形特征

为降低柴油机颗粒物排放,探讨了柴油机燃用柴油/碳酸二甲酯混合燃料燃烧颗粒微观结构和分形特征的变化规律. 采用扫描电镜、透射电镜和SAXS(同步辐射小角X射线散射)相结合的方法,针对DMC(碳酸二甲酯)添加量(以w计)对柴油机燃烧颗粒微观结构和分形特征参数的影响规律进行了研究. 结果表明:与柴油燃烧颗粒相比,D10〔w(DMC)为10%〕、D20〔w(DMC)为10%〕燃烧颗粒的碳粒子平均层面间距分别增加了5.3%、15.1%,弯曲度平均值分别增加了4.0%和10.3%,表明燃烧颗粒的氧化活性增加;与柴油相比,D10、D20燃烧颗粒的质量分形维数分别增加了0.44和0.52,下限均升高了0.2,SAXS与电镜图像对燃烧颗粒的质量分形维数的分析结果相一致,即质量分形维数随DMC添加量的增加而升高,表明燃烧颗粒的团聚程度提高;与柴油燃烧颗粒相比,D10、D20燃烧颗粒表面分形维数的下限分别升高了0.1和0.2,表明其燃烧颗粒表面的粗糙程度和不规则程度提高;与柴油燃烧颗粒相比,D10、D20燃烧颗粒的活化能分别降低了3.9和7.9 kJ/mol,表明燃烧颗粒的氧化活性随着DMC添加量的增加而增强,验证了燃烧颗粒微观尺寸结构和分形特征的研究结果. 研究显示,柴油中添加DMC能够提高燃烧颗粒的氧化活性,燃烧颗粒的氧化活性越强,其在后处理过程中就越易被氧化,有助于降低柴油机的颗粒物排放.      

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...     

引黄水库沉沙条渠沉积物的表面理化及分形特征研究

研究了引黄水库沉沙条渠泥沙沉积物的表面微观形貌和孔表面分形特征.采集了引黄供水鹊山水库沉沙条渠6个泥沙沉积物样品,对其粒径、形貌、孔隙结构、表面元素分布及分形特征进行分析,目的是考察由不同模型计算的颗粒孔表面分形维数和标度空间存在差异的原因,探讨这些颗粒表面微观形貌对其表面元素分布的影响.结果表明,泥沙沉积物颗粒的平均...     

A2/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、 332.86 μm,有效密度的平均值分别为0.004 0、 0.007 2 g·cm^-3,自由沉降速率的平均值分别为2.67、 4.79　mm·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;分形维数较低的污泥具有高的剪切敏感性和低絮体强度,相应的污泥稳定性低;EPS总量高的污泥脱水性能差,EPS中蛋白质含量高的污泥其表面电荷也较高.     

Effect of seed sludge on characteristics and microbial community of aerobic granular sludge

Aerobic granular sludge was cultivated by using different kinds of seed sludge in sequencing batch airlift reactor.The influence of seed sludge on physical and chemical properties of granular sludge was studied;the microbial community structure was probed by using scanning electron microscope and polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis(PCR-DGGE).The results showed that seed sludge played an important role on the formation of aerobic granules.Seed sludge taken from beer wastewater treatment plant(inoculum A) was more suitable for cultivating aerobic granules than that of sludge from municipal wastewater treatment plant(inoculum B).Cultivated with inoculum A, large amount of mature granules formed after 35 days operation, its SVI reached 32.75 mL/g, and SOUR of granular sludge was beyond 1.10 mg/(g·min).By contrast, it needed 56 days obtaining mature granules using inoculum B.DGGE profiles indicated that the dominant microbial species in mature granules were 18 and 11 OTU when inoculum A and B were respectively employed as seed sludge.The sequencing results suggested that dominant species in mature granules cultivated by inoculum A were Paracoccus sp., Devosia hwasunensi, Pseudoxanthomonas sp., while the dominant species were Lactococcus raffinolactis and Pseudomonas sp.in granules developed from inoculum B.     

鼓泡和鼓泡-搅拌SBR好氧污泥颗粒化能耗分析

在高径比20的鼓泡SBR和高径比1.2的鼓泡-搅拌SBR反应器中,考察了好氧污泥颗粒化过程中,污泥粒径、分形维数、微生物特性的变化.建立流体动力学模型,对鼓泡和鼓泡-搅拌反应器中好氧颗粒污泥形成前后的能耗进行对比分析,从水力学角度分析2个反应器污泥特性出现差异的原因.结果表明,鼓泡反应器内在表观气速2.0cm/s条件下形成了均值粒径0.604mm,平均沉降速度（24±5.8） m/h,SVI 36.33mL/g,MLSS维持在4500mg/L左右,表面光滑的好氧颗粒污泥.鼓泡-搅拌反应器在搅拌速度300r/min、表观气速1.05cm/s的条件下,成功培养以丝状菌为骨架的好氧颗粒污泥,均值粒径可达1.123mm,污泥的平均沉降速度为（19.6±5.1） m/h,SVI为41.33mL/g,MLSS维持在3300mg/L左右.好氧颗粒污泥形成前后的能耗进行对比分析发现：好氧颗粒污泥培养初期,鼓泡-搅拌反应器因搅拌桨的加入,获得的湍动能远大于鼓泡反应器,约为100倍左右;而好氧颗粒形成之后,鼓泡反应器中上部位置的湍动能明显增加,且湍动能的大小大于鼓泡-搅拌反应器.相比较而言,鼓泡反应器相对节约能量.     

Fractal analysis of polyferric chloride-humic acid （PFC-HA） flocs in different topological spaces

The fractal dimensions in different topological spaces of polyferric chloride-humic acid (PFC-HA) flocs, formed in flocculating different kinds of humic acids (HA) water with different initial pH (9.00, 7.00, 5.00) and PFC dosages, were calculated by effective density-maximum diameter, image analysis, and N2 absorption-desorption methods, respectively. The mass fractal dimensions (Df) of PFC-HA flocs, being more than 2.0, calculated by bi-logarithm relation of effective density-maximum diameter and Logan empirical formula at initial pH of 7.00 had 11-13 percentage greater than those at pH 9.00 and 5.00, indicating the most compact flocs formed in flocculated HA water at initial pH of 7.00. The image analysis for those flocs indicates that after flocculating the HA water at initial pH greater than 7.00 with PFC flocculant, the fractal dimensions of D2 (logA vs. logdL) and D3 (logVsphere vs. logdL) of PFC-HA flocs decreased with the increase of PFC dosages, and PFC-HA flocs showed a gradually looser structure. At the optimum dosage of PFC, the D2 (logA vs. logdL) values of the flocs show 14%--43% difference with their corresponding Df, and they even had different tendency as the change of initial pH values. However, the D2 values of the flocs formed at three different initial pH in HA solution, calculated from the horizontal projected images with magnification about 9, had a same tendency with the corresponding Df. Based on fractal Frenkel-Halsey-Hill (FHH) adsorption and desorption equations, the pore surface fractal dimensions (Ds) for dried powders of PFC-HA flocs formed in HA water with initial pH 9.00 and 7.00 were all close to 2.9421, and the Ds values of flocs formed at initial pH 5.00 were less than 2.3746. It indicated that the pore surface fractal dimensions of PFC-HA flocs dried powder mainly show the irregularity from the mesopore-size distribution and some marcopore-size distribution.     

预加好氧颗粒对SBR中好氧颗粒污泥形成的影响

以活性污泥曝气池中的絮状活性污泥为接种污泥,采用人工配制的模拟生活污水,通过观测颗粒形态和粒径的变化,研究预先加入15%成熟好氧颗粒污泥对好氧颗粒污泥形成过程的影响.对比研究发现,2个反应器内小颗粒（0 .1～0 .3　cm）的形成均较快,但大颗粒的形成速度相差明显.培养过程中还能明显观察到丝状菌缠绕和絮状污泥黏附在小颗粒表面.反应器启动第1、7、14 d,污泥平均体积粒径分别从0 .10、0 .16 cm上升到0 .23、0 .30 cm,最终达到0 .28、0 .43 cm.研究结果表明,预先加入15%成熟好氧颗粒污泥,能加速好氧颗粒污泥在反应器内形成.     

Characteristics of aerobic granules grown on glucose a sequential batch shaking reactor

Aerobic heterotrophic granular sludge was cultivated in a sequencing batch shaking reactor(SBSR) in which a synthetic wastewater containing glucose as carbon source was fed. The characteristics of the aerobic granules were investigated. Compared with the conventional activated sludge flocs, the aerobic granules exhibit excellent physical characteristics in terms of settleability, size, shape, biomass density, and physical strength.Scanning electron micrographs revealed that in mature granules little filamentous bacteria could be found, rod-shaded and coccoid bacteria were the dominant microorqanisms.     

Fractal characteristics of filamentous bacteria in activated sludge and its significance

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｉｎｍａｎｙｃｏｕｎｔｒｉｅｓｈａｖｅａｎａｌｙｚｅｄｍａｓｓｉｖｅｌｙｆｏｒｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｂｕｌｋｉｎｇｏｆａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｉｎｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ,ｐａｒｔｉ?..     

Fractal analysis of polyferric chloride-humic acid (PFC-HA) flocs in di erent topological spaces

The fractal dimensions in di erent topological spaces of polyferric chloride-humic acid (PFC-HA) flocs, formed in flocculating di erent kinds of humic acids (HA) water at di erent initial pH (9.0, 7.0, 5.0) and PFC dosages, were calculated by e ective densitymaximum diameter, image analysis, and N2 absorption-desorption methods, respectively. The mass fractal dimensions (Df) of PFC-HA flocs were calculated by bi-logarithm relation of e ective density with maximum diameter and Logan empirical equation. The Df value was more than 2.0 at initial pH of 7.0, which was 11% and 13% higher than those at pH 9.0 and 5.0, respecively, indicating the most compact flocs formed in flocculated HA water at initial pH of 7.0. The image analysis for those flocs indicates that after flocculating the HA water at initial pH greater than 7.0 with PFC flocculant, the fractal dimensions of D2 (logA vs. logdL) and D3 (logVsphere vs. logdL) of PFC-HA flocs decreased with the increase of PFC dosages, and PFC-HA flocs showed a gradually looser structure. At the optimum dosage of PFC, the D2 (logA vs. logdL) values of the flocs show 14%–43% di erence with their corresponding Df, and they even had di erent tendency with the change of initial pH values. However, the D2 values of the flocs formed at three di erent initial pH in HA solution had a same tendency with the corresponding Df. Based on fractal Frenkel-Halsey-Hill (FHH) adsorption and desorption equations, the pore surface fractal dimensions (Ds) for dried powders of PFC-HA flocs formed in HA water with initial pH 9.0 and 7.0 were all close to 2.9421, and the Ds values of flocs formed at initial pH 5.0 were less than 2.3746. It indicated that the pore surface fractal dimensions of PFC-HA flocs dried powder mainly show the irregularity from the mesopore-size distribution and marcopore-size distribution.     

好氧亚硝化颗粒污泥特性的研究

对在小试曝气上流式污泥床反应器中成功培养出的好氧亚硝化颗粒污泥的特性进行了研究.工艺稳定运行时,亚硝化颗粒污泥的VSS/SS稳定在80%左右,粒径大于1.0 mm的颗粒污泥约占总数的70%,粒径大于0.8 mm的颗粒污泥的湿密度约为1?022 kg/m³.荧光原位杂交结果表明,亚硝化细菌主要分布在颗粒污泥的表层,而硝化细菌则分布在表层之下;最大可能数结果显示,亚硝化工艺稳定运行时亚硝化细菌的数量远多于硝化细菌,甚至可高于硝化细菌4个数量级以上.上述结果表明,硝化细菌（AOB和NOB）以接种的产甲烷颗粒污泥或其碎片为载体,通过在其表层附着生长,最终形成好氧亚硝化颗粒污泥.