英语原文共 11 页

絮体模型和絮体内流动

C.P. Chu ^a ， D.J. Lee ^a，lowast; ， J.H. Tay ^b

^a国立台湾大学化学系，台北市罗斯福路4号1段，台北市10617

^b南洋理工大学环境与水资源工程系，新加坡639798

摘要：

实验使用了荧光原位杂交（FISH）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像鉴定废活性污泥絮凝物中的三维孔结构，并由CLSM系列图像构建了污泥絮状物的三维多孔构造网格。当构造的絮凝物模型经过均匀流场时，模拟了当时的内部流场，并且基于此估算了达西渗透率。实验结果表明：原始絮凝物的渗透率（k_dl）估计为 8times;10^-12m²，絮凝后的絮凝物由于其大孔径而具有较高的k_dl，而冻融/解冻絮凝物的相应k_dl值较低。并且计算结果表明，絮凝物中的一些大孔隙决定了渗透率，而分形维数和紧密度与絮凝物的渗透性无关。

关键词：结构；絮凝模型；孔；激光共聚焦显微镜；运输过程

1.介绍

生物处理单元产生的絮凝物是吸附和分解污染物的微反应器。然而，有关絮状物内复杂的几何形态以及微生物生态学的信息仍然不全面。Moudgil和Shah（1986）表示不同工艺的优选絮凝性能不同。Jiwani等人（1997年）监测了几个絮状物的形态指标（尺寸、致密度和长丝数），然后将其与流出物的质量和污泥的脱水性相关联。然而，絮状结构的影响，包括微生物的空间分布、固有的传质阻力和絮凝物内可能的底物浓度分布等，尚未纳入活性污泥模型（Henze等，1987；Bakti和Dick，1992；Keller等，2002）。

生物团聚体的高度非均匀结构很难用简单的几何进行描述。分形通常用于表征生物聚集体的结构(Mandelbrot，1983)，且其结构在所有维度和所有长度上重复。分形维数D与聚集形状、曲折度、表面积和其他与长度相关的物理特征相关，并被定义为：

M(R) prop;R^D， (1)

其中M是质量，R是回转半径。自由沉降试验被广泛用于估算生物絮体的分形维数（Tambo和Watanabe，1979；Li和Ganczarczyk，1989；Lee，1994）。Lee等人（1996）严格审查了自由沉降试验的使用和限制。此外，光散射实验也是确定团聚体分形维数的重要工具。Axford和Herrington（1994），Kyriakidis等（1997），Jung等（1995）和Guan等（1999年）使用小角度光散射实验来研究絮状物的结构。Guan（1999）则简要总结了光散射测试的局限性。

通过絮凝物的平流流动主导了内部运输过程。Adler(1981)确定了多孔球体周围的流线，Wu和Lee（1998）估计了具有均匀结构的絮状物在无界流体中运动时所受到的力。他们发现较高的渗透率促进了絮凝物内部的流动，而对于高度多孔的絮凝物，由于没有发生边界层分离，流动模式不随絮凝物的存在而显著变化。Wu等人（1998a，b）以及Wu和Lee（1999）模拟了单个球体向平板移动的运动，并记录了真实絮凝物速度的变化，通过对实验数据和计算结果的比较，确定了渗透率。实验结果表明：冷冻/解冻污泥絮状物具有比原始污泥絮状物更紧凑的结构，两种絮凝物的末端速度均高于实心球的末端速度。尺寸为1700-2200mu;m的活性污泥絮凝物的渗透率范围是7times;10^minus;8-5times;10^minus;7m²。

气泡追踪技术可以看到沉降絮凝物附近的流场（Tsou等，2002；Wu等，2000a，b，2002；Pietsch等，2002)。絮凝体对气泡运动路径的扰动有助于估计絮凝体的渗透性。Gorczyca和Ganczarczyk（2001）注意到渗透率可能不仅仅是絮状物孔隙度的函数。并且Gorczyca和Ganczarczyk（2002）通过应用Adler（1981）排水半径模型估算了明矾凝结絮凝物和活化污泥絮凝物的渗透率。

关于渗透率与孔隙度、絮凝物大小和絮状结构的相关性的争论早已经出现（Gma-chowski，1999；Lee，1999)。但是由于忽略了絮凝体内部的复杂性，寻找渗透率与絮凝体性能之间简单关系的相关性面临着困难。在本研究中，使用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）系列图像构建了污泥絮状物多孔内部的三维结构，通过模拟絮凝物内部的流场，并基于该流场估计了平均流体流速与施加的压降之间的关系，从而给出了絮体渗透率与内部几何参数之间相关性的评述。

Jorand等（1995年）测量了超声波处理后絮凝物尺寸的变化，发现单个絮凝物（125mu;m）是由许多小聚集体（约13mu;m）组成的，并且这些聚集体由约2.5mu;m的细菌细胞组成。Sanin和Vesilind（1996）首先结合上述信息来模拟絮状物。在相关文献中，Lee（1999）作为第一作者提出了生物絮体的分形结构。根据Lee的提议，Wu等人（2002）通过实验发现，使用自由沉降试验和小角度光散射试验探测的污泥样品的分形维数并不相同。因为大多数流体动力学和传质分析通常为了简便，假设絮凝物内部是简单的（Wu和Lee，1998a，b，1999，2001；Tsou等，2002），从而导致了他们忽略絮状结构的决定性作用。

在本次研究中，我们利用荧光原位杂交(FISH)和CLSM技术对絮凝体的内部结构进行了详细的描述，并建立了絮凝体的三维模型。对絮凝体内部的流场进行了数值模拟，在此基础上估算了平均流量与压降的关系，讨论了絮凝体渗透率与内部几何参数之间的关系。

2.建立絮凝模型

2.1.样品和测试

废活性污泥取自台北市的民生市政污水处理厂，将废活性污泥重力沉降至固体含量为15000mg/L，作为本试验的试验样品。污泥的pH值约为6.2。由直读光谱仪（DR/2000，HACH，USA）测定的污泥化学需氧量（COD）为24400mg/L。通过0.45mu;m膜过滤后污泥样品滤液的COD称为可溶性COD（SCOD），其原始污泥的可溶性COD读数为510mg/L。实验中使用元素分析仪（Perkin-Elmer2400CHN）对干燥样品进行测定，其元素组成为C：34.3％、H：5.5％、N：5.5％。通过Accupyc比重计1330（Micromeritics）测量污泥的干固体密度为1450kg/m³。

聚合物T-3052，一种聚丙烯酰胺，是中国台湾的Kai-Guan公司生产的阳离子絮凝剂。聚合物T-3052的平均分子量为107道尔顿（Da），电荷密度为20％。将聚合物溶液逐渐倒入含有新鲜污泥样品的混合容器中，搅拌速度设为200rpm，持续5分钟（快速混合），然后以50rpm，再搅拌20分钟（慢速混合）（Chang等，1997)。根据过滤性试验（未显示数据），本次污泥的“最佳”聚电解质剂量为40ppm，并将其用作本次研究所采用的剂量。

在-17◦C的空气冷却室中进行冷冻和解冻试验。将污泥样品置于直径3.5厘米，高3厘米

图 1原始絮凝物：ID #C。（a）典型的CLSM切片图像；（b）双层图像（由Otsu方法设定阈值）；（c）絮凝物生物量的三维视图；（d）孔的六面体体积网格。

的容器中，使其在2小时的冷冻中实现完全冷冻，然后将冷冻的样品在相同的低于冰点的温度下再固化22小时。之后，将样品在室温下解冻6小时（Hung等，1996)。

本工作采用了配备图像处理器(OLYMPUSFV5PSU)和氩激光光源的CLSM(OLYMPUSBX50)来激发荧光。使用FLUOVIEW3.0版软件对污泥絮凝物进行10目标成像。显微镜在固定的深度扫描样品，并将获得的图像数字化。用于CLSM分析的污泥絮凝物首先在磷酸盐缓冲盐水（PBS）中，用3％多聚甲醛固定。然后将固定的样品包埋在FISH的低熔点琼脂（熔点为75◦C，凝胶点为38◦C）中。在这项研究中，我们使用了EUB338（用罗丹明标记）和ARCH915（用四氯荧光素标记）探针，用于检测具有高细胞核糖体含量和那些不能被EUB338检测到的细菌，并将染色的样品洗涤三次以通过杂交缓冲溶液来除去额外的探针。

2.2.絮体模型

针对典型的絮凝物采集了150多个CLSM图像，采用图像阈值算法-Otsursquo;smethod（Pietsch等，2002）确定了切片图像的阈值，并选择感兴趣的区域(ROI)进行双层处理。然后，利用双层CLSM图像重建了絮凝体的三维图像，紧接着使用Amira3.0(TGSInc.，USA)软件将经过阈值处理的切片图像重构为等值面（多边形表面模型和体积网格），步骤如下：

(1)降低图像的分辨率并将体素的物理形状调整为几乎立方体。在该研究中，切片图像在X和Y方向上的典型分辨率为约0.2mu;m/像素（100mu;m/512像素），并且两个CLSM切片之间的物理间隔约为1mu;m。这里，切片图像分辨率从512512减小到128128（图像重采样），因此体素的比率X：Y：Z都是大约1。Lanczos过滤器用于重采样。

(2) 检测双层图像中的边缘。二进制图像中的边界根据连通性以及它们是否位于对象或其补充内进行分类。所有分析中相邻像素的连通性设置为4，用于边缘检测。

(3)建立物体的三维形状。当边界绘制完成后，就可以建立等值面来显示物体的三维形状。这里采用的曲面构造算法是三角曲面的行进立方体算法(LorensenandCline，1987)。

(4)将前进算法应用于孔隙简化多边形表面模型所定义的每个区域，用非结构化四面体体积网格进行填充(ChuandLee，2004)。将四面体网格转换为等效的六面体网格，以便为流体动力学软件提供可比性。每个四面体网格被转换为四个六面体网格。

根据前一节描述的程序，对原始污泥絮体（图1），阳离子絮凝剂絮状物（图2）和冻/融污泥絮体（图3)进行了典型的CLSM切片图像、双层图像、生物量的三维重建图像以及建立的空隙空间网格。表格1则给出了长方体模型的长度（X）、宽度（Y）和高度（Z）。在本次工作中共对九种絮凝体进行了研究。

三维物体的密实度定义为A³/ 36V ²，其中A和V分别是生物质相的表面积和体积。球体的密实度为1。原污泥絮体的密实度在30到50之间（表格1），而絮凝污泥絮体的密实度非常高（200-1300）。相比之下，冷冻/解冻絮凝物的致密性相对较低（19-33），这意味着絮状物比其他样品更具球形。

盒计数分形维数D_p，3 由方程式（2）给出，如果一个分形物体的表面被具有特征边长的三角形片覆盖（Baveye等，1998）；

（2）

其中是三角形贴片的数量。实际上，无法逼近极限。当特征长度大于某个截止长度(即原始切片图像的像素大小)时，通过测量n对的依赖性来估计D_p，3，原污泥絮体的D_p，3 约为2.57，具有较多不规则表面的阳离子絮凝污泥絮体具有较高的 D_p，3 （2.62-2.70），而冻融污泥絮凝物具有比原始絮凝物更低的D_p，3 （2.45-2.50）（表格1)

图 2.阳离子絮凝絮凝物：ID #C。（a）典型的CLSM切片图像；（b）双层图像（由Otsu方法设定阈值）；（c）絮凝物生物量的三维视图；（d）孔的六面体体积网格。

图 3.冷冻/解冻絮凝物：ID #C。（a）典型的CLSM切片图像；（b）双层图像（由Otsu方法设定阈值）；（c）絮凝物生物量的三维视图；（d）孔的六面体体积网格。

表格 1

原始絮凝物、阳离子絮凝物和冷冻/解冻絮凝物的曲折度和渗透性

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