廢水生物處理顆粒污泥內(nèi)三維孔隙結(jié)構(gòu)研究
——以厭氧氨氧化顆粒污泥為例

冷濟(jì)軒，傅慧敏，晏 鵬，陳猷鵬

（重慶大學(xué) 環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，重慶 400045）

顆粒污泥由于其結(jié)構(gòu)緊湊、生物截留率高、沉降性能良好和抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而備受環(huán)境工程界青睞。但顆粒污泥在運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)顆粒解體、污泥上浮等問題，極大程度上影響了工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。顆粒解體、污泥上浮與顆粒污泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與特性密不可分。Li 等[1]和Tao 等[2]總結(jié)了顆粒污泥上浮的機(jī)理主要為：顆粒污泥中的微生物在生長和增殖過程中會產(chǎn)生氣體，在達(dá)到氣體飽和溶解度后形成氣泡，一部分附著于顆粒污泥表面或滯留在顆粒污泥內(nèi)部形成氣穴，使顆粒污泥密度降低，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒上浮。由此可見，顆粒污泥的氣穴分布和孔隙結(jié)構(gòu)對其沉降性能影響極大，研究顆粒污泥的三維結(jié)構(gòu)、孔隙以及氣穴分布對顆粒污泥工藝的穩(wěn)定性具有重要意義。但是目前缺乏顆粒污泥內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)和氣腔分布特征的有效表征方法，這些特征參數(shù)在維持顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性中發(fā)揮的作用仍待探索。

關(guān)于多孔結(jié)構(gòu)的觀測與表征，目前主要的方法是核磁共振成像，熒光原位雜交結(jié)合激光共聚焦和掃描電子顯微鏡等方法[3-7]，此外，分形理論也成功運(yùn)用于活性污泥和土壤等多孔結(jié)構(gòu)的空間分布性質(zhì)的研究[8-10]。然而這些方法只能得到顆粒污泥內(nèi)某個尺寸的孔的豐度，無法得到連續(xù)的孔徑分布，也不能提供直觀的三維結(jié)構(gòu)信息?；谕捷椛浼夹g(shù)的X 射線顯微斷層掃描成像(computed tomography, CT)技術(shù)可以對含水生物樣品進(jìn)行原位動態(tài)的無損三維微觀結(jié)構(gòu)成像，但目前缺乏基于同步輻射X 射線顯微CT 成像技術(shù)對顆粒污泥內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性表征的研究。本研究以厭氧氨氧化(anerobic ammonium oxidation, Anammox)顆粒為例，通過同步輻射X 射線顯微CT 成像技術(shù)對顆粒污泥進(jìn)行掃描，利用圖像處理軟件得到了能夠準(zhǔn)確描述顆粒污泥內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的三維模型，定位顆粒污泥內(nèi)部孔隙體積和空間分布特征，為解讀污泥上浮過程和顆粒污泥結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供思路。根據(jù)斷層圖像計(jì)算顆粒污泥的孔隙度、分形維數(shù)等物理屬性，探究顆粒污泥內(nèi)部孔隙的連通性，進(jìn)而計(jì)算顆粒污泥的滲透率，為預(yù)測顆粒污泥的滲透率乃至探究基質(zhì)輸運(yùn)過程提供一種新思路，從而為顆粒污泥工藝的高效運(yùn)行提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 反應(yīng)器運(yùn)行

采用膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化工藝。反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，高1 800 mm，內(nèi)徑90 mm，總有效容積17.59 L，其中反應(yīng)區(qū)容積11.45 L，沉淀區(qū)容積6.14 L。反應(yīng)器外設(shè)置厚度為100 mm的環(huán)形水浴保溫層，反應(yīng)器溫度保持在(32±1)oC。反應(yīng)器進(jìn)水和回流由蠕動泵從反應(yīng)器底部泵入，回流比為25:1，向上流速為1.69 m/h。合成廢水具體組成見表1[11]。

表1 合成廢水中各成分質(zhì)量濃度Table 1 Component concentration in synthetic wastewater

1.2 顆粒預(yù)處理

厭氧氨氧化顆粒污泥從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的EGSB 反應(yīng)器中取樣，共使用8 個顆粒污泥進(jìn)行表征、分析和計(jì)算，顆粒粒徑大小為3.5～4.0 mm。將顆粒污泥置于含有2.5%戊二醛和2%甲醛的氯化鈣緩沖溶液中4 h，然后，將顆粒污泥置于無水丙酮中以替換其結(jié)合水，并在包埋過程中加入著色劑[12]，以提高顆粒的對比度。之后在60oC 下將樣品在樹脂中固化，再掃描含有目標(biāo)顆粒污泥的樹脂。

1.3 同步輻射顯微CT 掃描

本研究中X 射線CT 掃描于上海同步輻射光源的BL15W1 線站中完成。與X 射線管中產(chǎn)生的X 射線(例如工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中)相比，基于同步加速器的X 射線是單色光，具有更高的亮度，可以避免射線硬化偽影，從而顯著提高重建圖像的質(zhì)量。光學(xué)變換系統(tǒng) (Optique Peter PCO2000) 提供多物鏡切換功能，放大倍數(shù)為原始尺寸的 1.25 至 20 倍。電荷耦合器件(CCD)探測器(Hamamatsu ORCA-Flash4.0)視野大小為6.8 mm×7.2 mm，對應(yīng)為1 360 像素×1 430 像素，即每個方向上1 像素代表5 μm。

1.4 數(shù)字圖像處理和孔隙定量分析

相位襯度圖像經(jīng)過PITRE 軟件進(jìn)行重構(gòu)后，使用Avizo 19.1 軟件與fiji/ImageJ 共同進(jìn)行圖像過濾和圖像分割過程。為了提高圖像分割的準(zhǔn)確性和效率，使用Avizo19.1 中值濾波器進(jìn)行圖像濾波，用于隨后的體繪制、定量標(biāo)記分析和滲流計(jì)算分析。使用SPSS 軟件對顆粒污泥的孔徑及配位數(shù)等屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒污泥的三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)

2.1.1 顆粒污泥的三維結(jié)構(gòu)

CT 掃描后所得投影圖像是相位襯度經(jīng)過拉普拉斯變換后的分布，即邊緣襯度圖像。采用同軸相襯方法從邊緣襯度圖像中恢復(fù)相位襯度，從而得到片層圖像。采用PITRE 軟件中的GRIDREC 算法對得到的相位襯度圖像進(jìn)行重構(gòu)，其與傳統(tǒng)的FBP 算法相比，能在不降低重構(gòu)圖像質(zhì)量的前提下大幅度降低重構(gòu)圖像所需的時間[13-15]。

顆粒污泥的三維重建如圖1 所示?；贑T 掃描獲取顆粒污泥樣品重構(gòu)二維灰度片層圖像見圖1（a），圖中的灰色、白色區(qū)域?yàn)楦呙芏鹊念w粒污泥骨架(包括生物質(zhì)及無機(jī)物質(zhì))，黑色區(qū)域?yàn)榈兔芏鹊目紫犊臻g?；贑T 掃描獲取的顆粒污泥三維灰度圖像可見圖1（d）。

圖1 顆粒污泥的三維重建Fig. 1 3D reconstruction of guanular sludge

圖 2 中值濾波Fig. 2 Median filter

二維CT 片層灰度圖像中存在系統(tǒng)噪聲，因此需要通過濾波算法提高信噪比。針對三維圖像，比較常用的濾波算法有低通線性濾波、高斯平滑濾波及中值濾波，通過綜合對比3 種算法的濾波效果，采用中值濾波對灰度圖像進(jìn)行濾波處理，去除了部分偽影，孔隙和顆粒污泥骨架之間的過渡變得自然，邊界也變得平滑，同時也盡可能地保留了圖像重要特征信息（見圖2）。

為劃分出顆粒污泥骨架和孔隙，還需要對濾波后的灰度圖像進(jìn)行二值化分割，使其由灰度圖像轉(zhuǎn)變?yōu)槎祷瘓D像。圖像二值化的關(guān)鍵在于分割閾值的選取，如圖1（c）中所示，左側(cè)峰值代表著孔隙空間，實(shí)體骨架對應(yīng)右邊的峰值，因此只要在兩峰的峰谷處選擇一個適當(dāng)?shù)拈撝稻涂梢杂行У貙紫逗凸腆w進(jìn)行分割[16]，本研究中采用最小誤差算法自動選擇閾值[17]。此外，顆粒污泥骨架中生物質(zhì)和非生物質(zhì)(包括晶核和吸附于顆粒污泥淺層的礦物質(zhì)顆粒)的灰度值也有較大的區(qū)別，如圖1（b）所示，在閾值34 處將顆粒污泥孔隙和骨架區(qū)分開之后，于閾值154 處進(jìn)行劃分并利用Interactive top-hat 模塊，選出表面的非生物細(xì)顆粒，去除重復(fù)的部分后，得到顆粒污泥的生物質(zhì)骨架和非生物質(zhì)骨架，最終重構(gòu)的三維模型如圖1（e）所示。

2.1.2 顆粒內(nèi)部孔隙尺寸分布

從灰度圖和二值圖中可以發(fā)現(xiàn)顆粒污泥結(jié)構(gòu)中存在大量孔隙，這些孔隙被認(rèn)為是微生物菌群在外部選擇壓的強(qiáng)化下，適應(yīng)環(huán)境的結(jié)果，它們?yōu)榛|(zhì)和代謝產(chǎn)物的傳遞提供必要的內(nèi)部通道。研究表明，顆粒污泥的孔隙率一般在0.58 到0.92 之間，小于傳統(tǒng)絮狀活性污泥的孔隙率(大于0.95)[18]。由于顆粒污泥中的孔隙的形狀和空間分布相當(dāng)復(fù)雜，在分析其尺寸特點(diǎn)時，按等效法將孔隙規(guī)范化為三維球體，從而獲得等效球體直徑[19]，即等效孔徑d，對顆粒污泥的孔隙體積與數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖3。Liu 等[20]發(fā)現(xiàn)大孔隙在溶質(zhì)遷移和氣泡運(yùn)動過程中起重要的輸移通道作用，但從圖3 中發(fā)現(xiàn)其中等效直徑小于100 μm 的孔隙體積占比超過了85%，說明顆粒污泥中直徑小于100 μm 的孔隙占據(jù)主導(dǎo)地位，可能是決定顆?？臻g結(jié)構(gòu)和傳質(zhì)過程的關(guān)鍵因素。

圖3 顆粒污泥孔隙直徑及體積比Fig. 3 Pore diameter and volume ratio of granular sludge

2.2 顆粒內(nèi)部孔隙的空間分布特征

選取8 個粒徑相近的顆粒，從晶核(約250 μm 處)向外，根據(jù)距顆粒中心的距離，每125 μm 劃分為1 個區(qū)間，共計(jì)13 個區(qū)間。根據(jù)孔隙的空間坐標(biāo)，將區(qū)間內(nèi)的孔隙體積除以區(qū)間體積，得到顆粒內(nèi)每個區(qū)間內(nèi)的孔隙度并進(jìn)行擬合，從而得到式(1)和圖4，圖4 中的8 條曲線分別代表8 個顆粒的區(qū)間孔隙度。擬合后顆?？紫吨械膮^(qū)間分布服從μ= 7.56，σ= 6.34 的高斯分布，其r2=0.80。在區(qū)間7 即距晶核1 125～1 250 μm 處孔隙率達(dá)到最大值75.77%?？紫吨饕植荚趫F(tuán)聚體中心區(qū)域，內(nèi)部和外部分布密度較低，說明孔隙主要分布在顆粒污泥中部，而靠近晶核的區(qū)域和靠近外側(cè)的區(qū)域顆粒污泥結(jié)構(gòu)則較為致密。這與Ni 等[21]和Liu 等[22]的報道類似。

圖4 區(qū)間孔隙度Fig. 4 Interval porosity

2.3 顆粒污泥的分形維數(shù)

與經(jīng)典的歐幾里德幾何不同，分形幾何認(rèn)為物體的維數(shù)可以是一個非整數(shù)值。分形維數(shù)可以用來描述對象的空間填充能力。Anammox 細(xì)菌從細(xì)胞聚集成團(tuán)、形成亞單位，與胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）和無機(jī)物質(zhì)相互粘結(jié)，最終形成顆粒污泥[23]，因此Anammox 顆粒污泥具有明顯的分形特征。根據(jù)Mu 等[24]的研究，顆粒污泥的分形值通常在2.17～2.85 的范圍內(nèi)。利用ImageJ 的Fractal Box Count 插件對顆粒污泥固相部分二值圖的分形維數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到顆粒污泥的分形維數(shù)如圖5 所示，平均值為2.58。一般來說，較低的分形值通常表示骨架結(jié)構(gòu)更疏松、更多孔，因此傳質(zhì)能力更好，而較高的分形值表明顆粒污泥形成了更致密、更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。

圖5 顆粒污泥的幾何分布Fig. 5 Geometric distribution of granular sludge

將分形維數(shù)與顆粒污泥的孔隙度進(jìn)行相關(guān)性分析，從圖5（a）中看到，分形維數(shù)和孔隙度的變化趨勢并不完全同步，其p值為0.817，認(rèn)為2 個變量之間無顯著相關(guān)性，究其原因是因?yàn)榉中尉S數(shù)不僅受片層圖像內(nèi)孔隙多少的影響，還受孔隙分布是否規(guī)則的影響。因此根據(jù)Xu 等[25]的研究，采用彎曲分形維數(shù)表征流體流動通道中毛細(xì)管的彎曲程度，按式(2)對顆粒污泥的彎曲分形維數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

式中：τave為平均迂曲度，是反映通道迂回曲折程度的參數(shù)，由Avizo 軟件對圖像處理得到；Ls為孔隙的平均宏觀長度，mm；λave為孔隙的算數(shù)平均孔徑，mm。計(jì)算結(jié)果與孔隙度的關(guān)系如圖5(b)所示，彎曲分形維數(shù)與孔隙度呈負(fù)相關(guān)，r2=0.853，這也與Yu 等[26]的研究吻合。

由此可得，灰度圖像的分形維數(shù)是孔隙多少和分布情況共同作用的結(jié)果，所以其與孔隙度并不一定保持線性遞增的關(guān)系[27-28]，但彎曲分形維數(shù)與孔隙度具有良好的線性關(guān)系，這與Othman 提出的由多孔介質(zhì)的孔隙率和彎曲分形維數(shù)定義的滲透率分形模型相吻合[29]。根據(jù)Xu 等[30]的研究，流動特性和彎曲度既取決于孔隙介質(zhì)的統(tǒng)計(jì)特征(孔隙度、分形維數(shù))，也取決于孔隙介質(zhì)的形態(tài)特征(顆粒排列、孔隙連接)。孔隙度大，孔隙量多，但是孔隙分布集中、規(guī)則、連通性好，對應(yīng)的灰度圖像規(guī)則，分形維數(shù)較??；相反，孔隙少，但是孔隙分布離散、不規(guī)則、孔隙通道扭曲多變，那么對應(yīng)的灰度圖像就十分崎嶇，分形維數(shù)就較高。

2.4 顆粒污泥內(nèi)部孔隙滲透性分析

2.4.1 顆粒污泥內(nèi)部孔隙連通性分析

使用Avizo 軟件中的Axis Connectivity 模塊對二值化后的圖像進(jìn)行連通性分析，并將二值化圖和連通性孔隙圖做差量化運(yùn)算，得到顆粒污泥中獨(dú)立的孔隙分布。從圖6 中可以看到，顆粒污泥中的獨(dú)立孔隙多分布于顆粒污泥表層，且多為小孔徑的孔隙，這可能是顆粒污泥產(chǎn)生氣泡時粘附在顆粒污泥表面產(chǎn)生的氣穴。此外，在靠近晶核的位置也有較多分布，而且孔徑較大的孔隙多分布于此，可能是菌膠團(tuán)或細(xì)菌EPS 粘合導(dǎo)致氣孔阻塞，或因鈣、銅等無機(jī)物的遷移過程使小孔隙堵塞所致[31-33]。獨(dú)立孔隙與全部孔隙體積比一般不超過10%，平均值為4.5%，這說明顆粒污泥內(nèi)部孔隙連通性較好，為基質(zhì)和產(chǎn)物的物質(zhì)交換提供了條件。

圖6 獨(dú)立孔隙三維結(jié)構(gòu)Fig. 6 Independent pore structure

為了更加簡明直觀地展示連通孔隙空間的結(jié)構(gòu)，采用Avizo 細(xì)化算法獲取孔隙空間，建立了能夠簡化表征孔隙空間結(jié)構(gòu)的等價孔隙網(wǎng)絡(luò)模型(圖7（a）)。圖中球體表征孔隙，管束表征喉道，球體體積與相應(yīng)位置的孔隙體積近似相等[34]?？梢钥吹?，與2.2 中結(jié)果類似，體積較大的孔隙多分布在顆粒污泥中部，而體積小的微孔隙則分布在表層和靠近晶核的核心層，導(dǎo)致了顆粒污泥區(qū)間孔隙度高斯分布的情況。另外，等效孔隙的配位喉道數(shù)與等效孔隙直徑正相關(guān)(圖7（b）)，具有類似肺部的結(jié)構(gòu)[35]，小孔隙匯集到大孔隙再與外界連通，這說明顆粒污泥內(nèi)部大孔隙具有良好的連通性，使得大孔隙在氣體排出顆粒污泥的過程中起重要作用。

圖7 顆粒污泥孔隙的連通性Fig. 7 Pore connectivity of granular sludge

2.4.2 顆粒污泥的滲透性

顆粒污泥的滲透性代表了流體通過的能力，直接決定了其傳質(zhì)模式和傳質(zhì)效率[36]。計(jì)算滲透性要求顆粒污泥內(nèi)部必須存在相互連通的有效孔隙，才能提供相應(yīng)滲流路徑。因此，需對顆粒污泥孔隙空間做連通性測試，移除獨(dú)立孔隙，才能保證計(jì)算順利進(jìn)行并較快收斂。采用Avizo 軟件的滲透率計(jì)算模塊計(jì)算不可壓縮Navier-Stokes 方程(式（3）)，來完成孔隙空間的標(biāo)記圖像的單相流微流動計(jì)算[37]，流體基本屬性按常態(tài)下水的參數(shù)賦值。

式中：u為流體速度；P為流體壓力，Pa；ρ為流體密度即998.2 kg/m3；μ為流體動力黏度即1.005×10-3Pa·s。模型中相對立的兩面分別作為速度入口及壓力出口邊界，固相即顆粒污泥骨架視為不可滲透固體，無流體通過，其余流動邊界及孔壁視為無滑移壁面(流速為0)[38]，得到流線圖如圖8 所示。

圖8 顆粒污泥滲流流線圖Fig. 8 Percolation streamline

在計(jì)算結(jié)果中，由出口或入口邊界上對流動速度進(jìn)行積分，可以得到通過顆粒的體積流量，再代入達(dá)西定律公式中即可求得絕對滲透率[39]。

式中：Q為流量，m3/s；A為顆粒污泥截面面積，m2；L為流體滲流的直線距離，m；ΔP為壓差，Pa。據(jù)此分別計(jì)算了x、y、z3 個方向的滲流特性，x、y、z方向上滲透率分別為140.08、356.67、325.72 μm2，平均值為274.16 μm2。3 個方向上滲透率差距不大，可以認(rèn)為顆粒污泥在滲透率上具有各向同性，與文獻(xiàn)報道的好氧顆粒污泥各向同性結(jié)論一致[40]。顆粒污泥在反應(yīng)器中的實(shí)際沉降速度比根據(jù)斯托克斯方程計(jì)算得到的無滲透性剛體球快4～8.3 倍[41]，這也說明顆粒污泥內(nèi)部大量的孔隙導(dǎo)致顆粒污泥具有良好的滲透率，是顆粒污泥良好水力特性的關(guān)鍵因素。

根據(jù)得到的平均滲透率和2.4.1 中得到的獨(dú)立孔隙體積，得到圖9。從圖9 中可以看出，顆粒污泥中獨(dú)立孔隙體積比和滲透率成負(fù)相關(guān)趨勢(r2=0.734，p=0.007)，即獨(dú)立孔隙體積比越大，其滲透率越小，這是因?yàn)楠?dú)立孔隙由于其封閉特性，難以參與到氣或水的交換過程中，從而降低顆粒污泥的滲透性。

圖9 顆粒污泥滲透率和獨(dú)立孔隙占比Fig. 9 Permeability and independent pore of granular sludge

根據(jù)Kozeny-Carman 方程，多孔介質(zhì)的滲透性應(yīng)與其孔隙度呈正相關(guān)。

式中：c為Kozeny-Carman 常數(shù)；?為孔隙度；S為固體相的比表面積。而本研究中所選取顆粒污泥的滲透性與孔隙度的相關(guān)性不顯著（p=0.756）。根據(jù)Kozeny-Carman 方程，顆粒污泥的滲透性不僅與孔隙度相關(guān)，也與孔喉比相關(guān)，且孔喉比的影響程度更大[42]。此外，顆粒污泥的滲透率還與孔隙連通性和表層孔隙占比相關(guān)[43,44]。因此，為了得到空間分布與滲透率的相關(guān)關(guān)系，可能還需要進(jìn)一步計(jì)算分析相同條件下顆粒污泥的其他相關(guān)因素[45,46]。

2.5 三維孔隙結(jié)構(gòu)對顆粒傳質(zhì)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要性

在Anammox 顆粒污泥中，蛋白質(zhì)和α-多糖構(gòu)成了顆粒污泥的主干，而活細(xì)菌和β-多糖則主要分布在外層[21,22]。據(jù)此推測，在顆粒污泥生長的過程中，EPS 和其他大分子組成的聚集體位于顆粒污泥外層形成緩沖層，Anammox 菌于其中增殖，故而結(jié)構(gòu)比較致密。隨著顆粒粒徑增大，傳質(zhì)性能降低，導(dǎo)致顆粒內(nèi)部基質(zhì)缺乏，EPS 被消耗，甚至細(xì)菌發(fā)生內(nèi)源性呼吸，產(chǎn)生空腔，導(dǎo)致中層孔隙度較大[47]；而靠近晶核的核心區(qū)域，由于缺乏基質(zhì)，Anammox 活菌很少，產(chǎn)氣過程很弱，核心處的礦物質(zhì)等堆積形成較為致密的結(jié)構(gòu)。通過構(gòu)建顆粒污泥的三維結(jié)構(gòu)模型，探究顆粒污泥孔隙的空間分布情況，可以側(cè)面反映細(xì)胞增殖和EPS 的變化，有助于理解污泥的顆?；^程。

顆粒污泥的分形特性和多孔結(jié)構(gòu)使其具有良好的滲透性，可以降低顆粒污泥受到的阻力[48]，使其在水力剪切作用下形成大小合適的顆粒[49]。Wang 等[50]的研究探究了分形維數(shù)和顆粒污泥沉降性能的對數(shù)正態(tài)分布關(guān)系，使利用分形維數(shù)預(yù)測顆粒沉降速度成為可能。Yu 等[51]提出了孔隙分形維數(shù)和曲折分形維數(shù)是影響多孔介質(zhì)中相對滲透率的兩個重要機(jī)制。另外有研究提出分形法是經(jīng)典立方體滲透率計(jì)算模型的重要補(bǔ)充[52]?；谝陨险撌?，本研究得到了彎曲分形維數(shù)與孔隙度的良好線性關(guān)系，顆粒污泥的分形維數(shù)由孔隙度和迂曲度共同作用。

顆粒污泥內(nèi)部孔隙的連通性與其水力滲透性和產(chǎn)氣過程密切相關(guān)。Xue 等[53]的研究通過流變學(xué)分析闡明了Anammox 污泥的漂浮特性，其內(nèi)部空腔的存在會提高顆粒污泥的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使顆粒污泥具有合適的密度，改善沉降性能，避免過多排泥。Tsui 等[54]據(jù)此建立了顆粒污泥內(nèi)部等效空腔體積與顆粒上浮過程之間的數(shù)學(xué)模型。但過高的獨(dú)立孔隙占比會降低顆粒污泥的滲透性，從而影響傳質(zhì)過程[55]，降低污泥的脫氮能力。本研究將獨(dú)立孔隙體積與全部孔隙體積之比作為指標(biāo)評估顆粒污泥孔隙的連通性，據(jù)此可以估算顆粒污泥的傳質(zhì)能力。

Fukumoto 等[56]從微觀力學(xué)的角度對土壤顆粒與滲流之間的相互作用進(jìn)行耦合計(jì)算，發(fā)現(xiàn)臨界水力梯度的測算值與理論值吻合良好。Wang 等[57]利用CFD 方法模擬顆粒型多孔介質(zhì)的液體滲流過程，發(fā)現(xiàn)滲透率與驅(qū)動壓力成正相關(guān)，且較大的孔隙可以增強(qiáng)流體壓力，從而增大滲流速度。本研究利用Avizo 軟件對重建的顆粒污泥模型進(jìn)行滲透性計(jì)算，并發(fā)現(xiàn)了其與孔隙連通性的相關(guān)性。

3 結(jié) 論

1）建立了X 射線CT 掃描顆粒污泥片層圖像的三維重構(gòu)方法，并發(fā)現(xiàn)了中間密集內(nèi)外層稀疏的顆粒孔隙空間分布特征，為解讀污泥上浮過程和顆粒污泥結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供思路。

2）得到了顆粒污泥內(nèi)部孔隙的分形維數(shù)及彎曲分形維數(shù)，發(fā)現(xiàn)了彎曲分形維數(shù)與顆?？紫抖鹊呢?fù)相關(guān)關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)灰度圖像的分形維數(shù)受顆粒的孔隙度及迂曲度共同影響。

3）利用Avizo 軟件對顆粒污泥的連通性進(jìn)行分析，將獨(dú)立孔隙體積與全部孔隙體積之比作為指標(biāo)評估顆粒污泥孔隙的連通性，并建立了顆粒污泥孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，得出顆粒污泥內(nèi)部等效孔徑與其配位喉道數(shù)呈正相關(guān)。

4）對去除獨(dú)立孔隙后的顆粒污泥進(jìn)行絕對滲透率計(jì)算，顆粒污泥滲透率分布在200～400 μm2之間，并發(fā)現(xiàn)了滲透率與獨(dú)立孔隙占比之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系，為預(yù)測顆粒污泥的滲透率乃至探究基質(zhì)輸運(yùn)過程提供了一種新思路。