CN101980004B - 一种快速表征污泥脱水性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速表征污泥脱水性能的方法，先收集100ml原污泥或浓缩污泥，用0.45μm滤膜过滤得到10ml污泥上清液，测定上清液的可溶性有机碳(DOC)，再用蒸馏水稀释上清液到DOC＜10mg/L，采集稀释后的上清液的三维荧光光谱(EEM)谱图，采用Matlab 7.0数据处理软件的DOMFluor工具包对采集到的EEM谱图代入数据库进行平行因子(PARAFAC)分析，确定激发/发射波长为(220，280)/350nm组分的得分数，再将所得得分数乘以样品稀释倍数后代入污泥脱水性能判别关系式，即可表征污泥脱水性能。本发明可以快速地检测污泥脱水性能，检测时不需要化学试剂，仅需过滤、稀释处理和三维荧光光谱，可应用于生活污水处理厂、工业污水的生物处理厂等各种类型污泥的脱水性能监测。

Description

一种快速表征污泥脱水性能的方法

技术领域

本发明涉及一种快速表征污水处理厂污泥脱水性能的表征方法，具体是通过表征污水处理厂剩余污泥上清液中的可溶性有机物的三维荧光特征，并根据荧光特征与污泥脱水性能指标[比阻(SRF)]的关系，快速鉴定污泥的脱水性能。属污水处理技术领域。

背景技术

污水厂污泥是污水处理产生的主要二次污染物。在典型的生物处理工艺中，污水厂污泥主要由剩余活性污泥组成。近年来，我国的水污染控制事业发展迅速，相应的污水处理量和污泥产生量均将日益增长；据我国环境统计公报提供的数字，我国2006年排放污水约556.7亿m³，比2006年增加3.7％；处理率以60％计，且污水处理的污泥干固体产率为万分之二，则污水处理厂干污泥的产量约为668万吨/年，按含水率96％的浓缩污泥计，污泥产生量可达16700万m³/年；而按国家“十一五”环境保护规划，新增城市污水处理能力4500万m³/d，则“十一五”末我国污水厂浓缩污泥产生量将达2.4亿m³/年。数量如此巨大的污泥如得不到妥善处置将对环境造成严重的二次污染。

可持续的污泥管理应遵循“减量化、资源化、无害化”的原则，脱水不仅可使污泥体积最大限度地减少，而且也是污泥焚烧、堆肥化农用、卫生填埋等无害化处理处置必不可少的前处理环节，是污泥管理过程中应用最为普遍的共性技术。但污泥脱水存在的最大问题是费用昂贵，该费用一般占污水处理厂总运行费用的30％以上。准确地表征污泥脱水性能，是优化污泥调理、停留时间等脱水操作参数的基础，有助于脱水运行的优化和成本节约。目前，通常用于表征污泥脱水性能的指标是比阻。测定比阻的一般步骤如下：首先，加入100mL需实验的污泥于布氏漏斗中，开动真空泵，调节真空压力至实验压力，达到此压力后，开始起动秒表，并记下开动时计量管内的滤液V0；然后，每隔一定时间(开始过滤时间可每隔10秒或15秒，滤速减慢后可隔30秒或60秒)记下计量管内相应的滤液量；最后，关闭阀门取下滤饼可放入称量瓶内称重，重后的滤饼于105℃的烘箱内烘干称重。因此，其测定方法操作复杂、耗时较长(＞12h)。因此，迫切需要发展一种操作简单、快速及灵敏度高的污泥脱水性能表征方法。

研究已表明，污泥上清液中的蛋白质对污泥脱水性能影响很大[YuGuang-hui，He Pin-jing，Shao Li-ming，He Pei-pei.Stratification structure of sludgeflocs with implications to dewaterability.Environmental Science and Technology，2008，42(21)，7944-7949]。而三维荧光光谱可用于表征污泥中的可溶性蛋白质。Chen等[Chen W，Westerhoff P，Leenheer JA，et al.Fluorescence excitation/emissionmatrix regional integration to quantify spectra for disso lved organic matter.Environmental Science & Technology，2003，37(24)：5701-5710]提出了一种荧光区域综合指数法，用于区分溶解性有机物组分的分布范围。该作者将三维荧光光谱图谱分成5个区域，其中发射波长＜380nm的区域为类蛋白质物质。同时，已有研究表明荧光强度与污泥中可溶性蛋白质在低浓度时成正比[Henderson RK，Baker A，Murphy KR，et al.Fluorescence as a potential monitoring tool for recycledwater systems：a review.Water Research 2009，43，863-881]。然而，污泥成分复杂，不同类型的荧光基团相互叠加，从而导致荧光强度与监测指标的相关性降低。采用平行因子分析(PARAFAC)方法，可以将三维荧光光谱谱图中重叠的荧光峰分开。同时，污泥脱水性能与表观的物理参数无关，因此，在大多数情况下，不需要知道污泥脱水性能指标的绝对值。基于此，可用三维荧光光谱测定结合平行因子数据分析，快速地表征污泥脱水性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单且快速表征污水处理厂污泥脱水性能的方法，该方法用于评估污泥脱水性能时，快速、价廉、灵敏度高。

通过对大量不同进水来源和生物处理工艺的污水处理厂污泥的三维荧光光谱分析，以及荧光特征与污泥脱水性能指标：比阻之间的相关性统计；发现：污水处理厂污泥上清液的数值化荧光光谱图，即二维的荧光强度数据矩阵，可以通过平行因子分析(PARAFAC)方法，解析为6个组分，并获得每个组分的得分数；其中的组分1(激发/发射波长＝(220，280)/350nm)的得分数与污泥样品的比阻存在确定的线性相关关系。因此，可以通过对污泥样品的三维荧光光谱分析及光谱数据处理，相对简单地表征污水处理厂的污泥脱水性能。

本发明的技术方案如下：

A，样品采集，收集不同污水处理厂和相同污水处理厂不同时段的原污泥或浓缩污泥50个；

B，污泥上清液样品的获得，每个样品用0.45μm滤膜过滤得到10ml污泥上清液，然后用总有机碳分析仪测定污泥上清液的可溶性有机碳含量，再根据含量加水稀释，使污泥上清液中可溶性有机碳浓度为3～10mg/L，得到污泥上清液样品共50个；

C，三维荧光光谱谱图测定，先设定激发波长范围为200-500nm，发射波长范围为250-600nm，狭缝宽度为5nm，扫描速度为1200nm/min，运行模式为扫描模式，每隔2nm取一个点，每个样品扫描后获得三维荧光光谱图，以数据矩阵176行×31列记录，将数据矩阵(176行×31列)加入污泥上清液数据库，待测污泥样品与数据库污泥上清液样品的三维荧光光谱数据(176行×31列)均按下列数据表格式排列，并在Excel表中存储为f1.csv形式；

将所得三维荧光光谱图数据矩阵中激发波长200-220nm的数据删去，以去除仪器噪音，删去数据后的位置在数据矩阵中表示为缺失值；以同样的设置，获得待测污泥样品与数据库污泥上清液样品的三维荧光光谱图及其对应的数据矩阵，所有样品的数据按表格形式排列，并在Excel表中存储为f1.csv形式排列：

    1     2     3               26    27     28     29     30     31

    A1    B1    C1    .    .    Z1    AA1    BB1    CC1    DD1    EE1

    A2    B2    C2    .    .    Z2    AA2    BB2    CC2    DD2    EE2

数据A3    B3    C3    .    .    Z3    AA3    BB3    CC3    DD3    EE3

库样

品1 .     .     .     .    .    .     .      .      .      .      .

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    A176  B176  C176  .    .    Z176  AA176  BB176  CC176  DD176  EE176

    …    …

数据A1    B1    C1    .    .    Z1    AA1    BB1    CC1    DD1    EE1

库样A2    B2    C2    .    .    Z2    AA2    BB2    CC2    DD2    EE2

品50A3    B3    C3    .    .    Z3    AA3    BB3    CC3    DD3    EE3

                      .    .

                      .    .

    A176  B176  C176  .    .    Z176  AA176  BB176  CC176  DD176  EE176

    A1    B1    C1    .    .    Z1    AA1    BB1    CC1    DD1    EE1

    A2    B2    C2    .    .    Z2    AA2    BB2    CC2    DD2    EE2

待测A3    B3    C3    .    .    Z3    AA3    BB3    CC3    DD3    EE3

样品                  .    .

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    A176  B176  C176  .    .    Z176  AA176  BB176  CC176  DD176  EE176

D，平行因子分析，采用Matlab 7.0软件的DOMFluor工具包对待测污泥样品与50个数据库污泥上清液样品的三维荧光光谱数据进行平行因子分析，具体分析步骤如下：首先，采用创建平行因子分析模块[Create PARAFACexample mat]创建数据库；然后，利用切割模块[Cutdata]去除数据库中所有三维荧光光谱数据中的瑞利散射和拉曼散射，并用去除离群样品模块[OutlierTest]去除数据库中离群样品(即与其它样品完全不同的样品)；最后，利用负荷作图模块[PlotLoadings]和半分裂法验证模块[SplitHalfAnalysis]获得最佳组分数为6，并用输出结果模块[FMax，B，C]输出最终结果，其输出结果为数据库中所有样品激发/发射波长为(220，280)/350，(250，340)/430，(240，300)/350，280/320，(230，280)/430和(250，360)/460nm的6个组分的得分数，取待测样品对应的激发/发射波长为(220，280)/350nm组分，即组分1的得分数；

E，表征污泥脱水性能的指标的计算，将待测样品组分1的得分数乘以样品稀释倍数后，得到组分1的得分值，代入下列污泥脱水性能判别关系式：

比阻(10¹³m/kg)＝9.35×Log(组分1的得分值)-25.0

即得到待测样品的污泥脱水性能判别指标值：比阻，从而判定污泥的脱水性能。

本发明具有如下突出的技术特点和有益效果：

1，本发明操作简单、快速。样品处理仅需简单的过滤操作，不需要任何化学药剂；样品测定时间仅为15min；数据处理由计算机完成。

2，样品需要量少。样品需求量＜100ml，采样过程简单易行。

3，灵敏度高，三维荧光光谱谱图测定的灵敏度比常规分光光度法高10-1000倍。

4，本发明与对比技术比较具有反应时间短、无需消耗专用滤纸等耗材的优点；可以为污泥脱水设备的运行提供近实时的监控条件，便于对脱水设备运行的优化控制；也可节省监测过程的成本。

附图说明

图1本发明的技术路线及数据分析流程。

图2为本发明用于表征污泥脱水性能的组分1的三维荧光光谱的激发和发射波长载荷图

图3为本发明的比阻与荧光组分1得分数的相关性分析结果

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式，作具体说明如下，剩余污泥样品取自上海市10个不同类型污水处理厂的二沉池，这10个不同类型污水处理厂是曲阳水质净化厂、天山污水处理厂、石洞口污水处理厂、松江老厂、松江东部水质净化厂、松江西部水质净化厂、诺斯克造纸厂、松江垃圾填埋场污水处理厂、江桥和御桥生活垃圾焚烧厂污水处理站。每个厂在不同的时段取5个样品，共计50个样品。样品取回后参照附图1的处理流程，进行下列操作。

1)样品预处理。先从50个剩余污泥样品中各取100ml，用0.45μm滤膜过滤得到污泥上清液，然后用总有机碳分析仪测定污泥中可溶性有机碳DOC含量，并将其稀释到DOC浓度为3至10mg/L，得到稀释后的污泥上清液；

2)三维荧光光谱谱图测定。取约5ml稀释后的污泥上清液放入三维荧光光谱仪的比色皿，实验设定的激发波长范围为200-500nm，发射波长范围为250-600nm，狭缝宽度为5nm，扫描速度为1200nm/min，运行模式为Scan模式，每隔2nm取一个点，每个样品扫描后获得三维荧光光谱图，以数据矩阵(176行×31列)记录，将所得三维荧光光谱图数据矩阵中激发波长200-220nm的数据删去，以去除仪器噪音，删去数据后的位置在数据矩阵中表示为缺失值；以同样的设置，获得其余样品的三维荧光光谱图及其对应的数据矩阵，所有样品的数据按下列表格形式排列，并在Excel表中存储为f1.csv形式：

      1     2     3               26    27     28     29     30     31

      A1    B1    C1    .    .    Z1    AA1    BB1    CC1    DD1    EE1

      A2    B2    C2    .    .    Z2    AA2    BB2    CC2    DD2    EE2

样品1 A3    B3    C3    .    .    Z3    AA3    BB3    CC3    DD3    EE3

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      A176  B176  C176  .    .    Z176  AA176  BB176  CC176  DD176  EE176

      A1    B1    C1    .    .    Z1    AA1    BB1    CC1    DD1    EE1

      A2    B2    C2    .    .    Z2    AA2    BB2    CC2    DD2    EE2

样品2 A3    B3    C3    .    .    Z3    AA3    BB3    CC3    DD3    EE3

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      A176  B176  C176  .    .    Z176  AA176  BB176  CC176  DD176  EE176

      A1    B1    C1    .    .    Z1    AA1    BB1    CC1    DD1    EE1

      A2    B2    C2    .    .    Z2    AA2    BB2    CC2    DD2    EE2

      A3    B3    C3    .    .    Z3    AA3    BB3    CC3    DD3    EE3

…                      .    .

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      A176  B176  C176  .    .    Z176  AA176  BB176  CC176  DD176  EE176

      A1    B1    C1    .    .    Z1    AA1    BB1    CC1    DD1    EE1

      A2    B2    C2    .    .    Z2    AA2    BB2    CC2    DD2    EE2

样品  A3    B3    C3    .    .    Z3    AA3    BB3    CC3    DD3    EE3

50                      .    .

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      A176  B176  C176  .    .    Z176  AA176  BB176  CC176  DD176  EE176

3)平行因子分析。采用Matlab 7.0软件(下载自www.models.kvl.dk/so urce/)的DOMFluor工具包，对上述表格中排列好的50个样品(＝10个污水处理厂×5个样品)的三维荧光光谱数据进行平行因子分析，分析中设置非负性限制{通过命令[CutData]＝EEMCut(OriginalData，20，20，NaN，NaN，″)中的NaN设置实现}，再按如下步骤操作：首先，将50个样品的各个三维荧光光谱数据除以各样品稀释后测定的DOC浓度，以获得的数值对应替代原来的三维荧光光谱数据，用以减少不同样品有机物浓度的差异对分析结果的影响；然后，在Matlab 7.0软件的DOMFluor工具包操作，去除瑞利和拉曼散射{通过命令[CutData]＝EEMCut(OriginalData，20，20，NaN，NaN，″)实现}，再去除离群样品(Outlier，即与其它样品完全不同的样品){通过命令[Test1]＝OutlierTest(CutData，2，1，7，′No′，′No′)实现}，经操作，在此数据表格中没有样品鉴定为离群样品，所有50个样品的三维荧光光谱数据即为所构建的用于快速表征污泥脱水性能的数据库。附图2为经上述处理后，一维化的样品荧光光谱数据图，便于分维存入数据库。

对经过以上处理步骤后的50个三维荧光光谱数据矩阵分别进行样品成份2至7组分运算{通过命令[Test3]＝OutlierTest(Test3，2，1，7，′Yes′，′No′)实现}，并采用残差分析(Residual analysis)、半分裂法(Split halfanalysis)和目视检验(Visualinspection)确定最佳的荧光组分数为3{依次通过命令PlotLoadings(Test3，4)、PlotLoadings(Test3，5)、PlotLoadings(Test3，6)、PlotLoadings(Test3，7)、CompareSpecSSE(Test3，3，4，5)、[AnalysisData]＝SplitData(Test3)、[Analysis Data]＝SplitHalfAnalysis(AnalysisData，(3∶7)，′MyData.mat′)、SplitHalfValidation(AnalysisData，′1-2′，3)实现}，最后获得激发/发射波长为(220，280)/350，(250，340)/430，(240，300)/350，280/320，(230，280)/430和(250，360)/460的6个组分的得分数{通过命令[FMax，B，C]＝ModelOut(AnalysisDat a，4，′C：\MyParafac Results.xls′)实现}。

5)皮尔森相关性分析得到污泥荧光特征与比阻关系式。对获得的6个组分的得分数与污泥的脱水性能指标[比阻]进行皮尔森相关性分析(SPSS软件，16.0版本)，结果发现只有组分1的得分数与污泥脱水性能具有显著的线性关系(p＜0.05，见附图3)，表明组分1[激发/发射波长＝(220，280)/350nm]的得分数可用于表征污泥的脱水性能，进一步以组分1的得分数乘以样品稀释倍数后，得到组分1的得分值，将得分值与比阻进行皮尔森相关性分析，发现相关性优于得分数与比阻；从而得到组分1的得分值与污泥比阻的关系式为：

比阻(10¹³m/kg)＝9.35×Log(组分1的得分值)-25.0

根据文献(何品晶 等.城市污泥处理与利用[M].北京：科学出版社，2003)中的污泥脱水性能判别阈值[比阻＞1×10¹³m/kg，污泥脱水性能较差；比阻＜1×10¹¹m/kg，污泥脱水性能良好]，即可判定Log(组分1的得分数)＞2.78时，污泥的脱水性能较差；而Log(组分1的得分数)＜2.67时，污泥的脱水性能良好。

Claims (1)

1.一种快速表征污泥脱水性能的方法，其特征在于：

A，样品采集，收集不同污水处理厂的不同时段的原污泥或浓缩污泥50个；

B，污泥上清液样品的获得，每个样品用0.45μm滤膜过滤得到10ml污泥上清液，然后用总有机碳分析仪测定污泥上清液的可溶性有机碳含量，再根据含量加水稀释，使污泥上清液中可溶性有机碳浓度为3～10mg/L，得到污泥上清液样品共50个；

C，三维荧光光谱谱图测定，先设定激发波长范围为200-500nm，发射波长范围为250-600nm，狭缝宽度为5nm，扫描速度为1200nm/min，运行模式为扫描模式，每隔2nm取一个点，每个样品扫描后获得三维荧光光谱图，以数据矩阵176行×31列记录，将所得三维荧光光谱图数据矩阵中激发波长200-220nm的数据删去，以去除仪器噪音，删去数据后的位置在数据矩阵中表示为缺失值；以同样的设置，获得待测污泥样品与数据库污泥上清液样品的三维荧光光谱图及其对应的数据矩阵，所有样品的数据按表格形式排列，并在Excel表中存储为f1.csv形式排列；

D，平行因子分析，采用Matlab 7.0软件的DOMFluor工具包对待测污泥样品与50个数据库污泥上清液样品的三维荧光光谱数据进行平行因子分析，具体分析步骤如下：首先，采用创建平行因子分析模块创建数据库；然后，利用切割模块去除数据库中所有三维荧光光谱数据中的瑞利散射和拉曼散射，并用去除离群样品模块去除数据库中离群样品，即与其它样品完全不同的样品；最后，利用负荷作图模块和半分裂法验证模块获得最佳组分数为6，并用输出结果模块输出最终结果，其输出结果为数据库中所有样品激发/发射波长为(220，280)/350nm，(250，340)/430nm，(240，300)/350nm，280/320nm，(230，280)/430nm和(250，360)/460nm的6个组分的得分数，取待测样品对应的激发/发射波长为(220，280)/350nm组分，即组分1的得分数；

E，表征污泥脱水性能的指标的计算，将待测样品组分1的得分数乘以样品稀释倍数后，得到组分1的得分值，代入下列污泥脱水性能判别关系式：

比阻(10¹³m/kg)＝9.35×Log(组分1的得分值)-25.0

即得到待测样品的污泥脱水性能判别指标值：比阻，从而判定污泥的脱水性能。

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