CN112255381A - 一种测试污水处理系统起泡能力和泡沫稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试污水处理系统起泡能力和泡沫稳定性的方法，包括：对待测试的污水处理系统进行曝气，测定停止曝气后生成的泡沫体积；对曝气后的污水离心，并测定上清液的表面张力；通过Pearson相关系数r计算表面张力与泡沫体积之间的线性相关性；若|r|高于额定阈值，则将泡沫体积作为污水处理系统起泡能力的度量；若|r|未超过额定阈值，则调整曝气时的速率或时间，重复直至|r|高于额定阈值，则将泡沫体积作为污水处理系统起泡能力的度量；污水粘度与泡沫稳定时间同理。本发明提供的方法将表面张力与粘度测量相结合，能够简单、快速且准确评价生物泡沫严重程度，对活性污泥工艺生物泡沫的消除具有重要价值。

Description

一种测试污水处理系统起泡能力和泡沫稳定性的方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种测试污水处理系统起泡能力和泡沫稳定性的方法。

背景技术

活性污泥工艺由于进水存在生物表面活性物质及破裂细胞体，极易产生白色泡沫，若同时进水长期存在大量难降解表面活性剂，如生活污水中的烷基苯磺酸盐等洗涤剂、工业废水中的大量非离子型表面活性物质等，则极易恶化为生物泡沫，在曝气池表面形成的棕色或灰褐色堆积层，其浓度与粘度随时间逐渐增大，具有稳定、持续、难控制等特点，严重影响工艺性能。如何简单、快速且准确地评价生物泡沫严重程度，对于生物泡沫的研究与消除具有重要理论意义与实际应用价值。

目前，主要的生物泡沫评价方法包括曝气法、丝菌鉴定计数法、荧光标记计数法、细胞疏水性测试法、浮渣指数、泡沫浮渣指数。曝气法指在量筒内利用曝气头对一定体积的活性污泥混合液进行模拟曝气，通过单位时间内生成泡沫体积和泡沫稳定时间对活性污泥混合液的起泡能力和泡沫稳定性进行评价。丝菌鉴定计数法指利用相差显微镜在油镜下观察泡沫样本的革兰氏、奈瑟氏染色玻片，记录计数网格内菌丝数目，可以提供比较数据，用于丝状菌的鉴定计数。荧光标记计数法指利用荧光标记的rRNA靶向寡核苷酸探针对Mycolata和Microthrix parvicella进行鉴定计数。细胞疏水性测试法是将混合液生物质在疏水性有机溶剂中分配，测定分配前后水层吸光度，利用其差值计算疏水性。浮渣指数指以标准曝气速率对混合液进行浮选，将泡沫相关微生物转移到浮渣中，计算浮选前后悬浮物质量比。泡沫浮渣指数指利用结构方程模型和路径分析赋予起泡潜势、稳定性、气泡大小、泡沫颜色、覆盖面积、总悬浮固体含量、丝状细菌共7个维度不同的权重，求出最终的泡沫浮渣指数。

反观以上生物泡沫评价方法可以看出，目前常用的生物泡沫评价方法都难以同时达到简单、快速且准确的要求。曝气法具有简单快速的优点，但是易受悬浮颗粒、曝气速率等因素的影响，测试结果并不一定能反应实际情况。丝菌鉴定计数法与细胞疏水性法测试则都较为耗时。荧光标记计数法则需专业设备和知识储备，仅适用于设备精良的微型实验室，难以推广。浮渣指数与泡沫覆盖量相关性较好，但与疏水性相关性较差。泡沫浮渣指数虽与生物泡沫严重程度线性相关性较好，但涉及的维度多，过于繁琐。

鉴于现有生物泡沫评价方法存在一定的局限，有必要开发一种同时达到简单、快速且准确评价生物泡沫严重程度的方法，对活性污泥工艺生物泡沫的研究与消除将具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，并提供一种测试污水处理系统起泡能力和泡沫稳定性的方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种测试污水处理系统起泡能力和泡沫稳定性的方法，其具体如下：

S1：对待测试的污水处理系统进行曝气，测定停止曝气后生成的泡沫体积；对曝气后的污水离心，并测定上清液的表面张力；通过Pearson相关系数r计算表面张力与泡沫体积之间的线性相关性；

S2：对待测试的污水处理系统进行曝气，测定停止曝气后生成泡沫的稳定时间和污水的粘度；通过Pearson相关系数r计算污水粘度与泡沫稳定时间之间的线性相关性；

S3：若表面张力与泡沫体积之间相关系数的绝对值|r|高于额定阈值，则将S1中的泡沫体积作为污水处理系统起泡能力的度量；若表面张力与泡沫体积之间相关系数的绝对值|r|未超过额定阈值，则调整S1中曝气时的速率或时间，重复S1的过程，直至表面张力与泡沫体积之间相关系数的绝对值|r|高于额定阈值，则将S1中的泡沫体积作为污水处理系统起泡能力的度量；

S4：若污水粘度与泡沫稳定时间之间相关系数的绝对值|r|高于额定阈值，则将S1中的泡沫稳定时间作为泡沫稳定性的度量；若污水粘度与泡沫稳定时间之间相关系数的绝对值|r|未超过额定阈值，则调整S2中曝气时的速率或时间，重复S2的过程，直至污水粘度与泡沫稳定时间之间相关系数的绝对值|r|高于额定阈值，则将S2中的泡沫稳定时间作为泡沫稳定性的度量。

作为优选，对所述曝气之前，首先取待测试污水处理系统中的污水水样于200～1000mL的量筒中，再对量筒中的污水水样进行曝气。

作为优选，所述曝气的方法为用鼓风机通过微孔曝气头对待测试的污水处理系统进行曝气。

作为优选，所述曝气的气体流速为1～100mL/min。

作为优选，所述线性相关性的确定方法具体如下：

Pearson相关系数

其中，N为数据容量；x_i、y_i分别表示表面张力与泡沫体积或污水粘度与泡沫稳定时间的数据值；

当0.8<|r|≤1时，表示极强相关；当0.6<|r|≤0.8时，表示强相关；当0.4<|r|≤0.6时，表示两中等程度相关；当0.2<|r|≤0.4时，表示弱相关；当0.0<|r|≤0.2时，表示极弱相关或无关。

作为优选，所述额定阈值为0.6。

作为优选，所述S1中利用表面张力测量仪，采用悬滴法测定离心后上清液的表面张力。

作为优选，所述S1中离心的速率为8000～12000rpm，离心时间为1～5min。

作为优选，S2中所述泡沫稳定时间指的是从停止曝气后到泡沫体积稳定不变的时间。

作为优选，所述S2中利用粘度计来测定污水的粘度。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1)由于表面张力与粘度是生物泡沫形成的重要因素，低表面张力有利于气泡形成且能促使泡沫稳定，粘稠浓密通常是稳定生物泡沫的典型特征，测量粘度能较好反映泡沫稳定性；因此，本发明的方法将传统曝气法与表面张力与粘度测量相结合，采用生成泡沫体积、泡沫稳定时间、表面张力与粘度四个参数综合评价生物泡沫严重程度，提供表面张力与生成泡沫体积之间、粘度与泡沫稳定时间之间的相关性，共同反映泡沫起泡能力与泡沫稳定性；

2)本发明的方法在表面张力的测定中采用离心法以排除固体颗粒的影响，在粘度的测定中则保留固体颗粒以反映真实的泡沫稳定状况，在保留原有技术简单快速的优点的同时，大大提高了方法的准确性，可为活性污泥工艺的生物泡沫提供更加简单快速且准确的评价，具有极大的应用潜力。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明提供了一种测试污水处理系统起泡能力和泡沫稳定性的方法，该方法具体如下：

S1：首先取待测试污水处理系统中的污水水样于200～1000mL的量筒中，用鼓风机通过微孔曝气头对污水水样进行曝气，曝气的气体流速为1～100mL/min。根据所取的污水水样体积选择合适的曝气时间，曝气一段时间后，停止曝气，并立即测定停止曝气后生成的泡沫体积。对曝气后的污水离心，利用表面张力测量仪，采用悬滴法测定离心后污水中上清液的表面张力。离心过程中，所采用的离心速率为8000～12000rpm，离心时间为1～5min。

通过Pearson相关系数r分别计算表面张力与泡沫体积之间的线性相关性。

其中，线性相关性的确定方法具体如下：

Pearson相关系数

其中，N为数据容量，也就是对该污水取样测定的次数；x_i、y_i分别表示表面张力与泡沫体积的数据值。

当0.8<|r|≤1时，表示极强相关；当0.6<|r|≤0.8时，表示强相关；当0.4<|r|≤0.6时，表示两中等程度相关；当0.2<|r|≤0.4时，表示弱相关；当0.0<|r|≤0.2时，表示极弱相关或无关。

S2：首先取待测试污水处理系统中的污水水样于200～1000mL的量筒中，用鼓风机通过微孔曝气头对污水水样进行曝气，曝气的气体流速为1～100mL/min。调整曝气气体流速尽可能接近实际情况，曝气时间控制泡沫生成体积在量筒容积之内。如果曝气气体流速已经尽可能接近实际情况，曝气时间控制泡沫生成体积在量筒容积之内，表面张力与泡沫体积、污水粘度与泡沫稳定时间之间的相性应该为强相关。如果曝气时间过长导致泡沫生成体积超过量筒容积，造成泡沫生成体积与稳定时间的不准确，从而导致相关性差的问题。目前实验中因符合实际的曝气气体流速与恰当的曝气时间，未出现相关性差的情况。

根据所取的污水水样体积选择合适的曝气时间，曝气一段时间后，停止曝气，并立即测定停止曝气后生成泡沫的稳定时间和污水的粘度。其中，泡沫稳定时间指的是从停止曝气后到泡沫体积稳定不变的时间，利用粘度计来测定曝气后污水的粘度。

通过Pearson相关系数r分别计算污水粘度与泡沫稳定时间之间的线性相关性。

其中，线性相关性的确定方法具体如下：

Pearson相关系数

其中，N为数据容量，也就是对该污水取样测定的次数；x_i、y_i分别表示污水粘度与泡沫稳定时间的数据值。

当0.8<|r|≤1时，表示极强相关；当0.6<|r|≤0.8时，表示强相关；当0.4<|r|≤0.6时，表示两中等程度相关；当0.2<|r|≤0.4时，表示弱相关；当0.0<|r|≤0.2时，表示极弱相关或无关。

S3：若表面张力与泡沫体积之间相关系数的绝对值|r|高于额定阈值0.6时，则将S1中的泡沫体积作为污水处理系统起泡能力的度量。若表面张力与泡沫体积之间相关系数的绝对值|r|未超过额定阈值0.6时，则调整S1中曝气时的速率或时间，重复S1的过程，直至表面张力与泡沫体积之间相关系数的绝对值|r|高于额定阈值，则将S1中的泡沫体积作为污水处理系统起泡能力的度量。

S4：若污水粘度与泡沫稳定时间之间相关系数的绝对值|r|高于额定阈值0.6时，则将S1中的泡沫稳定时间作为泡沫稳定性的度量。若污水粘度与泡沫稳定时间之间相关系数的绝对值|r|未超过额定阈值0.6时，则调整S2中曝气时的速率或时间，重复S2的过程，直至污水粘度与泡沫稳定时间之间相关系数的绝对值|r|高于额定阈值，则将S2中的泡沫稳定时间作为泡沫稳定性的度量。

本发明在传统曝气法的基础上引入表面张力与生成泡沫体积之间、粘度与泡沫稳定时间之间的相关性判断方法的原理如下：

传统曝气法易受悬浮颗粒、曝气速率等环境因素的影响，测试结果并不一定能反应实际情况。而表面张力和粘度是生物泡沫形成的重要因素，低表面张力有利于气泡形成且能促使泡沫稳定，粘稠浓密通常是稳定生物泡沫的典型特征。而且表面张力和粘度在一定程度上也能够反映测试时的环境指标状况。因此，通过计算表面张力与生成泡沫体积之间相关性情况能够评价此时的生成泡沫体积是否准确，是否能够可靠反映泡沫起泡能力。通过计算粘度与泡沫稳定时间之间相关性情况能够评价此时的泡沫稳定时间是否准确，是否能够可靠反映泡沫稳定性。

实施例1

水样分别来自三个养殖废水处理站的好氧生化单元进水、污泥混合液与泡沫混合液，取上述水样30mL并分别加入250mL量筒内，利用鼓风机通过微孔曝气头以0.6L·min^-1对水样进行曝气。表面张力测定前，三组水样均经10000rpm离心2分钟。测量水样粘度时采用旋转粘度计进行测定，测试温度为38℃。利用本发明的上述方法测定三个养殖处理站不同水样的生物泡沫特性结果如表1所示，三个处理站进水的起泡能力、泡沫稳定性均位于污泥混合液和泡沫混合液之间，泡沫混合液发泡体积、泡沫稳定性均显著高于其水样和污泥混合液。

泡沫混合液的上清液表面张力在58.9～69.7mN·m^-1范围，明显低于污泥混合液(70.5～71.4mN·m^-1)。相关性分析表明，混合液的上清液表面张力与其起泡能力呈强负相关性(r＝-0.741)，水样起泡能力与表面张力的强负相关性表明起泡能力评价结果可靠。

在10s^-1的剪切速率下，泡沫混合液粘度(0.64～0.72Pa·s)远高于其污泥混合液(0.01～0.02Pa·s)，且二者粘度均高于进水。进一步分析混合液粘度与泡沫稳定性的相关性发现，粘度与泡沫稳定性呈极强正相关性(r＝0.857)，表明泡沫稳定性评价结果可靠。

表1三个养殖处理站不同水样的生物泡沫特性

实施例2

水样分别来自三个养殖废水处理站的好氧生化单元泥水混合液，加入棕榈酸并控制其浓度为0、0.25、0.5、1g/L，将水样命名为A0、A1、A2、A3、B0、B1、B2、B3、C0、C1、C2、C3。取上述水样30mL并分别加入250mL量筒内，利用鼓风机通过微孔曝气头以0.6L·min^-1对水样曝气15s。表面张力测定前，三组水样均经10000rpm离心10分钟。测量水样粘度时采用旋转粘度计进行测定，测试温度为38℃。利用本发明的上述方法测定三个养殖处理站污泥混合液添加棕榈酸后的生物泡沫特性结果如表2所示，混合液起泡能力与表面张力呈弱负相关性(r＝-0.584)，粘度与泡沫稳定性呈弱正相关性(r＝0.597)。调整曝气时间为10s后，结果见表2，混合液起泡能力与表面张力呈极强负相关性(r＝-0.900)，粘度与泡沫稳定性呈强正相关性(r＝0.896)。结果显示添加棕榈酸后提高污泥混合液起泡能力与泡沫稳定性，且污泥混合液起泡能力与泡沫稳定性随棕榈酸含量增加而增强。

表2三个养殖处理站污泥混合液添加棕榈酸后的生物泡沫特性

这些研究结果表明，本发明的方法在表面张力的测定中采用离心法以排除固体颗粒的影响，在粘度的测定中则保留固体颗粒以反映真实的泡沫稳定状况，在保留原有技术简单快速的优点的同时，大大提高了方法的准确性，可为活性污泥工艺的生物泡沫提供更加简单快速且准确的评价，具有极大的应用潜力。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种测试污水处理系统起泡能力和泡沫稳定性的方法，其特征在于，具体如下：

S1：对待测试的污水处理系统进行曝气，测定停止曝气后生成的泡沫体积；对曝气后的污水离心，并测定上清液的表面张力；通过Pearson相关系数r计算表面张力与泡沫体积之间的线性相关性；

S2：对待测试的污水处理系统进行曝气，测定停止曝气后生成泡沫的稳定时间和污水的粘度；通过Pearson相关系数r计算污水粘度与泡沫稳定时间之间的线性相关性；

S3：若表面张力与泡沫体积之间相关系数的绝对值|r|高于额定阈值，则将S1中的泡沫体积作为污水处理系统起泡能力的度量；若表面张力与泡沫体积之间相关系数的绝对值|r|未超过额定阈值，则调整S1中曝气时的速率或时间，重复S1的过程，直至表面张力与泡沫体积之间相关系数的绝对值|r|高于额定阈值，则将S1中的泡沫体积作为污水处理系统起泡能力的度量；

S4：若污水粘度与泡沫稳定时间之间相关系数的绝对值|r|高于额定阈值，则将S1中的泡沫稳定时间作为泡沫稳定性的度量；若污水粘度与泡沫稳定时间之间相关系数的绝对值|r|未超过额定阈值，则调整S2中曝气时的速率或时间，重复S2的过程，直至污水粘度与泡沫稳定时间之间相关系数的绝对值|r|高于额定阈值，则将S2中的泡沫稳定时间作为泡沫稳定性的度量。

2.根据权利要求1所述测试污水处理系统起泡能力和泡沫稳定性的方法，其特征在于，对所述曝气之前，首先取待测试污水处理系统中的污水水样于200～1000mL的量筒中，再对量筒中的污水水样进行曝气。

3.根据权利要求1所述测试污水处理系统起泡能力和泡沫稳定性的方法，其特征在于，所述曝气的方法为用鼓风机通过微孔曝气头对待测试的污水处理系统进行曝气。

4.根据权利要求1所述测试污水处理系统起泡能力和泡沫稳定性的方法，其特征在于，所述曝气的气体流速为1～100mL/min。

5.根据权利要求1所述测试污水处理系统起泡能力和泡沫稳定性的方法，其特征在于，所述线性相关性的确定方法具体如下：

Pearson相关系数

其中，N为数据容量；x_i、y_i分别表示表面张力与泡沫体积或污水粘度与泡沫稳定时间的数据值；

当0.8<|r|≤1时，表示极强相关；当0.6<|r|≤0.8时，表示强相关；当0.4<|r|≤0.6时，表示两中等程度相关；当0.2<|r|≤0.4时，表示弱相关；当0.0<|r|≤0.2时，表示极弱相关或无关。

6.根据权利要求1所述测试污水处理系统起泡能力和泡沫稳定性的方法，其特征在于，所述额定阈值为0.6。

7.根据权利要求1所述测试污水处理系统起泡能力和泡沫稳定性的方法，其特征在于，所述S1中利用表面张力测量仪，采用悬滴法测定离心后上清液的表面张力。

8.根据权利要求1所述测试污水处理系统起泡能力和泡沫稳定性的方法，其特征在于，所述S1中离心的速率为8000～12000rpm，离心时间为1～5min。

9.根据权利要求1所述测试污水处理系统起泡能力和泡沫稳定性的方法，其特征在于，S2中所述泡沫稳定时间指的是从停止曝气后到泡沫体积稳定不变的时间。

10.根据权利要求1所述测试污水处理系统起泡能力和泡沫稳定性的方法，其特征在于，所述S2中利用粘度计来测定污水的粘度。