【关键词】：养殖；废水；泡沫；稳定性；消泡策略

                   规模化畜禽养殖场每天产生的大量聚集废水，已成为我国不可忽视的污染源。奶牛养殖废水是一种典型的畜禽养殖废水，主要包括尿液、残余粪便、圈舍冲洗水及饲料残渣等。奶牛养殖规模、养殖方式、污染处理模式和管理模式不同，水质水量变化较大；这些特性造成了畜禽养殖废水具有高污染和高难度处理的特征[2]。现阶段国内外治理畜禽养殖废水的工艺大致相同，包括固液分离、厌氧处理术、生物处理、稳定塘处理。固液分离技术一般包括离心、过滤、气浮、絮凝、沉淀等工艺；常用的厌氧工艺主要有上流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧折流板反应器（ABR）、升流式污泥床反应器（USR）、厌氧生物滤池以及两段厌氧消化法等[3]；而生物处理工艺主要有氧化沟、序批式活性污泥法（SBR）、生物转盘、生物接触氧化法、厌氧／好氧（AO）以及两级 AO 等。厌氧处理后的沼液中往往含有大量表面活性剂和淀粉、蛋白质、油脂等表面活性物质，在分子结构上都表现为含有极性-非极性基团即所谓双亲分子。在曝气条件下，非极性基团一端伸入气泡内；极性基团选择性地被亲水物质吸附，使亲水性  物质的表面转化成疏水性物质而黏附在气泡水膜上，水体进入好氧处理工艺后会产生很多泡沫。

                     泡沫一般量很大也非常稳定，而且生物泡沫具有较高的黏性，如不及时处理会严重影响生物池正常的曝气溶氧效率，使混合液的溶解氧降低，严重影响污水生物处理过程[4]；而且泡沫可能影响仪表的正常显示，造成系统的误操作；泡沫产生量大时会从池体中溢出，造成外部设备、池壁的严重污染，影响正常的维护。

                       生物泡沫冬季可能会结冰，清理较困难；夏天会遇风飘荡，形成不良气味，严重影响周围环境。因此，研究影响奶牛养殖废水泡沫稳定性的因素以及消除泡沫的策略对于保护奶牛养殖厂周围环境、减少生物系统泡沫，进而保障奶牛污水生化处理工艺正常运行都有重要意义。 

                        1 材料与方法

                        1.1 仪器和设备

                         离 子 色 谱 仪（Thermo Fisher Scientific 产 ICS-600）、恒 温 水 浴 箱（苏 州 吉 米 诺 仪 器 有 限 公 司 产JIMINUO -5～90 ℃）、工业摄像头（WP-GE200/M）、数字式黏度计（上海天美科学仪器有限公司产 SNB-1E）、电磁式空气压缩机（广东海利集团有限公司产ACO-318）、空气流量计（lzb-3wb 0.1～1 L/min）、气体分布器（目数分为150、35、24，分布器孔径分别为0.1、 0.5、0.85 mm）、图像采集卡（GC553）、计算机。见图1。

                             1.2 试验方法

                            奶牛养殖场的废水经过 15～20 mm 格栅/固液分离机过滤掉大粒径的草料碎屑、动物毛发等，初沉池初步去除废水中泥砂和密度较大的有机质，经厌氧反应器的厌氧发酵处理后充分降解有机质，厌氧反应器内部的废料送入100～200目离心固液分离机，分理出的废水进生化处理系统，即为试验水体。见表1。

                             试验开始时水浴刻度管中添加 300 mL奶牛养殖废水样品，电磁式空气压缩机产生的压缩空气通过水浴刻度管底部的气体分布器在水浴刻度管中产生高度为 500 mm泡沫，分别计量不同温度、pH值、离子强度、分布器孔径和气速条件下泡沫层高度（如有泡沫出现断层则高度为各段泡沫柱之和）降低到 250 mm所用时间，记录每分钟泡沫层高度和泡沫高度下降一半所用的时间即泡沫半衰期T1/2。

泡沫高度从水浴刻度管上直接读取。气泡图像通过一组间隔 10 cm 的工业摄像头采集到图像采集卡，每分钟采集1次，上传到上位机进行图像分析。每个图片文件至少测量 200个气泡，上位机中用图像处理软件（ImageJ 1.53e）测量气泡直径

                          式中：D32为索特尔平均直径；N为测量次数；di为 第i次测量的气泡直径。

                           2 结果与分析

                           2.1 气泡大小的垂直分布和随时间变化

                       气体分布器孔径为0.1 mm，表观气速为1.70 mm/s，温度设置为 25 ℃，pH 值为 8，Cl-离子浓度为 33.2mmol/L，摄像头采集 200～250 mm 处图像，分析气泡直径随时间变化情况。

                         同一时刻气泡直径随着水浴刻度管垂直高度升高而变大，单个气泡几何形状也从球形逐渐变为不规则十二面体到二十面体，气泡大小的变化趋势比较明显。垂直高度400 mm处的气泡直径约为50 mm处的5.4倍。见图2。

                       泡沫边界层理论认为气泡之间有一定厚度的液膜，液膜厚度远远小于边界的曲率半径，边界的曲率半径远远小于气 泡的半径，所以液膜的压力大于普拉特奥（Plateau）边界层的压力，液体会由液膜流向 Pla‑teau边界层中，Plateau边界层的存在为泡沫中液体的流动提供了通道。试验开始时，液膜间液体通过气泡的 Plateau 边界层排到下面，随着液体的排出 Plateau边界层变细，机械强度随之降低，导致气泡不稳定发生聚并[5]，从而产生直径较大的气泡。直径大的气泡具有较低的比表面积和表面能，这是热力学驱动的自发过程[6]。表面活性剂分子吸附到空气-水界面，高能量界面区域被部分取代，从而降低了整体自由能。当系统试图降低它的总能量时，直径小的气泡表面分子将倾向于通过溶液扩散，吸附在直径大的气泡表面；小气泡数量继续减少，而较大直径的数量继续增长。因此，奶牛养殖废水的生化处理单元池体应设置一定的液位超高，泡沫积累到一定高度可以自然消解。

垂直高度 200～250 mm 处泡沫直径随时间增加变大且变化幅度逐渐变大，20～40 s 气泡直径增加了 0.593 mm，60～80 s 气泡直径增加了 1.037 mm。见图 3。

                          当气泡从液相进入泡沫相后有彼此靠近的趋势，直到被一层非常薄的水膜隔开，表面活性剂分子之间降低表面张力维持水膜结构的稳定[7]。随着气泡在泡沫相中受到 Plateau 边界层间隙的拉普拉斯毛细管压力作用，显示出气泡聚拢在一起的结果，由于随着Plateau边界层间隙液排出，气泡机械强度降低并发生聚并，使直径变大。随着间隙液的排出，泡沫相越来越不稳定，气泡聚并越来越剧烈，气泡直径的增加随之越来越快。该结果同时也反映了毛细管水相液体表面暴露气泡之间最小表面积的趋势。 

                          2.2 温度对气泡稳定性的影响

                          气体分布器孔径为0.1 mm，表观气速为1.70 mm/s，温度分别设置为生产中的温度变化范围 10、15、20、25、30、35 ℃，pH 值为 8，Cl-离子浓度为 33.2 mmol/L，拍摄采集不同垂直高度的泡沫，得到不同温度下的泡沫衰减曲线，测量泡沫半衰期和 200～250 mm 处气泡直径。

随着温度的升高，泡沫的消泡速度越来越快。如温度为10 ℃，泡沫高度从500 mm下降到400 mm用了150 s，但是从 400 mm 下降到 300 mm 用了 76 s，泡沫衰减速度增加了49.3%。见图4。

                         随着泡沫 Plateau 边界层间隙液的排出，气泡的不稳定性急剧增加，泡沫聚并也越来越容易，泡沫相中开始出现局部塌陷，反映在泡沫高度上就是泡沫层高度开始快速下降。

随着温度的上升，泡沫半衰期呈上升趋势，但随着温度的继续增加，半衰期的增幅放缓；而气泡直径随温度的上升明显增加并且增加速度呈上升趋势。见图5。

                       液体黏度是影响泡沫稳定性重要因素之一。黏度越大，液体分子和表面活性剂分子之间的范德华力越大，泡沫的结构强度也越大，泡沫越趋于稳定。温度升高会促进分子间流动，使液体动力增加，动力黏度减小，而且这种减小的速度是逐渐放缓的，因此泡沫半衰期随温度的增加减小幅度放缓。

                       气泡直径受表面活性剂分子间作用力和 Plateau边界层间隙液含量等多方面因素的综合作用。温度的上升一方面会增加表面活性剂分子的热运动，减小分子间的范德华力，减小液膜聚并阻力；另一方面随着温度的上升，Plateau 边界层间隙液的黏度下降，进一步加速了间隙液向下的排放速度，气泡更容易发生聚并、变大，而气泡的聚并进一步降低了泡沫的不稳定性，因此气泡直径的增加幅度是上升的，最终会出现泡沫消解和断层。从以上试验结果可以判断，冬季温度降低时候泡沫稳定性会升高，这与实际生产中的现象是吻合的；因此生产中应关注冬季消泡问题。

                        原标题：奶牛养殖废水泡沫稳定性影响因素研究

                        原作者：王连杰， 姜 威， 赵立伟， 张继圣， 张 麟， 刘 鹏