气体分布器孔径为0.1 mm，表观气速为1.70 mm/s，温度25 ℃，Cl-离子浓度为33.2 mmol/L，用氢氧化钠和硫酸将废水pH值分别调整为2、4、8、10、13，测量泡沫半衰期和200～250 mm处气泡直径。

pH 值从 2 增加到 13 过程中，泡沫半衰期出现下降再升上的趋势且在 2~4 之间出现最小值，随着 pH值继续上升，泡沫半衰期增幅较大；尤其是pH值超过10 后增加显著，如 pH 值为 10 时泡沫半衰期为 307 s，pH 值调整为 13 时半衰期增加到了 5 736 s，增幅达到了 26.3 倍。在废水调节 pH 值过程中，调酸时废水产生大量气泡并且有大量固体物质析出，在pH值为2~4时析出物质含量达到最大。在鼓泡过程中泡沫相从液相中夹带出较多浮渣。见图6。

                      影响泡沫稳定性的主要因素有 3方面：由曝气系统产生的被液膜包围的气泡；降低液体表面张力的表面活性剂，以防止气泡破裂；疏水粒子（具有稳定剂属性的物质及微生物等）可以保持泡沫的相对稳定。若水体中没有泡沫稳定类物质，泡沫相不稳定，容易发生破裂聚并，一般来说奶牛养殖废水中泡沫稳定类物质包括悬浮杂质、可溶性有机物、活性污泥和固体颗粒等，若废水中仅含有固体颗粒而无表面活性物质，则仅能在水体表面形成浮渣层，只有当水体中同时存在表面活性剂和泡沫稳定性物质的时候泡沫才能保持相对稳定[4]。奶牛养殖废水中的主要成分为粗纤维、蛋白质类物质、脂肪类物质、胡敏酸、富里酸和洗涤剂等[9]。胡敏酸含有羧基、酚羟基等官能团，通常与其他物质（如蛋白质、脂肪类物质）形成络合物，具有表面活性和稳定泡沫的作用[10]。胡敏酸在酸性溶液中溶解度较低，pH值降低过程中废水中的脂蛋白、胡敏酸蛋白络合物溶解度下降，pH值＜3时胡敏酸会从溶液中沉淀出来[11]，因此废水 pH 值在 2～4 时泡沫稳定剂浓度降低，导致泡沫稳定性呈下降趋势；但是随着pH值进一步降低，废水中表面活性剂（蛋白质类物质）表面吸附的电荷会增加，增加其在废水中的溶解度，使部分与胡敏酸络合沉淀的蛋白质溶解到废水中，泡沫的稳定性会上升。因此，生产中应该适当控制石灰石和消毒剂等碱性物质的投加，以免造成后续污水处理中泡沫堆积。

                       经过厌氧处理的污水活性污泥中含有大量微生物。微生物细胞壁、细胞膜和衰败裂解后的细胞内含有丰富的肽聚糖、脂多糖、脂蛋白、磷脂和多肽等物质，可以作为稳泡物质[10]。pH值较高或者较低都会加速微生物裂解，尤其是在强碱性环境下更有利于微生物裂解破壁[12]，释放出脂蛋白、磷脂和多肽类物质，增加废水中表面活性剂和泡沫稳定剂的浓度，泡沫的稳定性随之增加，更加不易破裂。另外还有研究表明，天然纤维及其杂质也有较好的稳泡作用[13]，高pH值条件下会促进纤维素类物质在废水中的溶解，泡沫的稳定性进一步增加[14]。因此，随着 pH 值的升高，气泡的直径呈下降趋势。 

                        2.4 离子强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25 ℃，pH值为8，用氯化钠将废水的Cl-离子浓度分别调整为33.2、40.0、50.0、60.0、70.0 mmol/L，测量泡沫半衰期和200～250 mm处气泡直径。随着离子强度的增加，泡沫的半衰期逐渐上升，上升幅度有所减缓，气泡的直径呈下降趋势。见图7。

                           离子强度对气液界面表面压力有着显著的影响，离子强度越大，表面压力数值越大。废水中含有的蛋白质类物质具有较好的表面活性，随着离子强度的增加，蛋白质分子的结构更加松散，更容易吸附到气液界面上，使得界面张力显著降低，表面压力显著增大[15]；随着离子强度的进一步增加，表面活性剂分子表面电荷开始增多，蛋白分子之间的静电排斥力又重新开始变大，此时溶解度开始上升，疏水性也提高，使得表面压力开始增大；另一方面，随着溶液中离子强度的增加，带电荷的离子和表面活性剂分子发生了相互作用，会消耗一部分表面活性剂分子表面电荷，导致分子之间的静电斥力减少，分子之间发生了团聚，使得溶解度下降，疏水性变差，扩散速度降低，表面压力下降[16]。几种因素综合作用，导致随着离子强度的增加，气泡稳定性增加；但是受表面活性剂分子团聚的影响，增加幅度有所放缓。离子强度的增加能够促进表面活性剂分子在气泡液膜形成双层吸附，液膜内亲水基形成水化层提高液膜黏度，疏水基相互吸引提高吸附层强度。离子强度的增加降低了表面活性剂之间的静电斥力，有效增加了表面活性分子在气泡界面上的吸附密度[17]，增强了泡沫液膜强度和稳定性。另外，杂质颗粒作为稳泡物质可有效避免泡沫破裂；因此出现了气泡直径随着离子强度的增加而下降的结果。需要指出的是，试验范围内离子强度对泡沫稳定性和气泡直径的影响相比其他因素是偏小的。 

                       2.5 分布器对气泡稳定性的影响

                       表观气速为 1.70 mm/s，温度 25 ℃，pH 值为 8，Cl-离子浓度为33.2 mmol/L，气体分布器孔径分别为0.1、 0.5、0.85 mm，测量泡沫半衰期和200～250 mm处气泡直径。

                         随着分布器孔径的增加，泡沫半衰期呈下降趋势，气泡直径呈上升趋势；但是这种变化的幅度不明显。分布器孔径从 0.1 mm 增加到 0.85 mm，增加幅度为 8.5 倍，但是泡沫半衰期从 141 s 下降到 118 s，下降 幅 度 为 16.31%，气泡直径从 5.2 mm 增加到 6.92mm，增加幅度为33.1%。见图8。

                         分布器孔径增大会使气泡直径增大，相同气体含量的液相中气泡的总面积减小，气-液界面上的表面活性剂分子的吸附密度降低，降低了泡沫液膜强度和稳定性；因此泡沫的稳定性下降，气泡更容易聚并，导致气泡直径增加。泡沫的稳定性同样受持液率的影响，而泡沫排液速率受泡沫持液率和气泡大小的共同影响[18]，低持液率泡沫的排液速率关键影响因素是持液率；所以随着分布器孔径增加，气泡直径增大，持液率降低，排液速率降低。以上分布器孔径对泡沫稳定性拮抗作用的综合作用，使得泡沫稳定性和泡沫大小的变化幅度较小；但是分布器孔径的增加会降低液相中气泡的比表面积，进而降低气体传质效率，因此运行中应该适当平衡溶氧和消泡之间的关系。

                       2.6 表观气速对气泡稳定性的影响

                       气体分布器孔径为 0.1 mm，温度 25 ℃，pH 值为8，Cl-离子浓度为 33.2 mmol/L，表观气速分别设置为0.42、0.85、1.70、2.12、4.25、8.50 mm/s，测量泡沫半衰期和200～250 mm处气泡直径。随着表观气速的增加，泡沫的半衰期下降且下降幅度有变缓的趋势。气泡的直径随着表观气速的增加而增加且增加幅度也是下降的。见图9。

                         当表观气速增加时，单位时间内充入液体中的气体增加，液体中含气率随之增加，液相整体密度会降低，相同时间内产生的泡沫相更多，液相体积减少。表观气速增加时，气体压力随之增加，通过相同分布器孔径的气泡直径变大。泡沫形成过程中，气泡应在液相中有足够的停留时间，以允许界面膜的形成；表观气速增加会减少气泡在液相中的停留时间，降低气泡气-液界面上表面活性剂分子的吸附密度，从而使进入泡沫相的气泡更加不稳定，更容易聚并变大。以上两种因素综合作用使得检测区气泡直径变大。

                        相邻表面活性剂层之间的斥力、拉普拉斯毛细管压力随着距离的增加而增大，这些逐渐被双层斥力抵消，这种斥力随着薄膜靠近而增加，从而阻碍了毛细管相的进一步变薄。表面活性剂层应具有薄膜弹性，使施加的倾向于局部变薄的应力能迅速被局部增加的表面张力梯度产生的恢复力所平衡，在试验中表现出气泡直径增加幅度放缓。从以上结果可以知道，表观气速的增加会降低泡沫稳定性；但是降低气体液相停留时间会降低气体传质效率，增加运行能耗。 

                          3 消泡策略讨论

                          目前生产中用到的消泡方式主要有物理法和化学法。物理消泡法包括射水法、喷气法和机械搅拌法等；化学法一般是指投加化学消泡剂。这些消泡方法运行效果各有利弊。经过厌氧处理的沼液中含有 17种氨基酸以及各类腐植酸、多元有机酸、相对健康的植物生长调节剂、 B族维生素等对农作物生长具有促进作用并能抑制病虫害发生的有机物，这些物质是较容易生物降解的；将这些物质和水体分离，分质处理是解决生物池起泡的关键。未来研究用沼液提取含腐殖质液体肥，不仅可以有效降低起泡物质含量，提高后续生化系统的稳定性，更有利于充分实现奶牛养殖废水的资源化，对于节能降耗甚至增加收益都是有益的。

                        4 结论

                       1）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。 

                      2）泡沫消解需要一定时间，消泡速度随时间的增加是越来越快的。

                      3）泡沫稳定性随温度的增加呈下降趋势，但下降趋势随温度的增加有所减缓。冬季温度低时泡沫稳定性会升高，生产中应该关注冬季消除泡沫的问题。

                    4）pH 值升高会增加泡沫的稳定性，生产中应该适当控制石灰石和消毒剂等碱性物质的投加，以免造成后续污水处理中泡沫堆积问题。

                    5）离子强度增加可以增加泡沫稳定性，但是相对于其他因素离子强度对泡沫稳定性影响相对较小。

                     6）气体分布器孔径和表观气速的增加会降低泡沫稳定性，但是这与气体传质效率和运行能耗相关，运行中应考虑平衡二者关系。

                     7）物理消泡法和化学消泡法各有优缺点，探索研究沼液提取含腐殖质液体肥，不仅可以有效降低起泡物质含量，更有利于充分实现奶牛养殖废水的资源化，同时有利于节能降耗。

                      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