利用近红外光电器件进行活性污泥沉降分析:综述及其在废水处理中的应用

雅克Thierie

ulb -退休，科学学院，布鲁塞尔，比利时。电子邮件:(电子邮件保护)

生物处理厂产生的不稳定的微生物悬浮物(AS，活性污泥)以一种不寻常的和非常特殊的模式沉淀:阻碍沉降。我们使用940 nm(短波近红外)的光电组件来研究这种沉降的动力学。令人惊讶的是，我们发现，与纯水相比，AS的透射率可以瞬间超过100%。我们假设水的“光学结构”可以在这种含有大量生物大分子的混合物中被修改。我们将工作波长定位在水谱上，接近O-H伸展泛音。此外，作为一个示例，我们展示了如何使用此属性来改进预测，从而改进管理。

介绍

废水处理是一项重要的环境义务。在迄今为止使用的许多过程中，生物净化仍然是最常见的。该工艺的原理是将废水分成两个阶段。一种是“液体”，释放到环境中(澄清水);另一种是“固体”，主要由微生物(细菌)组成，它们吸收或代谢了某些污染物。这种固相称为“活性污泥”(AS)。

很容易理解，生物治疗的成功在于两个阶段的良好分离。AS的比重一般略高于水的比重，所以最简单、最常用的分离方法是让固相在重力作用下沉淀(或沉淀)。

砷化砷的沉淀是通过一种非常特殊的过程发生的，这种过程在其他化合物中很少观察到，称为阻碍沉淀。阻碍沉降的特征是一个非常平坦和明确的固液界面，几乎完全平行于空气-水界面，如图1所示。

图1所示。左上角的方框清楚地显示了固体(不透明)和液体(透明)相之间的尖锐界面，表征了阻碍沉降。主图显示了同样的界面，上面有一个更分散的“环”(我们称之为“光环”)。

考虑到水净化和生物废水处理厂(WWTP)的环境和经济重要性，我们开发了一种小型，简单且廉价的光电设备，我们称之为ASAN(活性污泥分析仪)，最初用于研究AS沉降。

材料与方法

ASAN设备如图2和图3所示。(图4显示了用于垂直握住光学玻璃管的装置。)光轴连接一个940nm(短波近红外，SWNIR)的LED。光束穿过直径为1 / 2英寸的光学玻璃管，照射到对该波长敏感的光电晶体管上。整个系统由稳定的直流电流供电。光电晶体管发出的电流被传输到数据记录仪，数据以µa (我)及秒(t)，发送到PC(使用CSV文件)。我们定义透明度，泰%,通过

\[泰\ % = \压裂{{I - {I_b}}} {{{I_0} - {I_b}}} \乘以100 \]

(1)

在哪里我₀为空白的强度(蒸馏水，在0.2µm过滤，因此实际上是无菌的);我_b为切断电源获得的剩余强度(暗电流)(我_b<<我;»0），我是测量的强度。时间间隔，Δt，是常数，并在数据记录器上选择。

图2。ASAN设备示意图。1:空气;2:液相;3:沉降固相(AS);4:压缩自治系统。经SAGE出版社许可转载。

图3。ASAN单元原型的总体视图。1:光电晶体管(接收器);2: 940nm LED(发射器);3:光学玻璃管位置(此处，用PVC棒代替以保护光电);4:管高调节系统;5: 100%可调电位器;6:电流输入时(断电检查机组0%);7:输出到数据采集器。

图4。垂直管架的一般视图。1:光学玻璃管ؽ英寸;2:喷嘴为光纤SMA-905连接器(带准直透镜);3:管盖上厚厚的灰色PVC盖。

结果

图5显示了根据不同类型的AS、WWTP、采样点、浓度等，通过ASAN设备获得的一组结果。参考文献1-3中描述了一般概况的研究，我们在这里只考虑最显著的特征:一些最大透明度超过100%(图5)。图6分离了其中的两条曲线，更好地突出了这一现象。经过一个嘈杂但相对恒定的周期[对应于固相(AS)的向下运动]后，透明度急剧增加，并且是沉降混合物界面穿过光轴的固液转变的良好指标。在这个突变步骤之后，通常会出现最大值;在大多数情况下，这个“最小最大值”仍然小于100%。然而，在一些情况下，透明度超过100%，这似乎是先验的，不可能考虑到技术和关系。¹必须得出结论，这部分AS暂时比过滤0.2µm的蒸馏水更透明（因此,“无菌”)。这显然是违反直觉的，只有当液相的溶剂不再是普通的水时才能解释，因此不能与用于校准ASAN的空白相比。这一观测结果被一个“光环”(物质的环形)的出现所证实，它直接位于AS的沉降质量之上。这种现象在图1中清晰可见;根据G. Pollack教授(个人交流)的说法，这个区域对应于一个禁区水(EZ水)和一种更结晶的液态水。

图5。通过ASAN方法获得的各种AS沉降概况。已经研究了数百条这样的曲线(NIR0xx是实验数字)。

图6。图5系列的两个独立概要文件。曲线A显示在TY%突然上升后有一个轻微的最大值，但没有达到100%;相反，曲线B明显超过100%。在最大瞬态后，两条曲线重叠并给出相同的沉降水平均值(透明度大于95%)。

在SWNIR中的这些观测使我们能够突出令人兴奋和意想不到的现象，但它们也可以在研发中加以利用。

的渐近值t图5和图6的→∞(以及一般情况)趋向于泰%< 100%，表明“澄清”的水中仍含有悬浮颗粒。形成AS的微生物产生大量的超聚合物质(EPS)，这些物质可以与其他不可生物降解的污染物一起通过处理厂并释放到环境中。这些ESS(污水悬浮固体)显然应该尽可能避免(经济和健康的原因)。我们已经强调(见图7)，ESS和AS之间的相关性可以建立，其特征是沉降剖面的最大值超过100%。这可以提供一个预测工具来减少ESS(通过添加絮凝剂，工厂的管理调整等)。不幸的是，数据仍然不足以验证这种相关性和关系的结论形式。

图7。该图显示最大透明度大于100% (泰%bbbb100)和生物处理厂流出物中的悬浮固体。如果s型模型得到证实，我们可以预测，对于max (泰%) > 100%， ESS < 10 mg L¹;max (泰%) < 100%， ESS > 10mg L¹。(配件相关系数:指数，r= 0.97, s型;r= 0.99)。

讨论

从我们的观点来看，上述结果发人深省，但仍未得到解释。很明显，还需要更多的研究。

如上所述，在通过数百次实验的再现消除了设备中可能的人工制品之后，我们的主要假设是在SWNIR中观察到的水的“光学结构”的修改的可能性。因此，我们决定将我们的工作位置定位在水谱上的940nm处。图8显示了通过光纤可见光-近红外光谱仪获得的结果。

图8。这是在350nm到1050nm之间的液态水的光谱。用火焰近红外(海洋光学)光纤光谱仪，在常温下，过滤蒸馏水和空气为白色(空玻璃管)。原始结果非常嘈杂，因此通过比平方方法(使用2次多项式)进行平滑。在SWNIR中，我们观察到λ处有两个吸收峰₁= 898.9±4.2 nm和λ₂= 966.3±1.3 nm(绿线)。我们的工作波长用红线表示，为940nm。

两个论点使我们认为966.3 nm的观测值与我们的研究更相关:该峰最接近我们的工作波长，其吸收率是前一个的两倍，因此更可能对透明度的变化更敏感。然而，这些目前只是有待检验的假设。

然而，让我们承认，我们正在朝着966.3 nm≈的方向努力970nm。这个值对应于O-H键伸展带的第二泛音(可能是2ν)₁+ν_3.)。然后，可能的假设数量变得相当可观:从G. Pollack的液晶水(与图1 EZ区的光环有关)到更复杂的结构[如“六聚体(Cage)、液体表面、液体和冰”，它唤起了“频率与液体中分子环境之间的关联程度”]。⁴

许多生物大分子(EPS、细胞壁等)的接近并不能完全掩盖970 nm处的峰值(“这些研究报告了正常动脉组织在970 nm和1180 nm处的峰值吸收”)。⁵而且，可能还参与了水的构造。

在继续我们研究的实验方面之前，我们不能进一步推动猜测。对于一个退休的研究人员来说，没有多少钱，也放弃了他的学术结构，这需要大量的精力和时间。我想借此机会，请对合作感兴趣的读者或对本文中描述的现象有想法的读者与我联系。

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参考文献

1. J. Thierie，“活性污泥的近红外动态测量强调了局部改变自由水性质的可能性”，近红外光谱。20.415 - 418(2012)。doi:https://doi.org/10.1255/jnirs.991
2. J. Thierie，“活性污泥沉淀的近红外观察表明了四种不同污水处理厂情况下出水悬浮物的相关性”，活细胞。物化学。抛光工艺。5，130 - 135(2013)。doi:https://doi.org/10.4172/1948-5948.1000半岛app应用下载111
3. j . Thierie近红外活性污泥沉降法监测废水悬浮物。2014年10月14日在布鲁塞尔举行的第一届Aquaphotomics研讨会上发表的海报。
4. C.J. Tainter, Ni .， Shi L.， J.L. Skinner，“水的氢键和oh -拉伸光谱:六聚体(笼)、液体表面、液体和冰”，半岛综合体育官方APP下载德甲期刊。化学。列托人。4 (1)12 - 17(2013)。doi:https://doi.org/10.1021/jz301780k
5. T.J. Allen, P.C. Beard, A. Hall, A.P. Dhillon和J.S. Owen，“740 ~ 1400nm波长范围内人类主动脉富含脂质斑块的光谱光声成像”，j .生物医学。光学17 (6),061209(2012)。doi:https://doi.org/10.半岛app应用下载1117/1.JBO.17.6.061209

一般的文学作品

• J.温恩德，T.R.纽和h . c . c。弗莱明(Eds),微生物细胞外聚合物质。表征、结构和功能。施普林格出版社，柏林，海德堡，纽约(1999)。
• Metcalf & Eddy, Inc.，由G. Tchobanoglous和F.L. Burton修订，污水工程-处理及处置再用3^{理查德·道金斯}经济日报。麦格劳-希尔，纽约(1991)。