DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 摘 要 激光三角法是一种传统的非接触式的三维轮廓测量方法，在物体的轮廓测量方面有着其独特的优势。本文基于对假肢膝关节面的研究，针对假肢膝关节面的特点，建立了基于激光三角法的三维轮廓测量系统，提出了基于棋盘格的测量系统标定方法；利用线激光、精密旋转台和CCD摄像机搭建了假肢膝关节面测量系统，通过理论分析、图像数据采集、角点检测等一系列过程获得了假肢膝关节面测量系统的标定数据，包括旋转矩阵和平移向量，这一标定方法为假肢膝关节面的三维轮廓重建奠定了基础。对该假肢膝关节的三维重构打下基础。并且针对传统的激光三角法的相机标定进行简要分析，提出了一种简易的激光三角法的相机系统标定方案。由于这种方案结构简单，易于分析，使用灵活方便等优点，因此具有广泛的发展空间和应用前景。 关键词 :三维重建，激光三角法，相机系统标定 Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ 三维测量技术开始于20世纪60年代初，主要以非接触测量方式为主，随着世界上第一台红宝石激光器的创造，激光技术才逐渐应用于测量领域。测量技术后来被应用在汽车、航空等制造业还是得益于激光技术和电子技术的发展，同时测量的目标也由静态测量不断发展到动态跟踪测量以及三维立体测量。 由于科学技术的发展，三维激光测量仪已经在很大程度上提高了测量精度和效率，因此这一技术也逐渐成为了一项热门的研究，也成为了人们获取三维信息的主要技术手段。许多国内外的企业和研究机构都在这一领域进行着深入的探索，不断开发新的产品，应用在医疗，航天航空等的很多领域内。 在很多发达国家，研究人员不断深入对三维激光扫描技术的研究，并相继上市相应的扫描产品，形成了工业化的基本格局，同时，这些三维扫描产品的应用范围近年来，国内外学者在三维激光扫描技术领域进行了非常多的研究工作。从1994年开始，M.Levoy便带领他的团队使用高分辨率的彩色图像采集技术以及基于三角法原理的激光扫描仪，对米开朗基罗的主要雕塑作品进行了重建，并在此基础上研究了许多相关技术 [ 1 ] 。 1997年，在进行曲面三维扫描的过程中，Chia-Chun Huang在进行曲面三维点云的提取时，应用小波变换和快速傅立叶变换，从而提高了数据采集的工作效率 [ 2 ] 。另外，Wallace等人提出了三角法测量的修正公式，并通过实验验证了扫描对象的移动会给图像测量带来一些系统性误差 [ 3 ] 。接着，F.Xi等人推导出了一种关于线扫描误差特点的经验公式，并采用此公式补偿了三维点云的相关数据，获得了较满意的结果 [ 4 ] 。 1997年，加拿大国家研究委员会的El-Hakim等人将激光扫描仪和CCD相机固定在一个小车上，建立了所需要的硬件平台，获得了一个数据采集与配准系统，并于1998年在原有系统的基础之上，实现了可以对室内场景进行三维建模的系统 [ 5 ] 。 1999年，Zhao等人把两台互相垂直的三维激光扫描仪和CCD相机一起固定在一辆车上，实现了一个可以对数据进行动态获取的系统 [ 6 ] 。该系统的具体工作为：让汽车沿道路前行，被固定在车上的扫描仪用来拍摄道路两旁的建筑物，记录其表面的三维信息，照相机用于捕捉建筑物表面的颜色信息，再结合现实色彩的颜色信息将具有真实感的三维街区还原出来。这个系统可用于扫描如地面、建筑等大型场景。 2002年，I.Stamos和P.K.Alen实现了一个三维模型的完整系统，它通过获取大型建筑的彩色和深度图像，从而重建出具有照片真实性的室外建筑物模型。如今该系统常被用于历史古建筑的三维建模上 [ 7 ] 。 2006年，Simon Winkelbach和Sven Molkenstruck发明了一个被称为DAVID的桌面式三维激光扫描仪系统 [ 8 ] ，它的处理软件是这个系统的重要部分，像激光发射器、平面板、摄像头等硬件则需要自己购买，但由于这种扫描仪系统必须在黑暗的环境下进行工作，所以其适用范围大大减少。 发展到目前为止，美国和日本等发达国家已发展了数家高技术公司，并形成了一定规模的新兴产业，其产品精度高、速度快、易操作，并且已经运用于快速获取特定尺寸的三维立体模型中。 国内方面，华科大的图像识别与人工智能研究所和邦文文化发展公司经过两年的不断合作和努力，成功开发出了一个小型的三维激光扫描系统；首都师范的三维空间信息获取与应用实验室和中国测绘科学院合作研制出了一款车载激光三维扫描系统。当前，很多高校、科研院所正在使用激光扫描测量技术保护文物古建筑，雕塑，壁画等，这些实际应用表明，三维激光扫描技术在以后的国民经济发展中具有广泛的应用和发展前景。 在对国内外三维测量技术发展研究过后，本文决定针对假肢膝关节，探究一种便于三维测量的标定方法。因为膝关节是我们人体最复杂、最大的关节，它和相关的肌肉、肌腱彼此配合，可以实现人类优美且连贯的行走姿态。要想设计并加工出一个可以完全代替人体膝关节的假肢还是一个非常困难的任务。如果我们使用一些相对简单的机构装置替代假肢缺陷者的下肢，步态一定会不同于正常步态。为了使其更接近正常步态，实现优美连贯的步行，则需要针对设计加工出的膝关节面进行精确测量，并根据测量结果进一步优化结构设计以及加工工艺。 在针对假肢膝关节面的特殊形状进行探究后，决定利用激光三角法测量原理，搭建假肢膝关节面测量实验平台开展实验研究，采用一种基于激光三角测量法的简易相机系统标定方法，获得假肢膝关节面的点云数据，从而实现对被测假肢膝关节面的三维重建。
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user: 1. 测量系统原理 根据系统拟实现的功能，设计了测量系统的流程图，如图1所示。测量系统主要由线激光、精密转台、图像采集与处理系统组成，系统装置图如图2所示。系统主要工作流程包括：打开激光器，使线激光停在初始位置，将一个理想的激光线投射在线激光被测假肢膝关节表面上。同时，摄像机将拍摄到的图像传入计算机，完成一次拍摄后，运动控制器控制精密转台带动被测假肢膝关节转过特定的角度，重复进行扫描并拍摄，直到完成对被测假肢膝关节一周的测量后，即可通过计算机的matlab软件对所采集的图片进行除噪、平滑、二值化、校正等处理，获得被测膝关节表面轮廓的数据点，接着通过Geomagic Studio软件获取被测膝关节的点云图和表面轮廓图。 相机系统标定是指确定测量系统的结构参数，它的目的是为了得到被测物体的图像坐标和世界坐标之间的非线性关系。若系统不考虑相机畸变，则根据摄像机针孔模型，物像之间一一对应的关系，提出了一种比较简单的摄像机标定方法。在测量系统中，相机系统标定是非常关键的一个环节，对于整个系统的精度以及性能起着非常重要的作用。
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user: 2. 常用标定方法 在图像测量和机器视觉应用中，我们可以通过建立摄像机成像的几何模型来确定物像关系，即物体表面某个点的位置和它在图像中所对应点之间的相互关系，建立的几何模型的参数就是摄像机参数。通常情况下需要通过实验以及计算才可以得到这些参数，而这个求解的过程就被称之为摄像机标定 [ 9 ] ，其标定结果的精度及算法的稳定性将直接决定摄像机产生结果的准确性。 摄像机标定总的来说分为两种：传统的摄像机标定法和摄像机自标定法。传统的摄像机标定是在一定的摄像机模型下，利用相关数学变换的方法，对形状、尺寸已知的标定物进行图像处理，从而求得摄像机模型的内、外参数。它包括了两步法，利用最优化算法的标定法，双平面标定法，张正友标定法等；摄像机自标定法不依赖于标定参考物，仅仅通过摄像机在运动过程中对所拍摄的多幅图像之间的对应关系进行标定。它包括了分层逐步标定法、基于主动视觉的摄像机自标定法、基于二次曲面的自标定法等。 传统的摄像机标定法标定精度较高，并能够适用于任意的摄像机模型，但标定的过程相对复杂，最好是高精度的且已知相关结构信息的物体 [ 10 ] ；自标定方法只需要建立图像之间的对应关系，灵活性非常强，且潜在应用范围较广，但它并不是特别成熟，由于未知的参数太多，很难得到较稳定的结果。 一般情况下，传统的标定方法主要适用于精度较高的场合，并且摄像机的参数比较稳定，不会经常发生变化，而摄像机自标定法主要适用于精度相对来说较低的例如通讯、虚拟现实等场合 [ 11 ] 。 针对假肢膝关节的特殊结构以及实际情况，以及在对传统的标定方法进行了解和总结之后，本文采用了基于激光三角法的简易相机系统标定方案。
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user: 3. 基于激光三角测量法的简易相机系统标定方法 理想的摄像机成像模型是线性模型，或者称针孔模型 [ 12 ] ，我们都知道物体表面每个点的位置和它在图像中所对应点的位置一一相关，这是由光学成像的几何关系所决定的，它可用摄像机模型表示。摄像机在针孔模型下的成像几何关系如图3所示。 图1. 系统原理图 图2. 系统装置图 图3. 摄像机针孔模型 本系统在基于激光三角测量法原理下，仅使用一块垂直标定板便可以完成摄像机的参数标定，任取标定d板上的某点P，设其在世界坐标系中的坐标为(x，y)，在图像坐标系中坐标为(x w ，y w )，两者之间的关系记为B = RA + T，如式(3.1)： [ x y ] = R [ x w y w ] + T (3.1) 其中，R为2 × 2旋转矩阵，T为2 × 1平移矩阵，即为： [ x y ] = [ a b c d ] [ x w y w ] + [ t 1 t 2 ] (3.2) 将上式进行转换，可得如下表达式，记为：b = Ma，如式(3.3)： [ x y 1 ] = [ a b t 1 c d t 2 0 0 1 ] [ x w y w 1 ] (3.3)
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user: 4. 实验及数据处理 在实验平台上固定摄像机、线激光器和制作的垂直标定板，将标定板放置在被测假肢膝关节所在的大概位置，打开激光器，使激光线尽量与垂直标定板重合，用摄像机拍摄标定板，然后把拍摄的图像传到计算机，通过matlab对图像进行角点检测，再根据各角点像素坐标值与所对应世界坐标值的关系完成摄像机参数的标定。 如图4(a)为制作的30 × 30 mm大小的棋盘格标定板，图4(b)为用摄像机拍摄出来的标定板，使用matlab软件进行角点检测，读取角点的坐标(x w ，y w )，再根据其实际坐标(x，y)，代入式(3.3)，求解出参数M，即可得旋转矩阵R和平移矩阵T (表1)。 M = [ 0.1064 − 0.1114 − 61.1197 − 0.0044 0.0633 − 14.6217 0 0 1 ] R = [ 0.1064 − 0.0004 − 0.0044 0.0633 ]               T = [ − 61.1197 − 14.6217 ]
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user: 5. 测量结果认证 物体三维轮廓的重建过程，就是在计算机中输入假肢膝关节面通过激光器扫描后的图像，再经过图像处理，获得许多个数据点，把所有的数据点收集到一起，组成一个三维数据场，通过这个数据场就能够对假肢膝关节的三维表面进行三维图像的重建，恢复出假肢膝关节的三维轮廓。 前文的系统标定完成后，我们便开始进行对被测实物假肢膝关节进行测量实验，然后对实验所得数据进行处理分析，并且主要进行了以下工作： 1) 采用维纳滤波法进行图像滤波； 2) 图像二值化； 3) 几何中心法提取结构光光条中心线； 4) 通过求取转台旋转中心以及旋转角度进行倾斜校正，获得假肢膝关节面形貌的点云数据； 5) 利用Geomagic Studio软件重建假肢膝关节面的三维轮廓。 由于假肢膝关节是由钛合金加工成的，表面比较光滑，呈银白色，易反光，拍摄出来的图片效果不是很好，故在实验前向假肢膝关节面喷射白色的显像剂，这样拍摄出来的图片较清晰，对后面进行图像处理也有很大的帮助。 将假肢膝关节的所有三维数据点输入到Geomagic Studio软件中，便可以获得假肢膝关节的点云图，如图5所示。 将点云图进行封装，并进行平滑处理，便可得到最终的膝关节三维轮廓图，如图6所示。 图4. 标定；(a) 棋盘板；(b) 采集标定图案 Table 1 Corner detection of coordinate value 世界坐标x 世界坐标y 0 10 20 30 0 (577， 272) (668， 276) (773， 282) (864， 283) 10 (579， 427) (675， 436) (773， 444) (863， 448) 20 (582， 585) (673， 594) (771， 603) (858， 608) 30 (576， 741) (671， 750) (766， 761) (856， 768) 表1. 角点检测坐标值 图5. 膝关节的点云图 图6. 膝关节的三维轮廓图
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user: 6. 总结 通过搭建假肢膝关节面测量实验平台开展实验研究，建立相机系统，并采用激光三角法测量原理和本文所提出的相机系统标定方案，测得一系列被测膝关节的图像坐标，在经过数据处理后得到被测假肢膝关节的旋转矩阵和平移矩阵，以便对下一步对该假肢膝关节的三维重建建立基础。 相机系统标定的方法众多，相机自标定以及新型的相机标定方法相对于传统方法有更好的灵活性和实用性，但其精度有待于进一步的提高。结合当前对于相机标定的研究和实际应用，可以采取一些措施，例如优化算法，提升摄像机硬件以及实验环境条件等方法提高相机标定的精度。
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user: 摘 要 文章就小说《魂断威尼斯》的叙事情节和主人公的艺术观进行了分析与探讨。托玛斯·曼借由主人公阿申巴赫极尽对美的片面追求的书写，指出了唯美主义艺术背后所潜藏的危机，由此承袭了德国早期浪漫主义艺术观中的警讯。曼经由对其主人公由苛求内省至放纵欲望，而几近“颓废”的精神状态与行为方式的塑造，批评了当时的社会及文化现象。同时，文章对小说中所表达的尼采的美学思想进行了诠释，并借由尼采的日神与酒神精神说及揭露心理学来考察主人公的行为特征。 关键词 :文学批评，欧洲文学，现代主义，文学中的哲思，唯美主义 Copyright © 2017 by author and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 3. 结论 十九世纪与二十世纪交替之际，德国正处在威廉二世雄心勃勃的帝国主义扩张时期。现代化进程造成国家的集体意识备受推崇，社会中个人的独立意识受到压抑，个体的生存空间急速萎缩。此时，在哲学家、神职人员、艺术家身上则频见小说主人公所表现出的压抑情感且禁锢人性的“伪道德”现象。面临理性的现实主义与感性的理想主义的混杂与冲突，人们内心领域充斥着矛盾、彷徨，甚至是痛苦，其情感的复杂难以简单归属，一如歌德在其《浮士德》(Faust， 1808/1832)中曾发出的感叹：“两个灵魂，唉!寄存在我心胸” [ 20 ] 。二十世纪初，弗洛伊德将人内心的“黑暗领域”称为“潜意识”，认为其为人性的真正主宰，并由此创立了超出当时医学认知范围的深层心理学，扩展了对人的认识。由此，人的感性世界之维度日益受到重视。弗洛伊德在其自传中曾提及：“作为心理分析家，……相对于理性思考，我不得不对情感冲动更感兴致，对无意识的灵魂活动比对有意识的内在生活更感兴致”(Mann IX：《弗洛伊德在现代思想史上的地位》，275)。 托玛斯·曼对其主人公阿申巴赫曾一贯使用的“教科书”般和缺乏想象的明确句子的语言现象予以了明确的贬抑，同为德国现代主义作家的格欧尔格(Stefan George)在其创刊的《艺术之页》(Blätter für die Kunst， 1894)中亦主张和倡导使用“变幻不定的、探究的、暗示的” [ 21 ] 象征性之语言。现代派宣告与自然主义的决裂，转向尊重个体、人性的完整存在，强调表现人的内在精神、发掘潜意识等的面向。艺术表现亦从客观转向主观，关注的目光从外在转向内心世界，形成了表现自我、探索心灵与梦幻为宗旨的艺术风格和倾向。阿申巴赫可视为是上个世纪之交德国社会的一个具有代表性的人物现象，传达了当时的时代价值观，曼借由对此人物的塑造，批评了当时的社会及文化现象。 面对当时社会中对“颓废”思潮的众多批评与排拒，曼并不予以苟同。他所秉持的态度是“不能完全否定颓废的存在”( [ 7 ] ， p. 165)，在小说《魂断威尼斯》中可清楚地看到他的此种立场。对曼而言，唯有合理看待“颓废”，即承认“颓废”现象产生的缘由与其一定意义上存在的合理性，方能对“颓废”现象的发展因势利导。如此才能使以阿申巴赫为代表的道德主义者对其获得免疫，而避免陷入由“颓废”所招致的“危害”。曼对道德主义者与有德行的人之间的区分在于，前者对“危害”已失去抵抗能力，所谓的“危害”即是基督教福音书中所提及的“罪”，它是“怀疑，与禁忌为伍，是种冒险的、迷失的、甘于献身的、要亲身经历的、要探索的、要认知的欲望”( [ 12 ] ， p. 397， 399)。曼以其特有的清醒和敏锐，否定了新古典主义虚伪的道德观 7 ( [ 9 ] ， p. 696)，并由此提出警示与告诫——正视尼采的象征生命源泉之酒神精神，强调该精神对艺术创作而言应具有的不容忽视之翘楚地位，同时让日神与酒神结成“兄弟联盟”，要让“戴奥尼索斯说着阿波罗的语言，阿波罗最终亦要说着戴奥尼索斯的语言”( [ 3 ] ， p. 140)。这是古希腊悲剧释出的启示，也是艺术创作与表现中的终极追求。 小说的叙事主线是以主人公阿申巴赫追寻潜意识里的冲动和企望所驱使的威尼斯之旅而开启的。从慕尼黑到威尼斯的旅程中，阿申巴赫的审美观虽逐渐脱离了原本的道德窠臼，不再循规蹈矩、按部就班，即在艺术追求上从原本的道德框架中挣脱出来，但他却无法恰当处理感性的内心自我与理性的外在世界间关系的连接与转换，而步入了“为艺术而艺术”(l’art pour l’art)的另一个极端。主人公从追寻心灵解脱到转变为追求完美艺术的过程里，无节制地放纵自己的情感和欲望，几近堕落之边缘，而导致无法避免的悲剧性结局。他的“完美艺术”最终沦为仅能满足其享乐的“感官之美”(Mann VIII: Chap. 4， 498; 1792)，而无法呈现其内在精神。小说以其主人公的悲剧命运对艺术家提出警示，若一味地对内心潜藏的情感、欲望加以抑制，便注定了日后难以逃脱与酒神放纵狂欢，而招致不堪结局的宿命。曼在此亦否定了叔本华压抑生命意志的艺术哲学，对唯美主义的艺术观和人生观提出发人深省的告诫。
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user: 摘 要 本文利用细芯光纤(TCF)并基于迈克尔逊干涉原理制备了折射率传感器。该传感器采用两段单模光纤(SMF)中间熔融一段细芯光纤，形成迈克尔逊干涉结构。该结构由于单模与细芯光纤的纤芯不匹配，使得在第1个熔接点处激发出包层模式，并在第2个熔接点处与纤芯模耦合发生干涉，实验结果显示随着折射率的增加干涉条纹发生蓝移。接着我们为了增强传感器的灵敏度又对细芯光纤进行腐蚀 [ 1 ] ，腐蚀之后与之前相比发现，在低折射率条件下，折射率与波长变化呈现很好线性关系，对比腐蚀前传感器性能有了很大的提高。实验最终结果显示，在高折射率区1.42~1.4435范围内，折射率在长波长处最高达到−564.09 nm/RIU，并且第二、三和四个波段处灵敏度与未腐蚀前相比分别提高了0.9655、0.71和0.7倍。 关键词 :折射率传感，细芯光纤，迈克逊干涉，腐蚀 Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 由于光纤本身具有成本低廉、抗腐蚀和抗电磁干扰等特性，且光纤类型传感器又具有体积小、重量轻等优点，因此近年来光纤类传感器引起越来越多人的关注与研究。尤其是在折射率 [ 2 ] [ 3 ] 、温度 [ 4 ] [ 5 ] 、应变 [ 6 ] 和曲率 [ 7 ] 等方面都有了广泛的应用，其中折射率的测量方面很多研究者都做出了工作。例如傅海威 [ 8 ] 等人设计制作了一种基于单模–多模–细芯–单模光纤马赫–曾德尔干涉仪结构的可同时测量折射率和温度的传感器，该结构透射光谱在1535 nm和1545波长附近分别得到了−53.03 nm/RIU和−54.24 nm/RIU的折射率灵敏度。高平安 [ 9 ] 等人基于细芯–单模–细芯结构，利用马赫–曾德尔原理制作了高灵敏度光纤折射率传感器，该结构在折射率1.33~1.38范围内得到了159 nm/RIU的高折射率。谢灵骁 [ 10 ] 等人提出了一种基于弯曲标准单模光纤的折射率传感器，并在折射率1.3288~1.3721范围内得出，两个干涉共振峰的折射率灵敏度分别为147.602和125.459 nm/RIU。 本文制作了单模–细芯–单模结构的迈克尔逊干涉仪，对折射率1.3341~1.4435范围进行了研究，腐蚀前和腐蚀后结果进行对比，得到了较好的数据结果，为进一步改进光纤结构实现灵敏度的增加提供了实验依据。
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user: 2. 传感器的制作与原理 本文设计的基于细芯光纤的传感器结构及原理图如图1所示。可以看到我们将长度为3 cm的细芯光纤利用光纤熔接机嵌入到单模光纤中，形成迈克尔逊型全光纤传感器。本文所使用的单模光纤纤芯直径为8.3 μm，包层直径为125 μm；细芯光纤纤芯直径为5 μm，包层直径为125 μm。 如图1所示，当光由单模光纤通过第一个熔接点进入细芯光纤时，其中熔接点起到耦合器的作用， 光经过耦合进入细芯光纤中，由于单模光纤纤芯直径大于细芯光纤，部分光将耦合进入细芯光纤的包层中，因此光进入细芯光纤时会同时激发纤芯模和包层模；当光通过第二个熔接点进入单模光纤时，纤芯模和包层模会耦合发生干涉；当光进入单模光纤到达法拉第旋镜时，光会发生反射再次进入细芯光纤中，使得干涉进一步加强，最终形成干涉条纹通过光谱仪显示出来。 图2为该传感器形成的干涉光谱图。本文中配置了不同浓度的氯化钠和蔗糖溶液，我们利用阿贝折射仪对两种溶液进行了折射率校正，最终得出0.1%~25%浓度的氯化钠和30%~60%浓度蔗糖溶液，分别对应的折射率范围为1.3333~1.3765和1.3845~1.4435。对于折射率的研究我们分成了两个部分：低折射率区和高折射率区1.3341~1.4435。对于低折射率区我们选择了波长为1539 nm处的干涉谷的特征波长作为观察的对象，高折射率区我们选择了四处干涉谷的特征波长作为观察对象。 由传感原理可知，细芯光纤作为该传感器的传感臂与外界折射率溶液接触，而且细芯光纤的纤芯模有效折射率与外界环境折射率SRI无关，只受入射光波长的影响；而包层模的折射率不仅受到入射光波长的影响还与SRI有关，因此当SRI变化时，包层模折射率会发生变化从而导致纤芯模–包层模折射率差发生改变，最终使得干涉谱的干涉谷特征波长发生变化。 当光发生干涉时，该传感器的传输光强可以表示为 [ 11 ] ： I = I 1 + I 2 + 2 I 1 I 2 cos [ 2 π ( n c o e f f − n c l ， j e f f ) L / λ ] (1) 其中： I 1 和 I 2 分别表示细芯光纤的纤芯模和包层模的光强； L 表示细芯光纤的长度； λ 表示入射波长； n c o e f f 和 n c l ， j e f f 分别表示纤芯模和第j阶包层模的相位差。这里我们假设光传输后纤芯模和第j阶包层模之间的相 图1. 传感器结构及传光原理图 图2. 传感器的干涉光谱 位差为 Δ φ ，且其满足公式： Δ φ = 2 π ( n c o e f f − n c l ， j e f f ) L / λ = 2 π Δ n e f f L / λ (2) (2)式中： Δ n e f f 表示纤芯模与包层模的折射率差。结合(1)式和(2)式可知，当 Δ φ 为 π 的奇数倍时即 Δ φ = ( 2 k + 1 ) π 时，干涉光强达到最小，此时干涉谱中相应的干涉谷特征波长可表示为： λ = 2 ( n c o e f f − n c l ， j e f f ) L / ( 2 k + 1 ) = 2 Δ n e f f L / ( 2 k + 1 ) (3) 本试验中我们忽略温度对细芯光纤的影响，保持细芯光纤在室温状态下，因此增加外界折射率时，包层模的折射率也会相应增加。我们将(3)式对折射率求导，也就是特征波长的灵敏度可以表示为： ∂ λ j / ∂ n = − ( 2 L / 2 k + 1 ) ⋅ ( ∂ n c l ， j e f f / ∂ n ) (4) 由(4)式可知特征波长灵敏度只与受外界折射率影响的包层模折射率有关，因此如果想要提高传感器的灵敏度，我们只需要考虑提高包层模折射率变化率即可。所以本文中我们对细芯光纤的包层进行了腐蚀操作，减少包层直径，使得包层模更容易受外界环境折射率的影响，从而提高该传感器的灵敏度。我们从(4)式中还可以得到特征波长的灵敏度为负值，所以可以得到随着外界折射率的增加，干涉谱的干涉谷特征波长向短波方向漂移，这与我们实验所得的数据相匹配。
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user: 3. 实验结果与数据分析 图3所示为我们的实验装置图，实验中我们为了避免弯曲对细芯光纤产生影响，我们将传感光纤拉直并固定在V型槽中。实验配置了不同浓度的氯化钠和蔗糖溶液作为外界环境折射率。 3.1. 低折射率实验 3.1.1. 腐蚀前实验 实验时我们将该结构光纤固定在V型槽中，分别对0.1%~1%浓度的氯化钠溶液进行折射率实验。分析发现随着折射率的提高，反射谱波谷谷值分别在1542、1548、1556和1564 nm附近时，数据变化虽然没有很好的线性规律，但是在整体上随着浓度升高反射谱发生蓝移现象。四个波谷最终漂移量分别为：0.4 nm、0.533 nm、0.633 nm和0.433 nm。 3.1.2 腐蚀后实验 我们利用40%浓度的HF对3 cm的细芯光纤进行腐蚀，腐蚀15分钟后用清水洗掉HF并用氢氧化钠对其中合并用清水多次清洗后，将其拉直并固定在V型槽中进行低折射率实验。实验中我们选择1539 nm处波谷处进行监测。实验中保持传感器处于室温状态，当我们增加外界环境折射率时，得到干涉谱的响应如图4所示。图4表明当氯化钠溶液浓度由0.1%增加到1%时，反射谱的干涉谷波长向短波方向漂移。我们可以发现腐蚀后干涉谱干涉谷特征波长漂移量随着折射率增长呈现很好的线性关系。波长漂移量为1 nm，相比腐蚀前有了很大的提高。 3.2. 高折射率实验 3.2.1. 腐蚀前实验 同低折射率实验步骤一样，我们对浓度为1%至60%，也就是折射率为1.3341至1.4435的溶液进行实验，得到的干涉谱如图5 (1.3341~1.3765)和图6 (1.3845~1.4435)所示。实验发现4个波谷都向短波方向漂移，且漂移量由短波向长波方向依次为9.4 nm、8.966 nm、10.534 nm和12.9 nm。对4个波段附近数据变化进行拟合分析知，折射率在1.42附近时，波长漂移量明显增加。分析原因是在折射率1.42时，折 图3. 实验装置图 图4. 腐蚀后低折射率区干涉谱 图5. 腐蚀前折射率1.3341~1.3765干涉谱 射率数值与细芯光纤包层折射率数值相近，使得纤芯模更多的耦合进入包层中，干涉加强进而使波长漂移量增加，因此将数据分成两端进行拟合。拟合后发现对于折射率在1.3341~1.4108范围内，对应由短波长到长波长的四个波段处灵敏度分别为−63.716、−34.872、−43.681和−66.786 nm/RIU；对于折射率在1.42~1.4435范围内，长波长波段灵敏度比短波段处高，由此对应由短波长到长波长的四个波段处灵敏度分别为−196.48、−215.72、−294.15和−332.05 nm/RIU。 3.2.2. 腐蚀后实验 同低折射率腐蚀实验相同，我们用HF溶液对细芯光纤进行腐蚀并对折射率1.3341至1.4435的溶液进行实验，得到的干涉谱如图7 (1.3341~1.3669)图8 (1.3765~1.4108)和图9 (1.42~1.4435)所示。同样发现 图6. 腐蚀前折射率1.3845~1.4435干涉谱 图7. 腐蚀后折射率1.3341~1.3669干涉谱 图8. 腐蚀后折射率1.3765~1.4108干涉谱 图9. 腐蚀后折射率1.42-1.4435干涉谱 4个波谷都向短波方向漂移，且漂移量由短波向长波方向依次为6.8 nm、13.633 nm、18.6 nm和18.667 nm。 根据实验数据我们对其进行分三段拟合后发现，与腐蚀前相比折射率在1.3341~1.3765范围内时，腐蚀后灵敏度依然很低，甚至与未腐蚀前相比都稍有不如；但是在1.3845~1.4108范围内，腐蚀后灵敏度有了较大的提高，4个波段处由短波长到长波长依次为−135.33、−126.47、−131.07和−91.701 nm/RIU；尤其是在1.42~1.4435这个高折射率范围内，折射率在长波长处最高达到了−564.09 nm/RIU，波二、波三和波四处分别提高了0.9655、0.71和0.7倍。
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user: 4. 结论 本文对单模–细芯–单模光纤结构测量溶液折射率的实验进行了研究，研究发现该结构对于低折射率区有响应但是不敏感而且没有很好的线性关系；对于高折射率区该结构显示的很高的灵敏度，在长波段灵敏度最高达−332.05 nm/RIU。为了在低折射率区能够得到较高的灵敏度也为了提高该传感器的整体灵敏度，我们对细芯光纤进行了腐蚀试验。腐蚀前后对比发现，腐蚀后在低折射率区数据具有很好的线性关系，数据拟合度达到了0.9748，与腐蚀前相比有了很大的提高。在高折射率区1.3845~1.4108范围内，腐蚀后灵敏度有了较大的提高，尤其是在1.42~1.4435这个高折射率范围内，折射率在长波长处最高达到−564.09 nm/RIU，并且第二、三和四个波段处灵敏度与未腐蚀前相比分别提高了0.9655、0.71和0.7倍。这为以后该结构传感器测量折射率实验提供了初略的数据参考。
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user: 摘 要 针对哥伦比亚圣湖能源油田浅层稠油开发存在的技术难题进行了一系列研究，并在现场应用了9口井，取得较好的效果。形成了哥伦比亚圣湖能源浅层稠油油田提高采收率的关键技术，为该油田稠油开发和提高采收率提供了技术支持和保障。 关键词 :水窜，泡沫，氮气，调剖，优化，堵水，吸气剖面 Copyright © 2017 by author and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 国内外针对不同的浅层稠油油藏使用不同的开发方式和适合于不同的采油工艺技术。而对于哥伦比亚圣湖能源浅层稠油油藏所具有的特殊性：该油田埋藏浅，地层非均质性较强，蒸汽吞吐过程中，气窜比较严重。油藏的特点注定了油田开发的难度，为提高该油田的产量而进行了各种提高采收率工艺的研究和现场应用，取得了较好的效果。主要针对GIRSOAL和JAZMIN油田两相泡沫提高产量进行了研究和现场应用，取得了该油田提高产量和采收率的工艺技术 [ 1 ] [ 2 ] 。
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user: 2. 油田基本情况 1) 油田开发基本情况 GIRSOAL油田油藏埋深垂深500~900 m，孔隙度22%~30%，渗透率500~2000 md，含水饱和度30%~35%，泥质含量8%~15%，油层厚度18~35 m，净总比0.1~0.5，油层温度40.6℃~50℃，油藏压力4.5~6 MPa (564 m)，45℃原油粘度3500~5000 mPa.s，原油酸值：6.0~7.0。该区块主要的特点是埋藏浅、渗透率低、单层油层厚度小、净总比低、非均质性强，供液差，地层能量低，井位布置基本为台子井，蒸汽吞吐过程极易发生气窜。 GIRSOAL油田采用长水平井(水平段长600米)进行开发。该油田于2008年开始投入开发，油井初期产量基本在100桶/天左右，生产方式为先冷采8~12个月，然后进行蒸汽吞吐，冷采期间产量基本稳定，但随着油田开发进入中、后期，蒸汽吞吐过程中出现气窜现象较严重，产量不稳定，该油田生产井133口，该油田2013年1~9月产量变化统计如图1所示 [ 3 ] [ 4 ] 。 通过图1分析，2013年产量波动较大，该油田从2012年10月份开始进行氮气、泡沫调剖工艺实施，但是由于该工艺方案设计和现场施工均存在一定问题，所以虽然实施了提高产量的采油工艺技术措施，但是取得的成效甚微，于是进行了两相泡沫的分析研究，于2013年6月开始进行两相泡沫优化工艺，取得了明显成效，该油田完成施工的两相泡沫优化井于2013年7月开始生产，从2013年的产量统计图分析，该油田从8月初产量开始上升，该技术对于提高该油田的产量和采收率具有较大的意义。 JAZMIN油田采用合采方式进行油田开发，井型为直井或定向井，共有油井近300口，由于该油田采用合采方式，地层非均质性较强，导致油田进入开发后含水上升快，蒸汽吞吐周期短的问题，根据一些室内试验及类似油田的经验，该油田部分井较适合氮气、泡沫工艺。 2) 原因分析 图1. GIRSOAL油田2013年产量曲线 ① 该油田地层非均质性较强，油层间联通性较差，油层净总比低，水平段较长，吸气不均匀，导致了抑制递减困难，产量提高难度很大。并且在蒸汽吞吐过程中由于井间距较短，容易发生层间窜槽，影响了该油田蒸汽吞吐的效果； ② 该油田地层能力较低，由于未及时补足采油所需的能力，导致蒸汽吞吐周期较短，一般吞吐周期为6个月左右，完井管柱未优化，导致作业频繁； ③ 由于泡沫注入工艺存在问题，注入方式及注入参数未优化，导致整个油田产量无明显提升，具有较好效果的井较少，产量无大幅提升； ④ 经过两相泡沫的施工工艺优化，效果明显，从7月底以后产量明显上升，该工艺在圣湖能源GIRSOAL油田具有推广意义，为该油田提高产量和提高采收率具有实际意义和深远的影响 [ 5 ] 。
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user: 3. 两相泡沫工艺优化研究 1) 流动性研究 首先通过对GIRSOAL和JAZMIN油田的稠油进行了一些室内试验，建立了该油田的稠油开采理论，根据该稠油油田的特点，进行理论的完善。该油田稠油满足稠油非达西渗流理论，该油田稠油具有最低流动启动压力。满足下图2所示的流动理论。 通过室内试验，稠油和稀油具有不同的流动启动压力，特别是针对稠油开发，必须克服稠油的启动压力，方能进行稠油的开采和进行进一步的提高产量和采收率的一系列工作，在冷采或蒸汽吞吐过程中才能采用各种采油工艺进行采收率提高的研究和现场实施工作。 要进行该油田提高产量和采收率的一系列攻关技术研究和应用，针对该油田的具体特点进行了该油田原油的启动压力梯度与流度关系曲线的室内试验，得到该油田的启动压力梯度与流度的曲线关系如图3所示。 该稠油油田启动压力与流度关系曲线通过回归满足下列公式： 图2. 原油渗流特征曲线 图3. 启动压力梯度与流度关系曲线 lg ( Δ P 0 / l ) = 0.165 − 1.1915 ∗ lg ( K / U 0 ) [ 6 ] 2) 气、水窜研究 由于该稠油油田在蒸汽吞吐过程中存在气水窜现象，影响吞吐井产量提高和抑制油田递减，进行了该油田的水窜、水淹室内评价实验，通过注汽和室内模拟实验，得出该油田水、气窜模拟图如图4所示。 通过一些室内实验的研究分析，该油田存在严重的注汽发生窜槽的现象发，所以在生产过程中存在某些油井原油产量突然下将为0的现象，这样严重影响了该油田的原油产量上升和稳产的需要，要提高该油田的产量必须进行必要的调整吸气剖面和封堵水道的工作，以提高蒸汽吞吐过程中水平段的吸气效率，以达到均匀吸气的效果。 图4. 油层发生气、水窜示意图 井间稠油受非达西渗流控制，形成“整体富集”；低启动压力条带形成“条带水淹”。通过岩心分析，GIRSOAL在GIR-PH5-HZ1-A9井水淹区油井，平均剩余油饱和度高达62%，只有局部低启动压力条带含水饱和度降至45%以下。该油田提高采收率和产量的潜力较大。 通过合理的工艺措施，进行有效的封堵大孔道，防止蒸汽吞吐过程中发生的井间气窜现象，可以大幅度的提高单井产量和采收率。 3) 泡沫优化研究 ① 现场使用泡沫存在问题 通过中石化工程院现场技术专家组到现场进行泡沫质量的检验，发现现场泡沫存在质量问题，通过一些现场实验，发现该油田原来使用的泡沫不耐高温，在高温200度左右发生碳化，所以在注入泡沫过程中，泡沫在环空或油管内就已经碳化，无法起到调整吸气剖面的作用，封堵大孔道也无法实现。使用泡沫的现场检验见图5所示； ② 泡沫优选 根据现场实施应用的泡沫存在的问题，进行了一系列的泡沫优化和室内工作，优化、优选出了适合现场使用和应用的泡沫类型。 通过对泡沫的五项性能的检验、检测，优化、优选出适合GIRSOAL油田使用的泡沫剂类型。主要是通过检验泡沫的耐温性，半衰期，阻力因子，表面张力，PH值的检测，确实满足了该油田所需高温泡沫的性能 [ 5 ] [ 6 ] 。优选泡沫驱替及气液比如图6和图7所示。 ③ 注入工艺优化 之前实施的泡沫井注入工艺存在很多问题，于是针对出现的问题进行了注入工艺和方式的优化。之前实施注入工艺采用环空注入，目前改为油管注入；注入工艺进行了优化之前采用联系注入，目前优化为注入泡沫段塞，基本分为前三天注入三段段塞，在不同蒸汽注入阶段泡沫在地层不同位置进行水道封堵，使蒸汽有效进入油层，不进入大孔道，防止了蒸汽进入大孔道，在采油阶段以水的方式排出来。具体进行了注气速度、注气量、注氮体积、注氮速度、注氮方式进行了优化 [ 6 ] [ 7 ] 。 图5. 现场使用泡沫涂抹井口发生碳化现象 图6. 驱替过程中压差的变化规律 图7. 不同气液比对驱替效率的影响
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user: 4. 现场施工工艺优化 第一天进行注入氮气(环空)，主要作用：隔热，提高注入蒸汽干度，防止套管损坏；第二天注入3吨泡沫段塞，第三天注入4吨泡沫段塞；第四天注入3吨泡沫段塞，具体的泡沫量根据井型确定，一般直井泡沫总用量一般为6~8吨，水平井泡沫用量一般为10~12吨左右不等，具体根据上周起生产情况和油藏具体情况确定用量。 现场施工根据压力变化进行及时调整，如果注入一天注入压力开始升高，如果出现异常情况及时进行调整泡沫注入量大小和注汽参数的调整，注入泡沫从油管与蒸汽同时注入。注蒸汽采用单井单注，防止注入蒸汽量计算不准和防止注入蒸汽干度过低，无法保证注入井底蒸汽的干度，影响注汽治理，降低吸气效率。现场优化前后注入流程方式如图8和图9所示。
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user: 5. 现场施工效果分析 通过泡沫一系列的室内研究，评价和现场施工设计优化和现场注入工艺及注入量的一系列优化，目前已经在圣湖能源GIRSOAL油田实施了7口井，成果显著，共实现增油24，513桶，日增油达到245.73桶/天。具体效果分析如下： 1) GIRSOAL油田产量递减规律 GIRSOAL油田生产递减规律如图10所示。 经过GIRSOAL油田油井平均生产效果，分析了该油田自投产以来7个吞吐周期的产量进行了统计分析，该油田的递减率为19%~30%，以该油田递减率较低的井来分析对比，递减相对较低的为19%来计算优化后增加产量，下面进行施工完成井提高产量的统计分析两相泡沫在该油田施工实施的效果进行对比分析 [ 7 ] [ 8 ] 。 2) GIRSOAL油田现场施工效果分析 A03井施工效果对比分析如图11所示。 从图11分析，A03井在上一周期从开井生产151天，总产量为5215.46桶，按照GIRSOAL油田最小递减率19%来计算，上周期生产相同时间理论应该生产原油为4224.52桶；A03井经过优化之后从开井至2013年11月18日，累积生产原油12，170桶，同期生产原油增加7945.5桶，产量同期增加288%。2013年11月原油价格为96美元/天，创效益为7945.5 × 96 × 6.2 = 4，729，163 (元)，创产值472万元。 H02井实施效果对比分析如图12所示。 从图12分析，A03井在上一周期从开井生产131天，总产量为3825.71桶，按照GIRSOAL油田最小递减率19%来计算，上周期生产相同时间理论应该生产原油为3099桶，H02井经过优化之后从开井至2013年11月18日，累积生产原油10，167桶，同期生产原油增加7068桶，产量同期增加328%。2013年11月原油价格为96美元/天，创效益为7068 × 96 × 6.2 = 4，206，873 (元)，创产值421万元。 AG-HZ02井实施效果对比分析如图13所示。 从图13分析，该井在开井生产前期采油参数偏低，从7~23天供液量较足，但是冲次较低，导致日产量较低，从第24天经过参数调整，产量突然上升，所以生产前期参数不合理，稠油开采吞吐生产新周期开始，要根据动液面及时调整参数，否则会影响整个新周期的总产量和日产量。 从AG-HZ02井在上一周期从开井生产88天，总产量为6209桶，按照GIRSOAL油田最小递减率19%来计算，上周期生产相同时间理论应该生产原油为5029桶，该井经过优化之后从开井至2013年11月18日，累积生产原油12，430桶，同期生产原油增加7401桶，产量同期增加247%。2013年11月原油价格为96美元/桶，创效益：7401 × 96 × 6.2 = 4，405，075 (元)，创产值441万元。 图8. 优化前注入流程图 图9. 优化后注入流程图 图10. GIRSOAL油田产量递减规律 图11. GIR-A03井优化前后生产曲线对比 图12. H02井优化前后生产曲线对比 图13. AG-HZ02井优化前后生产曲线对比 以上三口井累积原油增产22，414桶，创效益1335万元，两相泡沫工艺在GIRSOAL油田具有很大的潜力，对于该油田提高采收率和提高单井以及整个油田的产量具有很大的工艺技术价值。 3) Jazmin油田现场应用效果分析 氮气、泡沫调剖优化研究之后在现场进行了应用两口井，效果较好，产量为优化之前的5~12倍，产生直接经济效益12，800，000万元。在JAZMIN油田两口井应用效果对比见图14与图15所示。 根据图15-D004井优化前后生产曲线对比分析，优化使用氮气、泡沫调剖之后峰值产油达到170桶/田，为采用调剖之前峰值产油为10桶/田，日产油提高1600%，累计平均日产油80桶/田，产量提高700%；图16-T02井优化前后生产曲线对比，优化应用氮气、泡沫调剖之后峰值日产油达到142桶/天，平均日产油达到100桶，提高700%~500%。两口井累计周期增油达到16，000桶，创效益10，000，000万元。可见两项泡沫工艺在该油田具有广阔的应用前景。 从优化后两相泡沫工艺现场应用至今已经增产超过100万桶，对于哥伦比亚稠油油田的增产稳产提供了可靠的技术支撑和保障。 图14. JAZMIN-D004井调剖前后生产曲线对比 图15. JAZMIN-T02调剖前后生产曲线对比
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user: 6. 结论 1) 两相泡沫工艺技术在GIRSOAL和JAZMIN油田取得了较好效果，不仅提高了单井产量，而且延长了蒸汽吞吐有效周期，某些井产量甚至超过了投产初期峰值产量，AG-HZ02井本周期峰值产量为344桶/天，而该井生产历史上峰值产量最高为280桶，两相泡沫工艺在GIRSOAL和JAZMIN油田具有很大的应用和推广价值； 2) 同样的氮气、泡沫工艺经过全面的技术优化改进后，都可以提高油田产量和效益，要不断探索和引进各种适合各个油田的先进技术，提高采收率和效益，在稠油开发领域走在技术的前列； 3) 两相氮气、泡沫工艺技术目前适合GIRSOAL油田的大部分井和JAZMIN油田部分井，在少部分井注汽过程中出现了气窜现象，需要引进新的工艺技术防止气窜的发生，进一步大力提高产量和采收率； 4) 一些长期封堵大孔道的工艺技术，如活性凝胶和凝胶颗粒可以适当的引进使用，对可能发生气窜的井进行长期封堵，防止井间窜槽，影响产量和油田效益； 5) 该油田的递减率在30%左右，需要进行加密井的开发方式以弥补产量的自然递减，稠油的递减是很难控制的，所以在浅层稠油开发领域需要不断的进行新技术的开发采取工艺措施弥补稠油的自然递减，用加密井的方式进行油田产量的不断提高都是可行和必要的。
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user: 摘 要 分别用玉米秸秆滤料和玉米秸秆–沸石双层滤料对奶牛养殖废水进行吸附–过滤预处理，研究了玉米秸秆滤料和玉米秸秆–沸石双层滤料在不同滤速下对奶牛养殖废水中氨氮、磷及CODcr的去除效果。结果表明玉米秸秆–沸石双层滤料对氨氮、磷及CODcr的去除效果明显优于玉米秸秆滤料。以玉米秸秆–沸石双层滤料为过滤介质，滤速为4 m/h时，氨氮、磷及CODcr的去除率最大，分别为70.85%、46.11%和51.60%。 关键词 :奶牛养殖废水，玉米秸秆，吸附，过滤，沸石 Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 近年来，我国奶制品产业快速发展，集约化、规模化的奶牛养殖业也得以较快发展。随着奶牛养殖业的迅速发展，奶牛养殖废水排放量不断增加，使得奶牛养殖废水的处理问题变得日益严峻，尤其是以集约化奶牛养殖业污染物而引发的面源污染所造成的环境问题日益突出。奶牛养殖废水主要由粪便水、冲洗水组成，是一种典型的高浓度有机废水，有机物、氨氮和磷等含量较高，并含有致病微生物 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] ，若将奶牛养殖废水直接排入地表水体，高负荷的有机物、氨氮和磷会导致水体富营养化及地下水污染。此外，奶牛养殖废水中的污染物浓度过高还会降低活性污泥活性，导致颗粒污泥解体，使废水处理效果不佳 [ 4 ] [ 5 ] 。因此，对奶牛养殖废水进行有效的预处理，降低其污染负荷具有重要意义。玉米秸秆作为我国北方的一种农业固体废弃物，其来源丰富，用其作为过滤介质可截留废水中的大量有机固体悬浮物 [ 6 ] 。而天然矿物材料沸石在吸附氨氮和磷的同时也能吸附一定量的有机物 [ 7 ] ，从而降低奶牛养殖废水中氨氮、磷及CODcr的浓度。 本文研究了农业废弃物玉米秸秆在奶牛养殖废水处理中的应用，其研究结果可为农业生产废弃物玉米秸秆的利用提供一种新思路，为奶牛养殖废水中的氮、磷等营养物的减量化和资源化提供一种新的途径。同时，附着大量固体有机物的秸秆滤料和吸附有氨氮、磷等营养元素的沸石滤料经过处理后还可以作为土壤改良剂和肥料，从而实现农业固体废物的资源化利用。这不仅解决了养殖废水污染严重的问题，而且对于缓解农业用水紧缺，实现区域生态环境保护，改善人居环境具有重要意义。同时，还为奶牛养殖废水的预处理以及农业废弃物的资源化提供一种新途径。
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user: 2. 材料与方法 2.1. 试验材料 试验用奶牛养殖废水取自山东泰安某奶牛养殖场，水质情况见表1。玉米秸秆取自山东泰安郊区的农田，将玉米秸秆洗净，干燥，粉碎后过841 μm筛，再用50%的ZnCl 2 溶液活化24 h，烘干后，过250 μm筛即得玉米秸秆滤料。沸石滤料购自青岛鑫和源滤料有限公司，粒径0.5~1 mm，主要化学成分见表2。试验前先用去离子水将沸石清洗干净，然后在60℃烘干备用。 2.2. 试验仪器 DHG-9246A型电热鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)；WMX-1型COD测定仪(汕头市环海工程总公司)；752S紫外–可见分光光度计(上海棱光技术有限公司)；PHS-25型数显pH计(上海雷磁仪器 Table 1 Major components of dairy farming wastewate CODcr 氨氮 可溶性磷酸盐 SS 浊度 pH (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (NTU) 3490.2 176.3 27.2 850 585 7.60 表1. 奶牛养殖废水主要成分 Table 2 Major chemical components of the zeolit 成分 SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 FeO TiO 2 CaO MgO K 2 O Na 2 O P 2 O 5 MnO 含量(wt %) 64.53 18.15 2.27 0.12 0.30 0.77 1.15 10.00 3.75 0.03 0.19 表2. 沸石的主要化学成分 厂)；FA1204B型分析天平(上海精密科学仪器有限公司)；BT100-2J型兰格蠕动泵(保定兰格恒流泵有限公司)。 2.3. 试验方法 2.3.1. 玉米秸秆滤料的制备 [ 8 ] 将玉米秸秆洗净，干燥，粉碎后过841 μm筛，以质量分数为50%的ZnCl 2 溶液活化24 h (活化剂的用量为玉米秸秆质量的2倍)，然后在640 W下微波活化4 min，再用1%的稀盐酸漂洗，调节pH为7.0，于60℃烘干后，过250 μm筛即得玉米秸秆滤料。 2.3.2. 吸附–过滤预处理方法 [ 9 ] 过滤用柱子为透明的有机玻璃柱，内径为30 mm，有效过滤高度为100 cm。 过滤试验分两组进行，运行条件完全相同。一组以玉米秸秆作为过滤介质，另一组以玉米秸秆–沸石作为过滤介质，即在有机玻璃过滤柱下部先装20 cm厚的沸石，再在其上层装80 cm厚的玉米秸秆。滤料装好以后，向水桶中加入10 L奶牛养殖场废水，记录废水pH值后，让废水以不同滤速(1 m/h、2 m/h、4 m/h、6 m/h、8 m/h)通过过滤柱，监测原水及出水的氨氮、磷及CODcr。以蒸馏水作对比，分析玉米秸秆成分溶出对水质的影响，以便在数据分析时扣其对水质的影响。 水样的分析测定按照《水和废水监测分析方法》 [ 10 ] 进行，其中氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定；磷酸盐采用钼锑抗分光光度法测定；CODcr采用微波消解法测定。
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user: 3. 结果与分析 3.1. 不同滤料对氨氮去除效果的影响 分别经过玉米秸秆滤料和玉米秸秆–沸石双层滤料过滤后，奶牛养殖废水中剩余氨氮浓度的随过滤时间的变化如图1所示。从图1可知，当滤速为4 m/h时，经玉米秸秆滤料和玉米秸秆–沸石双层滤料过滤的废水的剩余氨氮浓度均在试验开始的前10 min内迅速下降，最大去除率分别为26.89%和70.85%；而后，随着过滤时间的增加，经玉米秸秆过滤的废水的剩余氨氮浓度会缓慢增加，最终在160 mg/L处趋于稳定；而经玉米秸秆–沸石过滤的废水的剩余氨氮浓度则快速增加，并稳定于150 mg/L处。当滤速为8 m/h时，经两种滤料过滤的废水的剩余氨氮浓度随着过滤时间的增长时而升高时而降低，变化幅度较大不能保持一定的稳定性。这是因为奶牛养殖废水的pH为7.60为弱碱性，在弱碱性条件下氨氮主要以离子形式存在于废水中 [ 11 ] ，此时，沸石主要以离子交换作用来去除废水中的氨氮 [ 12 ] [ 13 ] ，其交换过程可用下式表示 [ 14 ] ： 图1. 不同滤料对氨氮去除效果的影响 XZ + NH 4 + → NH 4 Z + X + 式中Z表示铝硅酸盐的阴离子格架，X表示交换离子。 由于过滤柱下层的沸石能与 NH 4 + 进行离子交换，使得玉米秸秆–沸石滤料对氨氮的去除效果明显高于单一的玉米秸秆滤料。当滤速为8 m/h时，此时废水流速较快，会对玉米秸秆滤料产生一定的压力，导致其孔隙率发生较大幅度的变化，从而使得经过沸石的废水流速不稳定，这导致 NH 4 + 由废水向沸石表面的迁移过程不稳定，最终使得废水中的剩余氨氮浓度不断变化，不能保持一定的稳定性。 3.2. 不同滤料对磷去除效果的影响 经过玉米秸秆滤料和玉米秸秆–沸石双层滤料过滤后，奶牛养殖废水中剩余磷的浓度随过滤时间的变化如图2所示。由图2可知，当滤速为1 m/h时，经玉米秸秆滤料和玉米秸秆–沸石双层滤料过滤的废水的剩余磷浓度分别快速降至20.10 mg/L和18.60 mg/L，然后随着过滤时间的增加，废水中剩余的磷浓度呈现缓慢上升的趋势；当滤速为6 m/h时，经玉米秸秆滤料和玉米秸秆–沸石双层滤料过滤的废水的剩余磷浓度先降低，并在过滤时间为25 min时达到最大去除率，分别为33.80%和46.10%；然后随着过滤时间的增加，经玉米秸秆滤料过滤的废水的剩余磷浓度呈现缓慢上升的趋势，而经玉米秸秆–沸石双层滤料过滤的废水的剩余磷浓度则基本稳定在15.30 mg/L。由此可知，玉米秸秆–沸石双层滤料对磷的去除效果显著优于单一的玉米秸秆滤料，其原因是玉米秸秆–沸石双层滤料中，沸石表面所带的正电荷及孔穴中的阳离子能够形成较强的局部正电场，从而对磷酸根进行静电吸附 [ 15 ] [ 16 ] ，此外从沸石内部交换出的Ca 2+ 、Mg 2+ 等也能与 PO 4 3 − 作用产生沉淀，从而将部分磷从废水中除去。 3.3. 不同滤料对CODcr去除效果的影响 经过玉米秸秆滤料和玉米秸秆–沸石双层滤料过滤后，奶牛养殖废水中剩余CODcr的浓度随过滤时间的变化如图3所示。由图3可以看出，滤速为1 m/h时，经玉米秸秆滤料和玉米秸秆–沸石双层滤料过滤的废水中剩余的CODcr浓度均在试验开始的10 min内迅速减少，并达到最大去除率，分别为27.73%和33.10%；而后，随着过滤时间的的延长，废水中剩余的CODcr浓度又缓慢升高并逐渐趋于稳定。当滤速为4 m/h时，废水中剩余的CODcr浓度的变化趋势和滤速为1 m/h时基本一致，废水中CODcr的剩余浓度在试验开始的20 min内迅速减少，然后又缓慢升高并逐渐趋于稳定。此时，玉米秸秆滤料和玉米 图2. 不同滤料对磷去除效果的影响 图3. 不同滤料对发展CODcr去除效果的影响 秸秆–沸石双层滤料对废水中CODcr的最大去除率分别为42.34%和51.60%。可见在不同的滤速下，玉米秸秆–沸石双层滤料对废水中CODcr的去除效果均优于玉米秸秆滤料。其原因是，吸附–过滤法对CODcr的去除，主要是通过截留废水中的固体悬浮有机物来实现的。与单一的玉米秸秆滤料相比较，玉米秸秆–沸石双层滤料中上层的玉米秸秆具有较强的纳污能力，能够有效截留废水中颗粒较大的固体悬浮有机物，而下层的沸石则能够稳定有效地截留粒径更小的固体有机污染物，从而提高了对CODcr的去除效果。
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user: 4. 讨论 本研究分别用玉米秸秆滤料和玉米秸秆–沸石双层滤料对奶牛养殖废水的进行预处理。结果表明，玉米秸秆–沸石双层滤料对废水的预处理效果要优于单一的玉米秸秆滤料；同时，玉米秸秆滤料对废水中的氨氮、磷及CODcr也均有较好的去除效果。其原因是玉米秸秆经活化改性后会转变为离子交换吸附剂，从而会大大提高其吸附能力。当玉米秸秆与沸石共同作为滤料时，能够有效截留悬浮态污染物。奶牛养殖废水中悬浮态污染物所占比例较大，而玉米秸秆经适当的活化改性处理后会转变为离子交换吸附剂，从而大大提高其吸附能力，同时其结构也会变得更加致密，再配合沸石等功能性矿物，则能够更好的去处废水中的氨氮、磷及CODcr等。因此，可用玉米秸秆–沸石双层滤料作为畜禽养殖废水预处理的材料。目前，奶牛养殖废水处理率低、随意排放现象比较普遍，若采用本文的过滤–吸附方法进行预处理，能有效降低污染负荷，减轻废水对环境的污染。
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user: 5. 结论 1) 单一的玉米秸秆滤料对奶牛养殖废水中氨氮、磷和CODcr的最大去除率分别为26.89%、33.80%和42.34%。 2) 用玉米秸秆–沸石双层滤料预处理废水时，沸石与滤速对奶牛养殖场废水中的氨氮、磷和CODcr的去除有显著影响。当滤速为4 m/h时，废水中的氨氮、磷及CODcr的最大去除率分别为70.85%、46.11%和51.60%。 3) 玉米秸秆滤料对奶牛养殖场废水中的固体悬浮物有一定截留分离作用，但对可溶性的氨氮和磷没有明显截留作用；而玉米秸秆–沸石双层滤料不但对废水中的固体悬浮物有较高的截留分离能力，同时沸石还能吸附大量的氨氮及一定量的磷和小粒径的有机物，因此玉米秸秆–沸石双层滤料对奶牛养殖场废水中的氨氮、磷和CODCr的去除效果明显。