表面等离子共振效应
引言
表面等离子共振效应（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一种表面物理学现象，它描述了当金属表面与光波相互作用时发生的电子振荡现象。SPR在光学传感、光电子学、纳米技术等领域具有广泛的应用。本文将重点讨论SPR的机制、性质以及在生物化学和生物医学中的应用。
SPR的机制
SPR的发生基于金属电子与入射光的相互作用。当光波垂直入射金属表面时，由于金属表面存在自由电子，光子能量将转移到这些自由电子上，产生电子振荡。这种电子振荡形成了表面等离子体波（Surface Plasmon Polaritons，SPPs），同时也导致入射光波的衰减。在特定能量下，入射光波的衰减达到最大，这一特定能量称为共振角，此时SPR现象最为显著。
SPR的性质
SPR的性质可以通过测量激发金属表面等离子体波时入射光衰减的程度来研究。以下是一些常见的SPR性质：
共振角的依赖性
共振角的数值和波长、介质折射率、金属类型等因素密切相关。根据著名的布拉格方程，当入射光波的波长、介质折射率以及金属类型固定时，共振角可以被准确计算出来。这种依赖性可以应用于传感器设计和光学薄膜的制备。
反射光谱特征
SPR现象可以通过测量反射光的光谱特征来观察。在入射光波共振的位置，反射光的强度降低，形成一个明显的谷值。通过分析反射光谱特征，可以获取到很多有用的信息，例如材料的折射率、厚度等。 敏感性
SPR对环境介质的敏感性很高。当用具有特定生物分子的可感测层覆盖金属表面时，这些特定分子的结合会导致环境折射率的变化，从而改变共振角的位置。通过监测共振角的变化，可以实现生物分子的定量检测，如蛋白质结合、DNA杂交等。
SPR在生物化学中的应用
SPR在生物化学领域的应用主要体现在生物分子相互作用和蛋白质结构研究方面。以下是一些典型的应用案例：
生物分子相互作用研究
利用SPR技术可以直接监测生物分子间的相互作用过程，无需标记物或染料的参与。以研究蛋白质-蛋白质相互作用为例，可将其中一种蛋白质固定在感测层上，另一种蛋白质在溶液中，通过监测共振角的变化可以确定两者之间的结合状态、亲和力等参数。
表面等离子体共振技术的原理和应用
表面等离子体共振技术（Surface Plasmon Resonance，简称SPR）是一种现代分析技术，主要用于检测生物分子相互作用。该技术基于表面等离子体共振现象，通过测量试样与金属表面的相互作用，从而推断出与试样相互作用的生物分子的性质和相互作用力的强度。
表面等离子体共振现象是指当有一束光线斜入垂直于金属表面时，会与金属表面上的自由电子相互作用产生共振，这种共振就是表面等离子体共振。而当试样溶液在金属表面形成一层薄膜时，这层薄膜的折射率会影响共振的位置和强度，因此可以检测到试样与金属表面的相互作用。
SPR技术的检测原理是通过将金属薄膜与含有生物分子（例如蛋白质）的溶液相接触，从而使生物分子吸附在金属薄膜表面，进而测量吸附和解离过程中的表面等离子体共振信号变化。通常情况下，自发结合和亲和力大的生物分子会在金属表面上呈现强信号，在SPR曲线上表现为峰；而不结合或结合较弱的生物分子，其曲线相对平坦，表现出较小的信号。
SPR技术的应用
SPR技术具有广泛的应用，特别在生物医学、生物化学和生命科学领域具有重要意义。以下是一些SPR技术的应用：
1. 生物分子相互作用研究
SPR技术可以用于生物分子之间相互作用的研究，例如酶和配体、抗体和抗原、蛋白质和DNA/RNA等。通过检测生物分子之间的相互作用，可以揭示生物分子相互作用的动力学和热力学参数，包括关联常数、解离常数、亲和力和熵变等。
2. 药物筛选
SPR技术也可以应用于药物筛选。在药物开发过程中，药物分子需要与靶分子相互作用，以达到治疗作用。利用SPR技术可以对候选化合物进行筛选，通过检测不同药物候选物与目标分子之间的相互作用，从而选择最有效的药物分子。
3. 诊断应用
SPR技术还可以应用于诊断，例如慢性阻塞性肺病（COPD）的检测。据研究，COPD患者的血清中含有一特定蛋白胆固醇酯转移酶，而正常人的血清中不含。利用SPR技术，可以检测出胆固醇酯转移酶的存在，从而诊断COPD。
SPR污水处理技术分析
SPR（Sequencing Batch Reactor）污水处理技术是一种在同一反应器中进行有机物降解和生物脱氮脱磷的工艺。它是通过将废水在不同的处理阶段进行循环和停顿来实现的。
SPR污水处理技术结合了传统的活性污泥工艺和SBR（Sequencing Batch Reactor）技术的优点。它不仅能够高效地去除有机物，还能够实现氮、磷的去除。该技术适用于各种污水处理厂，包括城市污水处理厂、工业废水处理厂等。
SPR污水处理技术的工艺过程主要包括进水、预处理、反应、沉淀、排泥、出水等步骤。首先，原水经过预处理，例如通过格栅、砂池等设备进行初步过滤和沉淀，去除较大的悬浮颗粒物。然后，将进水送入反应器中，反应器中繁殖的微生物会降解有机物，同时进行生物脱氮脱磷反应。根据设定的运行策略，反应器中的水可以循环和停顿，以实现不同阶段的处理。在停顿阶段，微生物可以在水中降解有机物，并吸收氨氮和磷。在循环阶段，水中的微生物被氧气曝气和搅拌，以提供需氧条件。随后，水中的悬浮颗粒物和生物絮凝物通过沉淀池进行沉淀，并密封排泥，得到处理后的清水。
SPR污水处理技术相比传统的活性污泥工艺具有许多优点。首先，该技术能够在同一反应器中实现有机物降解和生物脱氮脱磷，有效地去除污水中的有机物和营养物质。其次，SPR技术具有较高的处理效率和稳定性，能够适应水质变化和负荷变化。此外，该技术还可以自动控制操作和管理，在操作方面具有较高的灵活性和可靠性。
然而，SPR污水处理技术也存在一些挑战和限制。首先，由于所需的设备和工艺较为复杂，投资和运营成本较高。其次，该技术对操作和管理的要求较高，需要专业的技术人员进行操作和维护。另外，由于SPR技术在同一反应器中进行不同阶段的处理，对反应器的设计和运行策略有一定的要求，需要进行合理的设计和优化。
综上所述，SPR污水处理技术是一种高效、稳定的污水处理技术，适用于各种污水处理厂。它能够同时实现有机物降解和生物脱氮脱磷，具有较高的处理效率和稳定性。然而，该技术也面临着一些挑战和限制，需要在设计和运行过程中进行合理的优化和管理。随着技术的不断改进和发展，SPR污水处理技术在实际应用中将会有更广泛的发展前景。SPR（Sequencing
1 / 12 SPR污水处理技术 摘要：SPR污水处理技术是美国新发明的一种工艺，采用特殊的化学－物理工艺方法和水力学原理，组成高效率、快速度的处理氨氮、有机污染物浓度高、悬浮杂质含量多的工业污水和城市污水的处理系统，经处理的出水回用于城市绿化、浇灌草地树木或作为工业用水。全套系统占地面积极少，运行费用低，耗电少，综合经济技术指标达国际先进水平。 关键词：污水处理回用特点 一、SPR污水处理原理 首先采用化学方法使溶解状态的污染物从真溶液状态下析出，形成具有固相界面的胶粒或微小悬浮颗粒；选用高效而又经济的吸附剂将有机污染物、色度等从污水中分离出来；然后采用微观物理吸附法将污水中各种胶粒和悬浮颗粒凝聚成大块密实的絮体；再依靠旋流和过滤水力学等流体力学2 / 12 原理，在自行设计的SPR高浊度污水净化器内使絮体与水快速分离；清水经过罐体内自我形成的致密的悬浮泥层过滤之后，达到三级处理的水准，出水实现回用；污泥则在浓缩室内高度浓缩，定期靠压力排出，由于污泥含水率低，且脱水性能良好，可以直接送入机械脱水装置，经脱水之后的污泥饼亦可以用来制造人行道地砖，免除了二次污染。其污水净化与回用系统工艺流程图 污水净化与回用系统流工艺程图 二、SPR污水处理技术特点： 1.城市生活污水和处理药剂的混合主要是在泵前吸药管道、污水泵叶轮、蛇形反应管和瓷球反应罐的组合作用下完成的，为取得最佳混凝净化效果和节省药剂创造了条件。与过去常规的一级处理和二级处理之水工结构不同。 2.采用五种以上污水处理药剂及其最佳配方组合使用，使污水中溶解状态的有机污染物、重金属离子和有害的盐类从水中析出，成为有固相界面的微小颗粒,靠混凝的物理化学吸3 / 12 附作用将悬浮物及各类杂质凝聚成大而且密实的絮团以便去除。还选用了一种吸附效果很好的吸附剂,以吸附有机污染物和色度。在靠消毒剂在30分钟的流程内杀灭细菌和大肠杆菌。这样发挥各药剂的单独作用和它们之间的交联作用的用药方式是与常规的物理化学法不相同的。 3.依照模拟试验得出的配方，借助大气压力和流量计，十分精确地投加混凝药剂和絮凝药剂，防止加药过量浪费药剂且降低动力消耗。 4.SPR污水净化器内部结构是完全按照混凝机理精确设计的，形成的涡旋流动和各部位恰当的水流速度，使得胶体颗粒之间有最多的碰撞次数，并且有凝聚吸附所需的最佳流速环境。从而在极小的容积内获得了极充分的凝聚效果。 SPR污水净化器水力学结构如下图所示： SPR污水净化器水力学结构图2 5.利用在罐体中上部形成的一个有几十厘米厚的、十分致密4 / 12 的悬浮泥层,将所有经过混凝的出水通过此悬浮泥层的过滤，水才升流到罐体上部的清水区。比以往的水处理工艺减少了膜过滤、微孔过滤、或活性炭过滤等装置如及它过滤水头阻力。如下图3 图3 6.选用的絮凝剂，同时也是良好的污泥助滤剂，使排出的污泥浆，其脱水性能良好，可以不另外添加助滤剂，就直接泵入压滤机脱水。泥饼可以制成人行道地砖再利用，不会带来二次污染的问题。减少了传统的生化法产生的污泥含水率高、脱水性能很差的弱点。如下图4 图4 7.污水净化器应用广泛,尤其适用于当今最难处理的纺织印染污水、再生纸造纸污水、动物屠宰场污水、陶瓷厂瓷泥污水、煤矿矿井污水等含有大量有机污染物和氨氮的去除，污5 / 12 水的净化后回用,实现工业用水闭路循环，既解决环境污染问题，又节省大量水资源，从而大大降低了企业的生产成本。各地权威检测部门测试了污水净化器进水和出水的有关数据。净水工艺流程只需30分钟,出水指标如下： a.氨氮去除率可以达到85％b.总氮去除率可达95％ c.有机氮去除率可达96％去除率可达95％ e.悬浮物的去除率则高达%~%f.脱色效率达98％以上 g.,处理后出水CODcr8.系统中投放杀菌消毒药剂，用氯消毒且起到除氨的作用，提高污水处理系统去除氨氮的效率。 9.出水氨氮含量还未达到要求，可以在后续再串联设置一级离子交换装置，靠斜发沸石离子交换柱最终达到除氨氮的目标。 早在七十年代，美国Minnesota州Minneapolis市的罗兹芒污水厂就是用纯粹的物理化学法处理城市生活污水的，其工艺流程是：化学混凝----沉淀----过滤和活性炭吸附----斜发沸石离子交换。其最后出水水质标准为：氨氮1毫克/升，6 / 12 BOD10毫克/升，磷1毫克/升，悬浮物10毫克/升，pH。 10.处理后的出水回用,取代自来水作为城市绿化用水，将大大节省城市的淡水资源，减轻城市市政部门的供水压力，对城市的整体经济发展定会产生十分巨大的效益。 11.这种纯粹的物理化学法污水处理系统，受天气、环境及人为因素的影响少。 三、SPR的应用 例如:中国大港油田居民生活污水净化及再生回用系统工程 1．1生活污水处理厂的SPR工艺流程新模式：如下图5 1．2SPR污水处理设备系统工艺布置图6 7 / 12 SPR污水处理设备系统工艺布置图6 1．3SPR污水处理设备系统工艺平面布置图7 SPR污水处理设备系统工艺平面布置图7 2.大港油田居民生活污水水质、处理后出水水质要求及处理水量 大港油田生活污水主要来自几个生活小区，其中也有部分商业排放水。这个污水处理厂服务人口约14万人。 根据油田缺乏淡水资源和防治水污染的要求，将油田居民生活污水经过净化处理后，再生的出水用作城镇绿化、工业用水和 8 / 12 其他洗车、冲洗厕所等市政用水，既可以防止城镇污水对水环境的污染，又能大大节省当地的淡水资源，而且为油田的工业生产提供了可靠的第二淡水水源。 油田居民区城镇生活污水总量为6000立方米/天。 城镇绿化灌溉需用水量为5000立方米/天。 油田工业用水需用水量为340立方米/天。 3．经SPR系统处理后的出水水质 9 / 12 a.CODcrb.BOD5c.氨氮d.大肠杆菌群毫克/升 6~9 4．污水处理工艺过程 生活污水经过已有的化粪池沉降调节后进入城镇下水道，集中流入污水处理厂，首先经过筛分去除大块杂物，然后交替进入调节池A或B，向调节池内投加去除有机污染物的药剂，靠搅拌完成调匀和初级反应过程，并防止在调节池引起沉淀，靠污水泵将已经调节好的污水吸入管道，同时靠污水泵吸入端的负压按照设计的药剂配方吸入污水处理药剂，经管道混合后直接从SPR污水净化器底部进入罐体，在SPR净化器罐体内完成混凝、精细过滤和污泥浓缩全过程，净化后出水经顶部出口管道流出进入清水储存池，靠清水泵将再生水送给用户，定时间靠清水泵的压力将浓缩后的污泥浆从SPR净水器的污泥浓缩室压出，并送入重力式污泥浓缩罐再次浓缩，靠泥浆泵将污泥浓缩罐再次浓缩后的浓泥浆直接送入污泥脱水机实施脱水，脱水后的泥饼由汽车运走用以填埋。每运行4～6小时左右实施一次罐体反冲洗操作，反冲洗时间为3～5分钟。每运行6～8小时左右污泥浓缩室存满后实施一10 / 12 次压力排泥操作，排泥时间10～20分钟。罐体反冲洗污水和污泥脱水过程产生的污水都流回污水调节池进入下一个净化处理过程。 整个污水净化过程只有一台污水泵作为吸取污水、添加药剂、混合、混凝、过滤和送出清水的动力源，净化污水的电力消耗为度/1立方米污水。 处理污水的药剂消耗费用为～元人民币/立方米。 污水净化系统连续运行，由6台SPR-50型污水净化器系统并联组成系统，每台产水率为50立方米/小时，每天按20小时运行计算，日处理水量为1000立方米/台，预留出充分的反冲洗、排泥等辅助操作和维护时间。全系统日处理污水量为6000立方米。 5．系统主要设备 .杂物筛分机.污水调节池.污水池搅拌机 .污水泵.SPR－50型污水净化器.污泥浓缩罐 11 / 12 .泥浆泵 .自动厢式压滤机 .药剂储存桶及加药流量计系统 .药剂溶解配制装置系统 .冲氧喷射清水泵 实例照片 日处理污水4000立方米的系统照片 如照片所示为产水率50立方米/小时.台的污水净化器 及日处理污水2000立方米的系统。 12 / 12 四、结论 SPR污水处理新工艺，有效的解决工业和城市排放的高浓度污水及污水中悬浮物质和去除氨氮含量。处理过污水的水质比以往处理的水质高，可以利用这些水作为城市和工业及浇灌草地树木的用水，大大减少了对环境的污染和节省淡水资源，这样就可以解决一部分淡水资源缺乏的地区。广泛的应用这种技术，对社会带来十分巨大的效益。 五、参考文献： 1.美国SPR污水处理技术 2.SPR高浊度污水处理技术 3.SPR污水处理技术以经济高效的物化法实现城市污水的再生和回用 4.中国大港油田居民生活污水净化及再生回用系统工程 5.给水排水杂志月刊第29卷第三期
