光波水分法快速測定污泥質量濃度技術研究

王琳，張夢偉

（河南能源化工集團鶴壁煤化工有限公司，河南 鶴壁 458000）

煤化工產業是一些煤炭資源型城市工業經濟或產業轉型的重要支柱，在煤化工產業快速發展的同時，城市新水的使用量和工業廢水的產生量都十分巨大，如果不對實際生產的廢水進行處理，不僅僅會導致周邊城市居民的生活用水質量下降，更會造成地下水資源的無端浪費和城市生態環境的嚴重破壞。

活性污泥法是煤化工產業普遍采用的一種污水處理方法，活性污泥一般由四部分組成：（1）具有代謝功能活性的微生物群體；（2）微生物內源代謝、自身氧化的殘留物；（3）由原污水帶入的難以自然降解的惰性有機物質；（4）由原污水代入的一些無機物質。在使用活性污泥處理工業污水時，污水中的有機污染物將會作為營養物質被活性污泥中的微生物攝取、代謝、利用，從而使得有機污染物得以減少，工業污水得以凈化，同時活性污泥中的微生物得以增長。因此，污泥質量濃度是該工法中重要的檢測參數之一，它直接反映了活性污泥對污水的處理效果并且會直接影響煤化工產業生產效率。目前，往往采用傳統的重量法測定污泥質量濃度，即通過測定單位體積混合液中烘干污泥的總量，然后計算其質量濃度，該方法的優點是測定程序簡單，測定結果直觀、準確；然而，根據相關規范中對于污泥恒重的詳細要求及污泥質量濃度的實際測定經驗[1-2]，污泥烘干過程至少需要3 h 才能完成，如若附加多組試驗，相應的試驗準備和數據處理均非常耗時，甚至往往需要一天時間才能夠得到準確有效的污泥質量濃度測定結果。這對于及時獲取并動態監管污水處理情況，采取有效預防或處理措施而言，是嚴重滯后的[3-4]；另外，污泥烘干過程還需消耗大量電能以達到污泥恒重標準要求。因此，高能耗、高耗時是重量法測定污泥質量濃度最為顯著的缺點，也是亟需進行技術改進的方面。

對此，本文結合微波加熱技術，使用光波水分測試儀，參考《GB/T 211—2007》中煤質全水分的分析方法，改進使用光波水分法以快速測定污泥質量濃度，設計試驗提出并優化了光波水分測定儀在污泥質量濃度監測中的使用方法和檢測流程，對相同試驗材料，分別按傳統重量法和光波水分法進行了污泥質量濃度測定試驗，對比后認為本文提出的光波水分法有效解決了傳統重量法高耗能、高耗時的問題，能夠快速準確地獲得污泥質量濃度以提高生產效率。

1 光波水分法原理及方法

光波水分法的核心是微波加熱技術[5]。首先，將準備好的一定量試樣置于微波爐內，進而控制爐內磁控管發射非電離微波，由此讓試樣內部均勻地受到微波輻射，從而使得試樣中的極性水分子隨微波電場方向的改變而產生超高速的振動，伴隨著試樣中分子間的快速摩擦作用，最終達到將試樣中水分迅速蒸發的目的，后續可根據試樣處理結果得到其烘干的質量及其損失計的水分質量。

可見，光波水分法的微波加熱技術能夠切合地應用到煤化工產業中對污泥質量濃度的測定試驗中。但是，若要將光波水分法應用于污泥質量濃度測定，還需要對光波水分測定儀的一些參數是否在污泥質量濃度試驗可行進行檢查，具體如下：

1）光波水分測定儀自備萬分之一天平，可達到污泥質量濃度測定精度的要求；

2）污泥本身為絮狀物等，其粒徑小于6 mm，滿足光波水分測定儀試樣粒徑要求，污泥中水分可被完全烘干；

3）光波水分測定儀測定溫度為107 ℃，該溫度符合污泥質量濃度測定溫度的105～110 ℃區間要求，且定量濾紙在該溫度下不會達到燃點。

實際上，污泥質量濃度測定的核心在于測定污泥質量，其質量濃度的計算公式如式（1）所示，傳統重量法的技術核心是通過電加熱烘干后直接獲取污泥質量，進而計算得到污泥質量濃度。結合上述光波水分法原理、特點，對比后可知兩種方法的原理和方法其實是相同的，只不過對污泥試樣的烘干方式不同，這就說明將污泥混合液作為試樣，采用光波水分法得到試驗前后質量分析計算污泥質量濃度，是科學有效的；另外，顯而易見的是相較于傳統重量法污泥混合液的過濾和烘干等工序，微波加熱方法比傳統電熱烘干的效率要更高。

2 光波水分法測定流程及注意事項

2.1 試驗流程

根據光波水分測定儀的使用方法，結合污泥質量濃度的測定原理，采用光波水分法進行試驗的具體流程設計如下：

1）稱量提前烘干至恒重的定量濾紙，記錄其質量；

2）使用量筒量取搖勻的污泥混合液25～40 mL，記錄混合液體積，并用已烘干至恒重的濾紙進行過濾，盡量使濾紙中的水分控干；

3）將步驟（2）中帶有污泥的濾紙放入光波水分測試儀，按儀器說明書步驟操作，執行微波加熱程序（約耗時40 min），最終得到烘干前后的試樣質量分別為m1、m2；

4）根據試驗記錄的質量和體積數據，按式計算污泥質量濃度；

5）對同一試樣重復試驗，即重復試驗步驟（1）-（4），匯總多組試驗數據后準確分析污泥質量濃度計算結果。

2.2 注意事項

在具體的試驗操作中，還有以下幾點需要注意：

1）將污泥混合液過濾至定量濾紙上時，盡量使濾紙中的水分控干，以減小水分儀內萬分之一天平稱量時的誤差，濾紙上水分蒸發易帶來極小的稱量誤差。

2）可以使用醫用手套直接接觸濾紙，不必擔心手套上沾有水分。

3）濾紙放入光波水分測定儀內坩堝時，最好將污泥折疊在濾紙內，以免污泥從濾紙表面被風吹落。

4）光波水分測定儀上顯示的全水分結果（約80%～90%），為不準確結果，可以完全忽略，只需記錄皮重和殘重。

3 與傳統重量法測定結果對比

為檢驗光波水分法在測定污泥質量濃度的準確性，分別使用傳統重量法和光波水分法對不同日期SBR 池內的污泥質量濃度進行測定，試樣周期為5天，試驗次數共8 次。

使用不同方法對不同日期污泥質量濃度的測定結果如表1 所示，兩種方法測定的污泥質量濃度的差值分別為：0.02、-0.03、-0.01、0.01、0、0、0.02、0 g·mL-1，差值的絕對值最大為0.03 g·mL-1，最小為0。可見，兩種方法在8 次試驗中的平均誤差為0.001 25 g·mL-1，占比小于0.03%，說明光波水分法與傳統測量法的測定結果基本一致，采用光波水分法進行污泥質量濃度的測定可靠且準確。

表1 不同方法下的污泥質量濃度測定結果

另外，在試驗時還同時記錄了采用不同方法測定每組污泥質量濃度所需的時間，如圖1 所示；傳統重量法的試驗時間最長234 min，最短198 min，平均時長212 min，對應光波水分法的試驗時間最長55 min，最短 min，平均時長51 min。可見，光波水分法分析時間縮短約為原來的1/4，相應計算得到試驗能耗縮減為原來的1/5。

圖1 不同方法測定污泥質量濃度所需實際時間

4 結 論

針對目前按傳統重量法測定污泥質量濃度高能耗及高耗時的缺點，利用光波水分測定儀的技術特點，提出一種改進的污泥質量濃度測定方法——光波水分法。通過設計并完成一系列試驗，將兩種方法的測定結果對比，顯示光波水分法的工作效率優秀，測定過程簡單，測定結果可靠，同時能夠有效降低測定能耗成本，為方便動態監管活性污泥法對工業污水的處理效果提供了更優的技術基礎，值得行業內借鑒推廣。