快速完成活性污泥的检测

文/Ulf Sengutta

利用实验室微波技术实现快速、简单的活性污泥检测分析 // 从环境保护的意义来讲，污水净化处理后的活性污泥检验分析属于实验室的常规检验分析任务之一。实验室要求快速、简单地完成活性污泥的检验分析任务，但使用常规的检测分析方法是根本做不到的，所以实验室急需一种既快捷又简单的方法来完成这一任务。

仅2016年，德国污水净化处理厂中产生的活性污泥就有180万吨左右。其中约四分之一的活性污泥被用作农业肥料。由于活性污泥中可能含有大量的重金属和总磷，存在着污染地表水和地下水的风险，因此，将活性污泥直接用于农业生产的做法受到了社会的广泛关注。那么，污水净化处理后的活性污泥到底都含有哪些物质？在污水净化过程中分析检测技术又扮演着什么样的角色？活性污泥对环境有哪些危害？分析检测技术又遇到了什么样的挑战？

图1 Smart 6型微波水分固体物质测量仪。

污水处理厂污泥的定义：“污水净化过程中产生的活性污泥，包括脱水或者干燥处理的活性污泥”。活性污泥中的干物质中包含了50%至70%的有机物质。表示活性污泥特性的两个基本指标、参数就是含固率TS和有机干物质含量oTS。

在污水净化处理过程中要定期地监测活性污泥中的TS和oTS。最初的活性污泥非常稀薄（TS只有大约3%），有许多方法可以使活性污泥变得更加浓稠，例如使用离心机、压滤机、重力增稠机等等。一般情况下，利用这些机械设备时都要使用厌氧或好氧的沉淀剂和凝絮剂。这些辅助剂的投放量不是按照活性污泥的量来投放，而是按照其TS和oTS来投放的。另外，活性污泥的无害化处理方法可以使用焚烧法，在焚烧活性污泥时也需要控制TS。焚烧法是一个成本很高的方法，需要非常先进的焚烧设备，设备在工作之前要先测定活性污泥中的TS和oTS，进而确定需要设置多大的功率。根据活性污泥样本中TS和oTS的大小对焚烧程度进行控制，这就要求检验分析技术不仅要快速而且要简单。

传统的TS和oTS检测方法

水、污水和活性污泥干燥程度和含固率（TS）的标准检测流程如下：

1.干燥取样杯；

2.在干燥器中冷却取样杯；

3.称量取样杯中的样本质量，在干燥器中进行冷却、恒重；

4.再次称量样本重量，直至两次称量结果符合标准规定。

oTS的测量方法与TS的测量方法非常类似，不同之处在于干燥方法的不同，测定oTS时的干燥方法不是在干燥器中，而是在马弗炉中进行干燥。无论是在干燥器中测量TS还是在传统的马弗炉中测定oTS，它们所消耗的时间和工作量都是非常大的。在马弗炉中干燥以及灰化的时间常常需要几个小时，再加上在干燥器中长达一小时左右的冷却时间，还需要恒重。这样一来，当天准备的检测样本常常要到第二天才能进行检测。

图2 Phönix马弗炉在几分钟内完成oTS有机干物质含量的测定。

新的组合方式带来了新的可能性

仪器设备制造商CEM公司面对上述问题，利用Smart 6型微波水分固体物质测量仪（简称“Smart 6”）和Phönix马弗炉提供了一种新的解决方案。利用这一全新的仪器设备组合， 可以在几分钟内完成活性污泥样本的干燥和灰化。快速得到检测结果，可以根据检测结果实时控制活性污泥焚烧设备。

活性污泥被吸取到处理样本的容器中，并放置到安装有微波炉的分析天平上，参见图1。传感器调节着微波辐射的加热程度，防止样本分解。分析天平不断地称量着被测样本的质量，样品的干燥在几分钟时间内（通常为2分钟）就能保持重量恒定。干燥过程中产生的水蒸气由通风换气系统抽出样本检测室。

利用高自动化程度的Smart 6可以大大的降低出现误测的可能性，提高了检测的准确度。用户只需将被测样本放入样本容器中，然后按下干燥启动按钮就可以了，Smart 6就开始自动地称量样本重量、干燥，并在干燥过程中连续称重、反馈称重结果，以最快的速度确定检测终点。计算结果通过内置的显示屏、通讯接口和打印机给出，另外，也可以将条码识读器连接到Smart 6上。使用Smart 6进行检测还有另一个优点就是避免发生事故。被测样本在样本容器中干燥后仍然是冷的，不会发生烫伤事故。Smart 6的称重室是严格密封的，防尘、防潮，而且Smart 6可以安装在污水净化处理厂的任何一个地点，完全不用担心周围环境的影响，这对工作环境恶劣的污水净化处理厂来讲是再合适不过的了。

可过滤物质的测定

Smart 6的软件还可以测量溶解的和悬浮固体物总量（TSS）的测量。在测定TSS时，将一定容积（例如1L）的液体样本进行过滤，过滤出来的物质在Smart 6中干燥两分钟。干燥结束时，Smart 6的控制软件就会根据测定的固体物质含量和使用的液体体积计算出相应的TSS值。

图3 Smart 6与NMR模块配套使用完成脂肪、油和亲脂性物质的测定。

oTS有机干物质含量的测定

oTS有机干物质的测定使用了全球最快的Phönix马弗炉，参见图2。传统的马弗炉耗能大，灰化时间长达数小时，在加上干燥器中冷却的时间，核算下来少说也需要半天的时间。与传统自带加热丝的马弗炉相比较，Phönix马弗炉最大的优点就用时较短，可以在几分钟内达到设定的温度。Phönix马弗炉的加热元器件小、炉腔内的热辐射能量吸收快，当出现温度波动时，可以实现快速的调节，几秒钟就可以达到设定的温度，例如打开马弗炉炉门、放入被测样本等。

强大通风换气系统使得活性污泥样本能够通过隔热陶瓷快速的燃烧、灰化，并确保整个系统有着良好的通风换气效果。通风换气的排气管直接与马弗炉相连接，保证了仪器设备本身和周边不会有污垢沉积，也保护了室内空气和操作者，免受有害气体的侵袭，省去了现场安全通风设备的费用。

活性污泥样本在Phönix马弗炉中全部灰化只需五分钟时间。然后从马弗炉中取出Phönix专用坩埚以及坩埚中活性污泥灰化的残渣，在20秒中时间内完成灰化残渣的冷却，CEM公司生产制造的这种专用坩埚能够在几秒钟内冷却下来，同时也不吸收水分、潮气，由此将坩埚移至干燥器中的工作就多余了。整个称重过程和oTS有机干物质含量的换算只需不到十分钟的时间就能完成了。

亲脂性物质的测定

Smart 6可以与NMR模块配套使用。这样的仪器设备组合被称之为Smart Trac II组合，参见图3，可以在8秒钟的时间内完成活性污泥中的脂肪、油和亲脂性物质含量的测定。除了检测时间短这一优势之外，这种仪器设备组合比传统的萃取方法更加简单、环保。这一测量方法可以广泛地使用在日常的常规分析实验中。