光波水分法快速测定污泥质量浓度技术研究

王琳，张梦伟

（河南能源化工集团鹤壁煤化工有限公司，河南 鹤壁 458000）

煤化工产业是一些煤炭资源型城市工业经济或产业转型的重要支柱，在煤化工产业快速发展的同时，城市新水的使用量和工业废水的产生量都十分巨大，如果不对实际生产的废水进行处理，不仅仅会导致周边城市居民的生活用水质量下降，更会造成地下水资源的无端浪费和城市生态环境的严重破坏。

活性污泥法是煤化工产业普遍采用的一种污水处理方法，活性污泥一般由四部分组成：（1）具有代谢功能活性的微生物群体；（2）微生物内源代谢、自身氧化的残留物；（3）由原污水带入的难以自然降解的惰性有机物质；（4）由原污水代入的一些无机物质。在使用活性污泥处理工业污水时，污水中的有机污染物将会作为营养物质被活性污泥中的微生物摄取、代谢、利用，从而使得有机污染物得以减少，工业污水得以净化，同时活性污泥中的微生物得以增长。因此，污泥质量浓度是该工法中重要的检测参数之一，它直接反映了活性污泥对污水的处理效果并且会直接影响煤化工产业生产效率。目前，往往采用传统的重量法测定污泥质量浓度，即通过测定单位体积混合液中烘干污泥的总量，然后计算其质量浓度，该方法的优点是测定程序简单，测定结果直观、准确；然而，根据相关规范中对于污泥恒重的详细要求及污泥质量浓度的实际测定经验[1-2]，污泥烘干过程至少需要3 h 才能完成，如若附加多组试验，相应的试验准备和数据处理均非常耗时，甚至往往需要一天时间才能够得到准确有效的污泥质量浓度测定结果。这对于及时获取并动态监管污水处理情况，采取有效预防或处理措施而言，是严重滞后的[3-4]；另外，污泥烘干过程还需消耗大量电能以达到污泥恒重标准要求。因此，高能耗、高耗时是重量法测定污泥质量浓度最为显著的缺点，也是亟需进行技术改进的方面。

对此，本文结合微波加热技术，使用光波水分测试仪，参考《GB/T 211—2007》中煤质全水分的分析方法，改进使用光波水分法以快速测定污泥质量浓度，设计试验提出并优化了光波水分测定仪在污泥质量浓度监测中的使用方法和检测流程，对相同试验材料，分别按传统重量法和光波水分法进行了污泥质量浓度测定试验，对比后认为本文提出的光波水分法有效解决了传统重量法高耗能、高耗时的问题，能够快速准确地获得污泥质量浓度以提高生产效率。

1 光波水分法原理及方法

光波水分法的核心是微波加热技术[5]。首先，将准备好的一定量试样置于微波炉内，进而控制炉内磁控管发射非电离微波，由此让试样内部均匀地受到微波辐射，从而使得试样中的极性水分子随微波电场方向的改变而产生超高速的振动，伴随着试样中分子间的快速摩擦作用，最终达到将试样中水分迅速蒸发的目的，后续可根据试样处理结果得到其烘干的质量及其损失计的水分质量。

可见，光波水分法的微波加热技术能够切合地应用到煤化工产业中对污泥质量浓度的测定试验中。但是，若要将光波水分法应用于污泥质量浓度测定，还需要对光波水分测定仪的一些参数是否在污泥质量浓度试验可行进行检查，具体如下：

1）光波水分测定仪自备万分之一天平，可达到污泥质量浓度测定精度的要求；

2）污泥本身为絮状物等，其粒径小于6 mm，满足光波水分测定仪试样粒径要求，污泥中水分可被完全烘干；

3）光波水分测定仪测定温度为107 ℃，该温度符合污泥质量浓度测定温度的105～110 ℃区间要求，且定量滤纸在该温度下不会达到燃点。

实际上，污泥质量浓度测定的核心在于测定污泥质量，其质量浓度的计算公式如式（1）所示，传统重量法的技术核心是通过电加热烘干后直接获取污泥质量，进而计算得到污泥质量浓度。结合上述光波水分法原理、特点，对比后可知两种方法的原理和方法其实是相同的，只不过对污泥试样的烘干方式不同，这就说明将污泥混合液作为试样，采用光波水分法得到试验前后质量分析计算污泥质量浓度，是科学有效的；另外，显而易见的是相较于传统重量法污泥混合液的过滤和烘干等工序，微波加热方法比传统电热烘干的效率要更高。

2 光波水分法测定流程及注意事项

2.1 试验流程

根据光波水分测定仪的使用方法，结合污泥质量浓度的测定原理，采用光波水分法进行试验的具体流程设计如下：

1）称量提前烘干至恒重的定量滤纸，记录其质量；

2）使用量筒量取摇匀的污泥混合液25～40 mL，记录混合液体积，并用已烘干至恒重的滤纸进行过滤，尽量使滤纸中的水分控干；

3）将步骤（2）中带有污泥的滤纸放入光波水分测试仪，按仪器说明书步骤操作，执行微波加热程序（约耗时40 min），最终得到烘干前后的试样质量分别为m1、m2；

4）根据试验记录的质量和体积数据，按式计算污泥质量浓度；

5）对同一试样重复试验，即重复试验步骤（1）-（4），汇总多组试验数据后准确分析污泥质量浓度计算结果。

2.2 注意事项

在具体的试验操作中，还有以下几点需要注意：

1）将污泥混合液过滤至定量滤纸上时，尽量使滤纸中的水分控干，以减小水分仪内万分之一天平称量时的误差，滤纸上水分蒸发易带来极小的称量误差。

2）可以使用医用手套直接接触滤纸，不必担心手套上沾有水分。

3）滤纸放入光波水分测定仪内坩埚时，最好将污泥折叠在滤纸内，以免污泥从滤纸表面被风吹落。

4）光波水分测定仪上显示的全水分结果（约80%～90%），为不准确结果，可以完全忽略，只需记录皮重和残重。

3 与传统重量法测定结果对比

为检验光波水分法在测定污泥质量浓度的准确性，分别使用传统重量法和光波水分法对不同日期SBR 池内的污泥质量浓度进行测定，试样周期为5天，试验次数共8 次。

使用不同方法对不同日期污泥质量浓度的测定结果如表1 所示，两种方法测定的污泥质量浓度的差值分别为：0.02、-0.03、-0.01、0.01、0、0、0.02、0 g·mL-1，差值的绝对值最大为0.03 g·mL-1，最小为0。可见，两种方法在8 次试验中的平均误差为0.001 25 g·mL-1，占比小于0.03%，说明光波水分法与传统测量法的测定结果基本一致，采用光波水分法进行污泥质量浓度的测定可靠且准确。

表1 不同方法下的污泥质量浓度测定结果

另外，在试验时还同时记录了采用不同方法测定每组污泥质量浓度所需的时间，如图1 所示；传统重量法的试验时间最长234 min，最短198 min，平均时长212 min，对应光波水分法的试验时间最长55 min，最短 min，平均时长51 min。可见，光波水分法分析时间缩短约为原来的1/4，相应计算得到试验能耗缩减为原来的1/5。

图1 不同方法测定污泥质量浓度所需实际时间

4 结 论

针对目前按传统重量法测定污泥质量浓度高能耗及高耗时的缺点，利用光波水分测定仪的技术特点，提出一种改进的污泥质量浓度测定方法——光波水分法。通过设计并完成一系列试验，将两种方法的测定结果对比，显示光波水分法的工作效率优秀，测定过程简单，测定结果可靠，同时能够有效降低测定能耗成本，为方便动态监管活性污泥法对工业污水的处理效果提供了更优的技术基础，值得行业内借鉴推广。