文/Ulf Sengutta

利用實(shí)驗(yàn)室微波技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速、簡(jiǎn)單的活性污泥檢測(cè)分析 // 從環(huán)境保護(hù)的意義來(lái)講，污水凈化處理后的活性污泥檢驗(yàn)分析屬于實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)檢驗(yàn)分析任務(wù)之一。實(shí)驗(yàn)室要求快速、簡(jiǎn)單地完成活性污泥的檢驗(yàn)分析任務(wù)，但使用常規(guī)的檢測(cè)分析方法是根本做不到的，所以實(shí)驗(yàn)室急需一種既快捷又簡(jiǎn)單的方法來(lái)完成這一任務(wù)。

僅2016年，德國(guó)污水凈化處理廠中產(chǎn)生的活性污泥就有180萬(wàn)噸左右。其中約四分之一的活性污泥被用作農(nóng)業(yè)肥料。由于活性污泥中可能含有大量的重金屬和總磷，存在著污染地表水和地下水的風(fēng)險(xiǎn)，因此，將活性污泥直接用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的做法受到了社會(huì)的廣泛關(guān)注。那么，污水凈化處理后的活性污泥到底都含有哪些物質(zhì)？在污水凈化過(guò)程中分析檢測(cè)技術(shù)又扮演著什么樣的角色？活性污泥對(duì)環(huán)境有哪些危害？分析檢測(cè)技術(shù)又遇到了什么樣的挑戰(zhàn)？

圖1 Smart 6型微波水分固體物質(zhì)測(cè)量?jī)x。

污水處理廠污泥的定義：“污水凈化過(guò)程中產(chǎn)生的活性污泥，包括脫水或者干燥處理的活性污泥”?；钚晕勰嘀械母晌镔|(zhì)中包含了50%至70%的有機(jī)物質(zhì)。表示活性污泥特性的兩個(gè)基本指標(biāo)、參數(shù)就是含固率TS和有機(jī)干物質(zhì)含量oTS。

在污水凈化處理過(guò)程中要定期地監(jiān)測(cè)活性污泥中的TS和oTS。最初的活性污泥非常稀薄（TS只有大約3%），有許多方法可以使活性污泥變得更加濃稠，例如使用離心機(jī)、壓濾機(jī)、重力增稠機(jī)等等。一般情況下，利用這些機(jī)械設(shè)備時(shí)都要使用厭氧或好氧的沉淀劑和凝絮劑。這些輔助劑的投放量不是按照活性污泥的量來(lái)投放，而是按照其TS和oTS來(lái)投放的。另外，活性污泥的無(wú)害化處理方法可以使用焚燒法，在焚燒活性污泥時(shí)也需要控制TS。焚燒法是一個(gè)成本很高的方法，需要非常先進(jìn)的焚燒設(shè)備，設(shè)備在工作之前要先測(cè)定活性污泥中的TS和oTS，進(jìn)而確定需要設(shè)置多大的功率。根據(jù)活性污泥樣本中TS和oTS的大小對(duì)焚燒程度進(jìn)行控制，這就要求檢驗(yàn)分析技術(shù)不僅要快速而且要簡(jiǎn)單。

傳統(tǒng)的TS和oTS檢測(cè)方法

水、污水和活性污泥干燥程度和含固率（TS）的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)流程如下：

1.干燥取樣杯；

2.在干燥器中冷卻取樣杯；

3.稱量取樣杯中的樣本質(zhì)量，在干燥器中進(jìn)行冷卻、恒重；

4.再次稱量樣本重量，直至兩次稱量結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

oTS的測(cè)量方法與TS的測(cè)量方法非常類似，不同之處在于干燥方法的不同，測(cè)定oTS時(shí)的干燥方法不是在干燥器中，而是在馬弗爐中進(jìn)行干燥。無(wú)論是在干燥器中測(cè)量TS還是在傳統(tǒng)的馬弗爐中測(cè)定oTS，它們所消耗的時(shí)間和工作量都是非常大的。在馬弗爐中干燥以及灰化的時(shí)間常常需要幾個(gè)小時(shí)，再加上在干燥器中長(zhǎng)達(dá)一小時(shí)左右的冷卻時(shí)間，還需要恒重。這樣一來(lái)，當(dāng)天準(zhǔn)備的檢測(cè)樣本常常要到第二天才能進(jìn)行檢測(cè)。

圖2 Ph?nix馬弗爐在幾分鐘內(nèi)完成oTS有機(jī)干物質(zhì)含量的測(cè)定。

新的組合方式帶來(lái)了新的可能性

儀器設(shè)備制造商CEM公司面對(duì)上述問(wèn)題，利用Smart 6型微波水分固體物質(zhì)測(cè)量?jī)x（簡(jiǎn)稱“Smart 6”）和Ph?nix馬弗爐提供了一種新的解決方案。利用這一全新的儀器設(shè)備組合， 可以在幾分鐘內(nèi)完成活性污泥樣本的干燥和灰化?？焖俚玫綑z測(cè)結(jié)果，可以根據(jù)檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)控制活性污泥焚燒設(shè)備。

活性污泥被吸取到處理樣本的容器中，并放置到安裝有微波爐的分析天平上，參見(jiàn)圖1。傳感器調(diào)節(jié)著微波輻射的加熱程度，防止樣本分解。分析天平不斷地稱量著被測(cè)樣本的質(zhì)量，樣品的干燥在幾分鐘時(shí)間內(nèi)（通常為2分鐘）就能保持重量恒定。干燥過(guò)程中產(chǎn)生的水蒸氣由通風(fēng)換氣系統(tǒng)抽出樣本檢測(cè)室。

利用高自動(dòng)化程度的Smart 6可以大大的降低出現(xiàn)誤測(cè)的可能性，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確度。用戶只需將被測(cè)樣本放入樣本容器中，然后按下干燥啟動(dòng)按鈕就可以了，Smart 6就開(kāi)始自動(dòng)地稱量樣本重量、干燥，并在干燥過(guò)程中連續(xù)稱重、反饋稱重結(jié)果，以最快的速度確定檢測(cè)終點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果通過(guò)內(nèi)置的顯示屏、通訊接口和打印機(jī)給出，另外，也可以將條碼識(shí)讀器連接到Smart 6上。使用Smart 6進(jìn)行檢測(cè)還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是避免發(fā)生事故。被測(cè)樣本在樣本容器中干燥后仍然是冷的，不會(huì)發(fā)生燙傷事故。Smart 6的稱重室是嚴(yán)格密封的，防塵、防潮，而且Smart 6可以安裝在污水凈化處理廠的任何一個(gè)地點(diǎn)，完全不用擔(dān)心周圍環(huán)境的影響，這對(duì)工作環(huán)境惡劣的污水凈化處理廠來(lái)講是再合適不過(guò)的了。

可過(guò)濾物質(zhì)的測(cè)定

Smart 6的軟件還可以測(cè)量溶解的和懸浮固體物總量（TSS）的測(cè)量。在測(cè)定TSS時(shí)，將一定容積（例如1L）的液體樣本進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾出來(lái)的物質(zhì)在Smart 6中干燥兩分鐘。干燥結(jié)束時(shí)，Smart 6的控制軟件就會(huì)根據(jù)測(cè)定的固體物質(zhì)含量和使用的液體體積計(jì)算出相應(yīng)的TSS值。

圖3 Smart 6與NMR模塊配套使用完成脂肪、油和親脂性物質(zhì)的測(cè)定。

oTS有機(jī)干物質(zhì)含量的測(cè)定

oTS有機(jī)干物質(zhì)的測(cè)定使用了全球最快的Ph?nix馬弗爐，參見(jiàn)圖2。傳統(tǒng)的馬弗爐耗能大，灰化時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)，在加上干燥器中冷卻的時(shí)間，核算下來(lái)少說(shuō)也需要半天的時(shí)間。與傳統(tǒng)自帶加熱絲的馬弗爐相比較，Ph?nix馬弗爐最大的優(yōu)點(diǎn)就用時(shí)較短，可以在幾分鐘內(nèi)達(dá)到設(shè)定的溫度。Ph?nix馬弗爐的加熱元器件小、爐腔內(nèi)的熱輻射能量吸收快，當(dāng)出現(xiàn)溫度波動(dòng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)快速的調(diào)節(jié)，幾秒鐘就可以達(dá)到設(shè)定的溫度，例如打開(kāi)馬弗爐爐門(mén)、放入被測(cè)樣本等。

強(qiáng)大通風(fēng)換氣系統(tǒng)使得活性污泥樣本能夠通過(guò)隔熱陶瓷快速的燃燒、灰化，并確保整個(gè)系統(tǒng)有著良好的通風(fēng)換氣效果。通風(fēng)換氣的排氣管直接與馬弗爐相連接，保證了儀器設(shè)備本身和周邊不會(huì)有污垢沉積，也保護(hù)了室內(nèi)空氣和操作者，免受有害氣體的侵襲，省去了現(xiàn)場(chǎng)安全通風(fēng)設(shè)備的費(fèi)用。

活性污泥樣本在Ph?nix馬弗爐中全部灰化只需五分鐘時(shí)間。然后從馬弗爐中取出Ph?nix專用坩堝以及坩堝中活性污泥灰化的殘?jiān)?，?0秒中時(shí)間內(nèi)完成灰化殘?jiān)睦鋮s，CEM公司生產(chǎn)制造的這種專用坩堝能夠在幾秒鐘內(nèi)冷卻下來(lái)，同時(shí)也不吸收水分、潮氣，由此將坩堝移至干燥器中的工作就多余了。整個(gè)稱重過(guò)程和oTS有機(jī)干物質(zhì)含量的換算只需不到十分鐘的時(shí)間就能完成了。

親脂性物質(zhì)的測(cè)定

Smart 6可以與NMR模塊配套使用。這樣的儀器設(shè)備組合被稱之為Smart Trac II組合，參見(jiàn)圖3，可以在8秒鐘的時(shí)間內(nèi)完成活性污泥中的脂肪、油和親脂性物質(zhì)含量的測(cè)定。除了檢測(cè)時(shí)間短這一優(yōu)勢(shì)之外，這種儀器設(shè)備組合比傳統(tǒng)的萃取方法更加簡(jiǎn)單、環(huán)保。這一測(cè)量方法可以廣泛地使用在日常的常規(guī)分析實(shí)驗(yàn)中。