城鎮(zhèn)污泥樣品的制備及前處理技術(shù)研究現(xiàn)狀

(青島市城市排水監(jiān)測(cè)站 國(guó)家城市排水監(jiān)測(cè)網(wǎng)青島監(jiān)測(cè)站，山東 青島 266002)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，城市污水處理量大幅增加，污水處理廠產(chǎn)生的污泥也隨之增長(zhǎng)。由于污水廠污泥產(chǎn)量增長(zhǎng)迅速、成分復(fù)雜等特點(diǎn)，若處理不當(dāng)，不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，同時(shí)也是對(duì)污泥中所含營(yíng)養(yǎng)資源的一種浪費(fèi)[1]。隨著近年來(lái)技術(shù)的進(jìn)步，污泥不再是經(jīng)簡(jiǎn)單處理后被丟棄的無(wú)用廢物，而是通過(guò)多種方式進(jìn)行處理后成為可循環(huán)利用的資源。而準(zhǔn)確可靠的分析測(cè)試數(shù)據(jù)是污泥的處理處置及其無(wú)害化和作為再生資源有效利用的基礎(chǔ)，因此，對(duì)于污泥中各種物質(zhì)含量的分析和研究亦顯得尤為重要。而污泥樣品的制備及前處理對(duì)分析檢測(cè)來(lái)說(shuō)非常重要，這是因?yàn)闃悠返闹苽浼扒疤幚聿粌H耗費(fèi)整個(gè)分析過(guò)程的60%以上的時(shí)間，而且主要的分析誤差也來(lái)自樣品制備及前處理環(huán)節(jié)。所以，污泥樣品的制備及前處理技術(shù)的選擇是準(zhǔn)確測(cè)定污泥中各種物質(zhì)含量的基礎(chǔ)[2]。

1 污泥樣品采集與制備

1.1 污泥樣品采集

1.1.1 城市污水處理廠的脫水污泥樣品

按照 HJ/T 166[3]的相關(guān)要求采集和保存，選取當(dāng)天新鮮污泥，采用多點(diǎn)取樣，樣品應(yīng)有代表性，樣品重量不小于1kg。

1.1.2 城市污水處理廠的生化系統(tǒng)污泥混合液

按照 HJ 494[4]、HJ 493[5]的相關(guān)要求采集和保存，應(yīng)于固定時(shí)間在生化系統(tǒng)反應(yīng)池的末端，水面下 1 ～ 1.5 m 處采集污泥混合液，并盡快檢測(cè)。

1.2 污泥樣品制備[6]

1.2.1 采集后立即分析的樣品的制備

待測(cè)組分如為易揮發(fā)或易發(fā)生各種變化的物質(zhì)(如氰化物、揮發(fā)酚及其它有機(jī)污染物)是不能用自然風(fēng)干的方法來(lái)脫水和制樣的。樣品采集后要立即取樣進(jìn)行分析。

1.2.2 采集后需要脫水的樣品的制備

1.2.2.1 采集來(lái)的污泥樣品中含有大量水分，不可置于日光下暴曬，以防止待測(cè)組分發(fā)生變化。應(yīng)采用下列方法除去。

真空冷凍干燥：在低溫冷凍不斷抽真空的條件下使樣品脫水，即保持了樣品的穩(wěn)定又去除了樣品的水分，適用于各種類型樣品。

自然風(fēng)干：對(duì)于待測(cè)組分較穩(wěn)定的樣品應(yīng)采用自然風(fēng)干的方法進(jìn)行脫水。自然風(fēng)干是我們制備污泥樣品最主要最常用的手段，及時(shí)將泥樣風(fēng)干可以抑制微生物的活動(dòng)和化學(xué)變化，便于長(zhǎng)期保存，所得分析結(jié)果也較穩(wěn)定。

1.2.2.2 污泥的粉碎

經(jīng)破碎和研磨以減小樣品的粒度。將脫水后的污泥樣品，剔除大小礫石和雜物，置于瓷研缽或瑪瑙研缽中研磨。

1.2.2.3 過(guò)篩

使樣品保證95% 以上處于某一粒度范圍。將經(jīng)過(guò)粗磨和細(xì)磨的樣品全部過(guò)合適目數(shù)尼龍篩，直至篩上物不含泥樣，棄去篩上雜物。

1.2.2.4 混勻和縮分

將過(guò)篩后的樣品全部置于方形無(wú)色聚乙烯薄膜上用掀角法充分混勻，使樣品達(dá)到均勻。

采用四分法進(jìn)行縮分樣品，重復(fù)操作數(shù)次，直至該粒度對(duì)應(yīng)的最小樣品量。

2 污泥樣品的前處理技術(shù)

2.1 污泥樣品前處理技術(shù)的內(nèi)容

樣品前處理技術(shù)廣義的來(lái)講就是在樣品進(jìn)行測(cè)定之前采用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)樣品進(jìn)行化學(xué)處理，將測(cè)定組分從檢測(cè)樣品中提出，并且對(duì)待測(cè)組分進(jìn)行提取、凈化與濃縮，排除檢測(cè)組分受到其他共存組分的干擾，讓樣品轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)定的形式，并進(jìn)一步進(jìn)行化學(xué)定性或定量分析[7]。

2.2 污泥樣品前處理技術(shù)的目的及重要性

污泥樣品處理的目的就是將微量或痕量的欲測(cè)組分富集，去除干擾欲測(cè)組分的物質(zhì)，或者是將無(wú)法被儀器分析的欲測(cè)組分轉(zhuǎn)化成可被儀器分析的物質(zhì)。

污泥樣品的前處理過(guò)程是分析數(shù)據(jù)正確與否的關(guān)鍵,它在整個(gè)分析過(guò)程中占用的時(shí)間和精力最多，前處理程度決定分析樣品能否滿足所用分析儀器的要求，因此它直接影響分析結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性[7]。

2.3 污泥樣品前處理技術(shù)應(yīng)遵循的原則

在分解試樣的過(guò)程中，應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：(1)試樣的分解必須完全，如果試樣的分解不完全，所測(cè)元素的含量將低于實(shí)際含量。(2)要根據(jù)待測(cè)組分的性質(zhì)選擇合適的分解辦法，比如容易揮發(fā)的元素就不能高溫分解，避免使待測(cè)組分含量低于實(shí)際含量。(3)分解的過(guò)程也要小心不能外濺造成損失，使待測(cè)組分含量低于實(shí)際含量。(4)不能引入待測(cè)組分，使待測(cè)組分含量高于實(shí)際含量，比如應(yīng)先處理含量低的試樣再處理含量高的試樣，低含量與高含量的試樣盡量分開(kāi)處理，避免交叉污染。(5)不能引入干擾物質(zhì)，避免影響后續(xù)的測(cè)定[8]。

4 污泥樣品前處理的常用技術(shù)

4.1 蒸餾

利用待測(cè)組分與干擾組分的沸點(diǎn)不同而進(jìn)行分離，亦可同時(shí)進(jìn)行富集。可分為簡(jiǎn)單蒸餾、分餾(精餾)、減壓蒸餾和水汽蒸餾等[2]。此消解方法主要用于污泥中脂肪酸、揮發(fā)酚、總氰化物的分析。

4.2 酸溶、堿溶和熔融

利用酸溶、堿溶或熔融的方法，將固體樣品或灰化和消解后的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為溶液，以便儀器分析或進(jìn)行下一步的處理。此消解方法主要用于污泥中總氮、總磷的分析。

4.3 絡(luò)合

在強(qiáng)堿或強(qiáng)酸性條件下，難溶于水和不溶于水的待測(cè)物質(zhì)能與無(wú)機(jī)鹽絡(luò)合成易溶于水的鹽類，將待測(cè)物質(zhì)提取到溶液中。調(diào)節(jié)溶液的pH，使待測(cè)物以沉淀的形式分離出來(lái)。最后用儀器法測(cè)定待測(cè)物質(zhì)。此消解方法主要用于污泥中胡敏酸、富里酸的分析。

4.4 萃取

將樣品中欲測(cè)組分抽提到另一相中，使其與干擾組分分離，并可同時(shí)進(jìn)行富集。可分為液相萃取-將固體、液體或氣體樣品中欲測(cè)組分抽提到溶劑中；固相萃取-將液體或氣體樣品中欲測(cè)組分吸附在固體上；氣相萃取(頂空技術(shù))-將固體或液體樣品中欲測(cè)組分抽提到氣體中；超臨界流體萃取-將固體樣品中欲測(cè)組分抽提到超臨界流體中。此消解方法主要用于污泥中油類物質(zhì)的分析。

4.5 微波消解法

微波消解法結(jié)合了高壓消解和微波快速加熱兩方面的性能，是近年來(lái)產(chǎn)生的一種嶄新的、有前途的樣品處理技術(shù)。其原理是在微波磁場(chǎng)中，被消解樣品極性分子快速轉(zhuǎn)動(dòng)和定向排列從而產(chǎn)生振動(dòng)，通過(guò)在試樣中加入適量的消解液 ( 各種酸、部分堿液以及鹽類) ，利用高溫增壓條件激化化學(xué)物質(zhì)，加強(qiáng)氧化劑的氧化能力使樣品表層擾動(dòng)破裂，并不斷產(chǎn)生新的表面與試劑接觸，加速了樣品的消解，從而使樣品在短暫的時(shí)間內(nèi)被消解，使待測(cè)元素以離子的狀態(tài)存在于試液中[9]。此消解方法主要用于污泥中金屬元素的分析。

4.6 索氏提取

索氏提取是從固體物質(zhì)中萃取化合物的一種方法。索氏抽提過(guò)程能夠保證樣品機(jī)體與萃取溶劑完全接觸。固體樣品與無(wú)水硫酸鈉混合，放入專用套筒中，加入適當(dāng)?shù)娜軇?如丙酮-正己烷混合溶劑、二氯甲烷-丙酮混合溶劑、二氯甲烷、甲苯-甲醇混合溶劑等)，在索氏提取器中完成索氏提取[10-11]。此方法主要用于萃取污泥中的非揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)化合物。

4.7 固相萃取

固相萃取(solid phase extraction，SPE)是近年發(fā)展起來(lái)的一種樣品預(yù)處理技術(shù)，由液固萃取和柱液相色譜技術(shù)相結(jié)合發(fā)展而來(lái)，與傳統(tǒng)的液液萃取法相比較SPE具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)分析物的高回收率；(2)更有效的將分析物與干擾組分分離；(3)不需要使用超純?nèi)軇袡C(jī)溶劑的低消耗減少對(duì)環(huán)境的污染；(4)能處理小體積試樣；(5)無(wú)相分離操作，容易收集分析物級(jí)分；(6)操作簡(jiǎn)單、省時(shí)、省力、易于自動(dòng)化[12]。此方法主要用于污泥中有機(jī)物的分析。

5 污泥樣品前處理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

前處理技術(shù)是保證污泥樣品檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性、可靠性的重要基礎(chǔ)。但是，由于城鎮(zhèn)污泥基質(zhì)復(fù)雜，且各物質(zhì)的含量較高，因此污泥樣品的前處理技術(shù)多采用傳統(tǒng)的前處理方法。但是，快速化、自動(dòng)化、簡(jiǎn)便易用是當(dāng)前樣品前處理方法的發(fā)展基調(diào)和主要方向。因此，污泥樣品前處理技術(shù)的研究探索顯得尤為重要。污泥樣品前處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將側(cè)重以下幾方面：

(1)研究新型的、多元化的污泥樣品前處理方法。因?yàn)槌擎?zhèn)污泥基質(zhì)復(fù)雜，干擾成分多，測(cè)定結(jié)果要求高，所以必須采用多元化前處理方法與技術(shù)才能妥善解決這些問(wèn)題。

(2)研究和探索快速、高效的前處理方法是目前亟待解決的問(wèn)題。

(3)自動(dòng)化與智能化樣品預(yù)處理技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。