量熱儀測定污水廠污泥燃燒熱值的應用研究

王賢 楊海月 劉昆昆

[摘 ? ?要]焚燒法是當前污泥處理中常見的一種方式，即是將污泥中的水分進行處理，根據一定的熱值，可以實現污泥的減量化、資源化以及無害化的有效處理。本項目采用IKAC2000量熱儀，采用兩種測量模式進行燃燒熱測定，選用最優方法測定青島市18座污水處理廠脫水污泥的發熱量，為污泥焚燒可利用提供有力的支撐數據。

[關鍵詞]發熱量;量熱儀;燃燒熱

[中圖分類號]TE626.23 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–0–03

Application of Calorimeter in Determination of Combustion

Calorific Value of Sludge in Sewage Plant

Wang Xian，Yang Hai-yue，Liu Kun-kun

[Abstract]Incineration is a common method in the current sludge treatment， that is， the water in the sludge is treated. According to a certain calorific value， the sludge can be reduced， recycled and harmless. Effective deal with. This project uses the IKAC2000 calorimeter to measure the heat of combustion with two measurement modes， and selects the best method to measure the calorific value of dewatered sludge from 18 sewage treatment plants in Qingdao， providing powerful data for sludge incineration.

[Keywords]calorific value; calorimeter; combustion heat

近年來，各地大量新建污水處理廠，且產生了數量巨大的污泥。如何妥善處理這些污泥已成為世界各國學者共同關注的課題。近幾年，有關污泥的處理方法越來越多。例如，常見的有土地利用、堆肥法、衛生填埋及焚燒法等。但是結合污泥本身的特點，由于其中蘊含大量的有機物以及一定量的纖維素和木質素，為此，在處理的過程中，利用焚燒法的方式最佳，其可以將污泥中原本含有的成分較高的有機成分進行利用。通過對不同類型的污水廠中所蘊含的污泥樣本進行分析，無論是其氨氮或者cod等常規水質指標，均能發現其中有機物的含量較高。使用氧彈式熱量計能夠獲取污泥中發熱量相對準確的數值。國內外的研究者在進行污泥熱值的測量過程中，由于前處理方式以及添加助燃劑的方式存在一定的區別，處理的效果也有一定的區別。本文采用IKAC2000型量熱儀測定青島市18座污水處理廠脫水污泥的發熱量，為污泥焚燒可利用提供有力的支撐數據。

1 材料與方法

1.1 測量原理

本文在污泥處理的過程中所選擇的主要儀器為IKAC2000型量熱儀，該儀器是由德國公司所生產，其與傳統的氧彈式量熱計在使用時的基本原理相同，需要將測量的物質直接放入到氧彈中通過過量的氧氣，使得氣體中的物品完全燃燒，而其燃燒的熱效應會使得氧彈本身以及氧彈周圍的介質和量熱計有關的附件溫度漸漸升高。利用測量介質在燃燒前后所產生的溫度變化值，能夠根據溫度變化的值不同，直接測量出該介質的比熱，并且計算出物質的燃燒熱。在氧彈量熱計的熱容量處于相似條件下，其燃燒一定量的基準物為苯甲酸，可以根據該樣品在點燃前與點燃之后的熱系統內水產生的溫度差不同，對其進行點火或是對其進行附加熱，再進行較重之后，同樣可以得到試樣的彈筒發熱量。

1.2 樣品采集與預處理

本研究所用樣品主要采自青島市5個污水處理廠，包括團島污水處理廠、麥島污水處理廠等的污泥樣品。樣品用塑料密封袋采集2 h內送至實驗室對樣品進行預處理。

樣品前處理采用102 ℃烘箱烘干方法。根據學者研究能發現，基于熱力學變化這一視角下105℃能夠導致樣品做到充分揮發，并且充分地進行釋放，或者是讓藥品出現極為劇烈的化學反應，污泥的溫度在緩慢升高的過程中，其當溫度控制在100～150℃之間，幾乎沒有任何的重量損失，也就是說在150℃以下污泥在使用過程中，其揮發釋放的非常少，甚至說基本沒有釋放。基于此，在整個干燥過程中，其本身除了大量的水蒸氣被蒸發，污泥的成分基本上不會出現任何的改變。為此，在實驗開始之前，想要對樣品進行有效分析，并且提高分析的整體質量，需要將已經獲得的樣品直接倒入到蒸發皿或者是燒杯中，將其置于溫度為102～105℃的烘干箱內。將其烘干至恒重狀態，并且用研缽將已經烘干好的樣品研磨至細粉狀，其目的是為了保證樣品在使用時的均勻性以及后續樣品能夠實現完全燃燒，最后需要將研磨好的樣品直接放入到帶標簽的密封袋中，方便后續在干燥器內進行實驗操作，要求上述的實驗前處理步驟應在實驗當天開始操作。

1.3 試驗儀器、試劑以及控制條件

1.3.1 試驗儀器

量熱儀為IKAC2000型（德國IKA公司），冷卻水，電子天平，氧氣為純度99.9%。

1.3.2 標準試劑

苯甲酸（德國IKA公司）26457 J/g，點火棉線（德國IKA公司）50 J/根。

1.3.3 控制條件

量熱分析控制條件：充氧壓力3.0 MPa。

1.4 試驗步驟

首先，需要秤取一定含量的研磨試樣，應利用已知質量和單位重量的熱值擦鏡紙將研磨好的試樣包緊，并且放入到坩鍋內。利用擦鏡紙的目的是為了防止試樣在后續進行測量的過程中出現飛濺的情況。與此同時，由于擦鏡紙有較高的熱值，對不容易完全燃燒的污泥以及污水樣品而言，可以起到極為良好的助燃作用。量熱儀設為25 ℃快速測定模式和周邊等溫模式，進行自動測定。每個污水污泥樣品進行3次重復試驗。

1.5 質量控制

1.5.1 儀器的校正

IKAC2000量熱儀在使用時，其所測量的熱容量是影響到后續精度測量效果的最為重要的儀器之一，要求在使用該儀器前對儀器進行校正，而在每次校正過程中，當儀器達到穩定后，需要稱取重量為0.3 ～0.5 g的甲苯酸標樣放入到氧彈中，然后根據已經既定的儀器和工作條件對所有儀器進行校正，同時需要對平均數據進行5次的實驗，才能夠將該數據作為氧彈的熱容量。具體見表1。

本試驗對標準試劑苯甲酸進行了5次重復測試，測定結果的平均值為9277.5 J/K，平均相對誤差0.13%，變化范圍27.8 J/K，最大相對誤差0.3%;3次反標苯甲酸片結果為26477 J/g，ΔQ=20 J/g<50 J/g，滿足試驗測試要求。

2 結果與分析

2.1 樣品發熱量測定的結果

量熱儀設為25 ℃快速測定模式下，樣品3次平行測定結果如表2所示。圖1為兩種測量模式下污泥發熱量數據對比。

實驗表明，快速動態模式比周邊等溫模式測定污泥發熱量更快速，污泥燃燒更充分。選定快速動態模式作為測定污泥發熱量儀器參數，應用此方法能夠順利地測定污泥樣品的燃燒熱。

2.2 加標回收結果

在對LSH污水廠污泥樣品的測量中，由于已經知道該污泥樣品的發熱量。為此，需要按比例加入不等量的苯甲酸標準試劑，并且按照本文1.4所述的實驗方法進行再一次操作，在操作完成后，其實驗結果如表3所示。

應用此方法針對青島市12座污水處理廠中的脫水污泥的彈簡發熱量進行研究。數據如圖2所示。

3 結束語

綜上所述，本文通過大量的實驗分析后發現，在進行污泥樣品燃燒過程中，其燃燒熱以及污泥的發熱量由于不同地區之間的區別，具有極為明顯的地域差異。為此，受到污水污染情況的影響，特別是不同污染物的性質不同，其整體的污泥燃燒熱測定結果如上表二所見。通過大量的實踐數據表明，大多數情況下物理的燃燒熱值在10000 J/g左右，是一般煤的燃燒熱值（30000 J/g）的1/3。

參考文獻

[1] ZanoniA.E，MuellerD.L.Calorific value ofwastewater plant sludges.Joumal of the Environmental Engineering Division，1982，108（1）：187～195.

[2] 錢君律，甘禮華，李光明，等.上海城市污泥燃燒熱的測定.實驗室研究與探索，1999，（3）：49～51.

[3] Shizas L，Bagley D.M.Experimental de te m ination of energy content of unknown organics in mun ic ipal wastewater stream s.J.Energy Engineering，2004，130（2）：45～53.

[4] WertherJ.，Oganda T.Sewage sludge cambustion.Pogress in Energy and Cambustion Science，1999，25（1）：55～116.