基于微波技術的市政污泥含水率快速檢測裝置的研究

焦燕紅,鄧 龍,劉子娟,張 琰,饒賓期，朱建偉

(中國計量大學 機電工程學院,浙江 杭州,310018)

隨著社會經濟快速發展,污水處理的衍生物污泥也日益增多。污泥中含有大量的微生物(包括細菌、病毒)及各種有毒物質,如果不及時處理,會對環境造成極大的危害[1]。在社會資源利用的背景下,我國污泥處理的原則是實現污泥的減量化、穩定化、無害化和資源化處理,污泥達到一定的含水率標準才能進行堆放、填埋、焚燒等后續處置[2]。污泥性質復雜且機械脫水有極限[3-4],故要輔助干化處理來達到污泥處置的標準,在干化過程中,市政污泥會由表面松軟且光滑的泥狀逐漸變為泥層含水率分布不均且充滿孔隙的形狀,致使含水率檢測困難、精度低。而目前污泥含水率的檢測主要使用傳統重量法,耗時長,步驟繁瑣,很難實現污泥含水率的快速檢測。含水率測量法有直接法和間接法,直接法有重量法、卡爾費休法等,一般用于含水率檢測的標定;間接法有電阻法[5]、近紅外法[6-7]、低場核磁共振法[8]和微波法[9-11]等。電阻法是使用兩個金屬電極夾緊污泥,由于在烘干過程中污泥形狀多變,很難保證其準確度和穩定性,也有可能會腐蝕電極,降低儀器的使用壽命。近紅外法可實現樣品的非接觸測量,但穿透性較差,適合測量表面水分,但泥餅的各餅層含水率分布不均,降低了其測量分辨率。饒賓期[8]等使用低場核磁共振法通過測定污泥中氫元素的含量,計算得出污泥中水分含量,準確度較高,但儀器昂貴,對樣品要求嚴格,不適用于工業污泥含水率的檢測。據了解,目前芬蘭公司研制了基于微波諧振腔的污泥含水率在線快速檢測裝置,該裝置能實現含固率為0～50%的污泥,檢測精度較高,平均誤差在1.7%,但儀器昂貴,含水率檢測范圍較小。微波法具有穿透能力強,分辨率高等優點,適合進行污泥含水率的在線快速檢測?；谖勰嗟奶匦?本文選用微波透射法研制適合污泥含水率的檢測裝置,并建立污泥含水率的預測模型。

本文研究了基于微波法測量污泥含水率的原理,從原理上解釋了微波衰減和含水率以及電壓的關系,為后續設計含水率檢測系統提供了理論支持。使用矢量網絡分析儀和天線裝置的連接進行實驗,并針對實驗結果對天線裝置的使用范圍和檢測的污泥樣本提出了建議?；诔杀竞捅銛y性的考慮,本文依據微波透射原理設計了一套污泥含水率檢測裝置,包括硬件系統和軟件部分,并通過實驗進行驗證。

1 原理

被測物料在微波作用下會發生極化現象,而介電常數用于表征物料的極化特性。污泥是一種有損耗介質,故其復介電常數可表示為[12]

(1)

式(1)中:ε0表示真空中的介電常數,F/m;ε′是復介電常數的實部,表示在微波作用下物料被極化的能力,即物料的儲能特性;ε″是復介電常數的虛部,表示材料在微波作用下能量的損耗;tanδ=ε″/ε′是損耗角正切,表示物料介質在微波作用下損耗的大小程度。復介電常數主要取決于樣品的含水率、溫度及微波頻率。常溫下,微波頻率和水的介電常數的關系如圖1[13]。

圖1 介電常數隨頻率變化圖

由圖1可知,水的介電常數實部和虛部與頻率變化有顯著的關系,實部隨著頻率的增大一直呈現減小趨勢,虛部先增大后減小,在20 GHz左右達到最大值,隨后一直緩慢減小。微波頻率的增高會導致設備運行不穩定,造價升高,在微波頻率為10 GHz時,水分對微波的吸收能力較強。在此頻率下,水的介電常數為63,虛部為29,而干污泥的介電常數為4左右[14],兩者差異明顯,故可認為微波能量的衰減主要由污泥中的水分引起。

污泥的含水率是使用傳統重量法(GB 18918—2002)測定的，如下:

(2)

式(2)中:Mc是污泥的含水率，%；m1表示初始污泥的質量，g；m2為105 ℃下干燥24 h污泥的質量，g。

當微波穿透污泥時，其在自由空間中的傳播常數如下：

γ=α+jβ。

(3)

式(3)中:a表示衰減常數，dB/m;β為相移常數，rad/m;衰減常數a又可以表示為

(4)

式(4)中，λ0為自由空間中的波長，m。

微波穿透污泥時幅值衰減表示能量的損耗，微波透過污泥時的能量損耗可表示為[15]

P=P0e-αd。

(5)

式(5)中:P0為輸入功率;P表示透過污泥后的功率，W;d為污泥的厚度，mm。由衰減常數公式可知，使用微波透射法進行污泥含水率的檢測，要注意污泥的厚度和含水率對檢測精度的影響。微波衰減可表示為

(6)

式(6)中:A為微波衰減量;U0和U分別表示為微波穿透污泥前后的電壓值，V。由此可知，使用基于微波透射技術污泥含水率檢測時，可將微波穿透污泥時微波信號的變化量轉化為電壓信號的變化量。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

污泥取自浙江杭州七格污水處理廠,采用厭氧-缺氧-氧化工藝。這些污泥樣品先添加絮凝劑聚丙酰胺進行絮凝處理后再用帶式加壓過濾機進行預脫水,預脫水后污泥的含水率約為80%～85%,樣品放在4℃下的冰箱中,不超過3 d,以防止污泥的性質發生變化。其中污泥樣品是通過烘箱加熱污泥的時間控制污泥的含水率,干化污泥樣品含水率在0～70%。

2.2 實驗方法

如圖2所示的實驗操作平臺,實驗儀器由電烘箱、超高壓脫水裝置、矢量網絡分析儀(Agient N5230C)和一對喇叭天線組成。使用超高壓脫水裝置進行泥餅的制取,通過原泥質量和壓強控制污泥厚度,通過烘箱中對污泥樣品的烘干時間設置污泥含水率梯度。測量時,10 GHz的微波源從矢量網絡分析儀發出,經由50 Ω同軸線纜到達發射天線作用在污泥上,透射波由接收天線接收,再由另一端返回到矢量網絡分析儀,并解析透射系數S21參數。

圖2 實驗操作平臺

2.3 實驗測試

用大小分別為4 cm3、6 cm3、16 cm3的正方體模具對泥餅中心位置制取塊狀污泥樣品進行實驗測試,污泥厚度為10 mm左右。實驗檢測結果如圖3,從圖中可知,隨著污泥含水率的升高,透射系數S21幅值單調減小,近似為線性關系,這是因為隨著污泥含水率的升高污泥中水分含量增多,對微波的吸收量也就越多。但當16 cm3的塊狀污泥含水率超過60%左右時,幅值開始迅速減小,這是因為當污泥的含水量過高時,微波衰減過大,導致微波沒有穿透污泥;而4 cm3、6 cm3的塊狀污泥在含水率為60%以上時,并沒有出現這種現象,這是因為小體積的污泥含水量較少,對微波的衰減程度沒有大體積的強;4 cm3的塊狀污泥幅值隨含水率的升高變化趨勢不明顯,這是因為污泥體積較小,喇叭天線接收不到含水量的微小變化,導致含水率檢測裝置的測量分辨率較低。同時由圖3(a)和圖3(b)可知,在污泥使用機械脫水階段的施加壓力的大小,對含水率檢測的結果幾乎不產生影響。由以上分析可知,微波的衰減量與污泥的質量也存在一定的關系。

圖3 2 MPa、4 MPa下含水率與S21幅值關系圖

基于以上的含水率檢測結果及進行的大量實驗,對檢測的污泥樣品提出建議:當污泥厚度較厚時(6～15 mm),污泥的體積和其含水量要做合理的權衡;當污泥厚度較薄時(小于6 mm),污泥的含水量大小不做限制(污泥體積要小于喇叭天線口徑);同時,對污泥脫水階段施加的壓力不做限制。因此,可進一步研究污泥含水率和質量的關系。

3 污泥含水率檢測系統設計

雖然使用矢量網絡分析儀能實現污泥含水率的檢測,但矢網儀器昂貴,不便攜帶?；诤蕶z測系統成本和儀器便攜性的考慮,將不易測量的微波信號轉化為易測得的電壓值。該系統包括硬件和軟件兩部分。污泥含水率檢測系統框圖如圖4,測量時,由微波發生模塊產生10 GHz的微波,同時由可控的移動電壓源控制,使壓控振蕩器產生的工作頻率范圍為9～10.5 GHz,微波信號經同軸線纜和SMA頭連接器到發射天線并作用到污泥介質,接收天線接收到微波衰減信號量由檢波器進行解調后轉換為電壓信號,由單片機進行數據采集,并將采集到的數據通過串口通信傳輸到Labview界面顯示。

圖4 含水率檢測總體框圖

3.1 硬件設計

其中硬件平臺主要由移動電壓源、10 GHz的微波信號源(壓控振蕩器VCO)、檢波器、喇叭收發天線、數據采集模塊、載物平臺等組成。微波信號源可產生8～10.5 GHz、輸出功率為7 dBm的電磁波;為將不易測得的微波信號轉化為易于檢測的電壓信號,使用檢波電路對微波透過污泥后的衰減信號進行處理分析,并將轉換后的電壓信號傳送到主控電路將模擬量轉換為易于讀取的數字電壓。采用ADL5906為檢波電路芯片,可對10 MHz～10 GHz的微波進行直流轉換,將其供電電壓調到6.5 V。

3.2 軟件設計

軟件部分由STM32單片機自帶的AD采集、串口通信和Labview上位機界面顯示組成。選用STM32F103RC系列的單片機作為主控電路,實現電壓數據的采集以及信號的A/D轉換,并使用串口通信功能和電腦端編輯的Labview上位機程序進行連接,上位機界面可直接顯示電壓數值和含水率檢測結果。污泥含水率檢測系統如圖5,發射天線的一端通過SMA連接頭與壓控振蕩器VCO連接,同時VCO通過6.7 V電壓源使能,接收天線的另一耦合端口與檢波器連接,同時檢波器通過移動電源(調節到6.5 V)進行供電,檢波器和質量傳感器通過杜邦線連接到STM32單片機的引腳,最后使用USB連接器建立單片機和電腦的連接。打開電源和Labview前面板,點擊前面板的運行后再點擊“開始”按鈕,即可實現電壓的采集和污泥含水率檢測結果的顯示。

圖5 污泥含水率檢測系統

3.3 實驗測試

在多元線性回歸中,觀察到存在非線性現象,同時考慮到樣本的有限性和不可重復性以及制作過程的復雜性,污泥樣本為100個,選用支持向量機模型。將污泥的質量和電壓作為輸入,含水率作為輸出,并運用Python訓練數據,建立污泥含水率的預測模型。并將訓練好的模型封裝到Labview,此時單片機采集到電壓值和質量,即可在Labview前面板進行顯示。采用的最小二乘支持向量回歸,由J.A.K Suykens提出,避免了耗時的二次規劃問題,大大提高了求解精度。其中,最小二乘支持向量機基于核函數的估計函數如下:

(7)

式(7)中，x表示輸入數據，k(xi,yj)為核函數，b表示閾值。

將100個數據劃分為測試集和訓練集,本文使用的是基于RBF徑向基函數作為核函數,要先對數據進行標準化處理,避免量綱對計算結果產生影響。最小二乘支持向量機回歸模型中最重要的兩個參數為將數據映射到高維空間后的點的離散程度δ和對目標函數的兩個參數進行平衡的γ。根據交叉驗證的方法得出最優參數δ為1,γ為10。訓練完畢后,支持向量機模型的R2為0.996,均方根誤差為4.512%。

使用含水率為70%以下的污泥樣品,進行實驗測試。由圖6所示的預測值和實測值的對比曲線圖可知,實測值與預測值有很強的一致性,均方根誤差為1.1%,平均相對誤差為1.72%,所設計的污泥含水率檢測系統穩定可靠,預測誤差都在3%以下,在污泥含水率誤差允許范圍內(污泥含水率檢測誤差在5%以下是允許的)。

圖6 實測值與預測值對比曲線圖

4 結 論

本文所設計的基于微波透射法的污泥含水率檢測系統運行穩定,操作簡單,檢測速度較快,約為30 s左右,相較于傳統的污泥含水率檢測方法檢測效率提高很多。

經過實驗驗證,使用本文所設計的污泥含水率檢測裝置可檢測含水率范圍為20%～70%的污泥,且均方根誤差為1.1%,平均相對誤差為1.72%,相對誤差在都在4%以下,預測誤差都在3%以下,檢測精度較高,且對污泥脫水階段使用的壓力無關,提高了含水率檢測裝置的使用范圍,滿足工業中污泥含水率的檢測。

工業污泥處置過程中的污泥形態一般是條塊狀,可將此含水率檢測裝置和污泥干化裝置配合使用,實現污泥含水率的在線快速檢測。