1、污水處理過程的監(jiān)視與控制系統(tǒng)

由模型、傳感器、局部調(diào)節(jié)器和上位監(jiān)控策略等4個(gè)部分組成。其中，傳感器是污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)中最薄弱，也是最重要、最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。日益嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致了污水處理工藝流程和裝備的復(fù)雜化，對用于污水處理過程監(jiān)視與控制的傳感器的性能也提出了更高的要求，促進(jìn)了污水處理領(lǐng)域傳感器技術(shù)的發(fā)展，一些適用于污水處理過程的新型傳感器相繼問世。污水處理過程是復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，所涉及的儀器儀表種類繁多，多數(shù)傳感器是污水處理過程所特有的，分別應(yīng)用于不同的場合，反映一個(gè)或多個(gè)特定變量的狀態(tài)信息變化。

污水處理工藝一般由機(jī)械處理、生化處理和化學(xué)處理構(gòu)成，其中涉及液相、固相、氣相三種物質(zhì)成分。監(jiān)視這些相態(tài)的儀表可以簡單地分為通用型和特殊性兩大類。

2、污水處理過程的通用儀表

通用測量儀表包括溫度、壓力、液位、流量、pH值、電導(dǎo)率、懸浮固體等傳感器。

①厭氧消化過程由于常常實(shí)施溫度控制，溫度傳感器顯得更加重要。典型的溫度測量元件是熱電阻

②壓力測量值常常用作曝氣和厭氧消化過程的報(bào)警參數(shù)。

③液位測量用于水位監(jiān)視，通常采用浮標(biāo)、差壓變送器、容量測量、超聲水位檢測等方法測量。

④流量監(jiān)測儀表主要有堪板、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦輪式流量計(jì)、靶式計(jì)量槽、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。

⑤pH值是生化過程中的一個(gè)重要變量，更是厭氧消化和硝化過程的關(guān)鍵值，通常在污水處理廠都安裝有pH電極浸人污泥中，通過不同的清潔策略可以實(shí)現(xiàn)長期免維護(hù)。對于具有高度緩沖能力的廢水，pH值測量對過程變化可能不敏感，因此不適合于過程監(jiān)督與控制，這種情況可以用碳酸鹽測量系統(tǒng)代替。

⑥電導(dǎo)率傳感器用于監(jiān)視進(jìn)水成分的變化，同時(shí)也是化學(xué)除磷控制策略的基礎(chǔ)。

⑦傳統(tǒng)的生物量測量是根據(jù)懸浮粒子對入射光的散射及吸光度進(jìn)行估計(jì)。隨著靈敏的光檢測儀的出現(xiàn)，能夠自動進(jìn)行光效應(yīng)測量的傳感器得以問世。大多數(shù)商業(yè)傳感器使用了一個(gè)發(fā)射低可視光或紅外光的光源，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)大多數(shù)介質(zhì)表現(xiàn)低吸光度。生物量濃度也可根據(jù)超聲波在懸浮物和微生物之間游離溶液的速度差確定。

3、厭氧消化過程中的傳感器

生物氣流量的測量在厭氧消化過程中得到廣泛采用，它可以表示反應(yīng)器的總體活性。近年來一些專用技術(shù)被用來監(jiān)視氣體成分。典型的實(shí)驗(yàn)室方法是洗瓶分離方法，根據(jù)進(jìn)瓶前和出瓶后的流量比可以確定氣體成分。例如，堿洗瓶將能夠收集所有的C02、H2S而允許CH4通過。更專業(yè)的氣體分析儀可以直接監(jiān)視氣體成分含量，如紅外吸收測量儀用來確定C02和CH4含量，專用氫分析儀也已基于化學(xué)電源研制而成。氣相H2S測量儀可以通過監(jiān)視硫化物對鉛剝離的反應(yīng)來確定H2S含量。

基于氣體分析的監(jiān)視系統(tǒng)的主要問題是不能直接預(yù)測液相中相應(yīng)氣體的濃度。可以直接測量溶解氫的浸入式傳感器已經(jīng)研制成功。燃料電池是此種傳感器的核心。H2S和CH4的直接測量儀器至今未見報(bào)道。

pH測量不容易對不平衡厭氧消化槽進(jìn)行檢測，特別是當(dāng)混合液的堿度高時(shí)。這種情況下可對混合液體中C02和碳酸鹽進(jìn)行測量。堿度主要取決于碳酸鹽緩沖物，因此常常被用于厭氧消化的控制策略中。碳酸鹽監(jiān)視器已被開發(fā)應(yīng)用于實(shí)際厭氧消化過程。

估計(jì)碳酸鹽堿度的基本原理有兩個(gè)。其一為滴定法，先進(jìn)的在線滴定傳感器可以同時(shí)監(jiān)視氨、碳酸鹽等不同的成分。對堿度進(jìn)行在線確定的另一方法基于對樣品酸化而得到的氣態(tài)C02的定量。可以采用氣體流量計(jì)測量所產(chǎn)生的氣體的體積。

所有的生物活性都可用熱量的產(chǎn)生來表征。通過熱量計(jì)對熱量的測量可以直接洞察生物過程變化。污水處理過程首選的是流量熱量計(jì)。

揮發(fā)性脂肪酸(VFA)是厭氧消化過程最重要的中間產(chǎn)物。他們的聚集會引起pH值的降低而導(dǎo)致過程厭氧消化過程的失敗。通常通過VFA濃度監(jiān)視作為過程性能指示，但很少實(shí)施在線傳感器。最先進(jìn)的測量儀器包括氣相色譜儀或高壓液相色譜儀。傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR)作為在線多參數(shù)傳感器可以同時(shí)提供COD、TOC、VFA等參數(shù)的測量。FT-IR不需要添加任何化學(xué)品，且只需要很少的維護(hù)，但其校準(zhǔn)比較困難。更具可靠性的測量是采用滴定計(jì)通過兩步滴定或滴定反滴定提供采樣中的VFA含量。

生物傳感器近年來在污水處理行業(yè)得到發(fā)展應(yīng)用。VFA分析儀可以決定消化液體中VFA濃度；MAIA生物傳感器可對代謝活性進(jìn)行測量；RANTOX生物傳感器用于檢測即將來臨的有機(jī)物過載及毒性負(fù)載。

4、活性污泥過程中的傳感器

氧在活性污泥過程中起著非常重要的作用，且相關(guān)的曝氣費(fèi)用約占全部運(yùn)行費(fèi)用的40%,因此氧傳感器成為廢水處理廠最廣泛的測量監(jiān)視儀表。氧測量基于液體中擴(kuò)散氧的電化學(xué)反應(yīng)。溶解氧(DO)傳感器是可靠準(zhǔn)確的測量儀表，但必須謹(jǐn)慎選擇合適的測量位置，并防止結(jié)垢。目前自動清潔系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)普遍，一些裝備清潔系統(tǒng)并可進(jìn)行自校準(zhǔn)的溶解氧傳感器已有應(yīng)用。DO傳感器被廣泛用于曝氣過程的控制，節(jié)省了大量投資，所獲得的信息也可用于監(jiān)視任何活性污泥處理過程。

呼吸量是對活性污泥呼吸速率的測量與解釋，定義為在單位時(shí)間內(nèi)單位體積活性污泥中微生物所消耗的氧。它是表征廢水和污泥動力學(xué)的常用工具。呼吸計(jì)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)反應(yīng)器，測量結(jié)果易受實(shí)驗(yàn)條件變動的影響。

廢水的生物可降解成分通過離線測量生物需氧量(BOD5)的標(biāo)準(zhǔn)方法獲得。BOD5是5天內(nèi)有機(jī)溶質(zhì)生物氧化所需溶解氧量。BOD5實(shí)驗(yàn)不適于自動監(jiān)視和控制，因?yàn)橥瓿蓪?shí)驗(yàn)需要較長時(shí)間，且很難達(dá)到一致的準(zhǔn)確測量。廢水負(fù)載的在線測量根據(jù)短期BOD估計(jì)實(shí)現(xiàn)。目前使用的在線BODst方法有兩種：呼吸測量儀和微生物傳感器。Vanrolleghem等提出的呼吸測量傳感器RODTOX能夠監(jiān)視BODst和廢水潛在毒性。該傳感器有由一個(gè)恒定曝氣、完全混合的批反應(yīng)器構(gòu)成，內(nèi)含10升污泥，可以得到大動態(tài)范圍內(nèi)BODs。微生物傳感器由固化電池、薄膜和一個(gè)溶解氧探測儀組成，最適合包含多種微生物的活性污泥系統(tǒng)。為了維護(hù)其功效，微生物BOD傳感器需要精心維護(hù)與儲藏。大多數(shù)微生物BOD傳感器壽命較短，從幾天到幾個(gè)月。同時(shí)可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。

廢水處理廠最廣泛監(jiān)視的變量是化學(xué)需氧量COD。COD自動監(jiān)測儀可以每隔1~2小時(shí)進(jìn)行一次自動監(jiān)測，根據(jù)氧化分解的條件分為酸性法監(jiān)測儀和堿性法監(jiān)測儀。COD實(shí)驗(yàn)的主要限制是不能區(qū)分可生物降解和惰性有機(jī)物。

TOC表示污水中總有機(jī)碳的含量，也是表征水體受有機(jī)物污染程度的一個(gè)指標(biāo)。TOC測量的主要原理是將有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為C02,隨后在氣相中測量這種產(chǎn)物，據(jù)此求出水相中有機(jī)碳濃度。典型的測量儀器是紅外線抽氣分析儀。TOC被認(rèn)為是一個(gè)很好的監(jiān)視參數(shù)，特別是監(jiān)視排水質(zhì)量。

許多廢水成分吸收紫外光。紫外線的吸收與廢水中的有機(jī)物有著密切的關(guān)系。紫外線吸光度自動監(jiān)測儀引人廢水處理系統(tǒng)用于檢測水污染程度或評價(jià)排放質(zhì)量。最近10年，光學(xué)技術(shù)取得顯著進(jìn)步，使遠(yuǎn)程與多點(diǎn)測量成為可能，大大方便了污水處理過程監(jiān)視的實(shí)施。紅外光譜測量對于TOC、COD、BOD等特殊參數(shù)的估計(jì)與在線監(jiān)視具有很大潛力。紅外光譜儀的主要缺點(diǎn)是光電池成分的結(jié)垢會引起靈敏度的降低，需要頻繁重校。

5、營養(yǎng)物脫除過程的傳感器

營養(yǎng)物脫除系統(tǒng)的目的是通過生物、化學(xué)或組合處理方式去除廢水中的氮和磷。目前的主流方法是生物脫氮除磷。富氧條件下，廢水中的氨被氧化為硝酸鹽(硝化過程),積磷菌吸收廢水中的磷以聚磷形式儲于體內(nèi)(吸磷)；缺氧條件下，廢水中的硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀懦?反硝化)；厭氧條件下，聚磷分解釋放無機(jī)磷至污泥中(釋磷)。為了保證儀器的滿意運(yùn)行，大多數(shù)商業(yè)測量系統(tǒng)仍要求使用經(jīng)過預(yù)處理的樣品。超濾單元(UF)常被用于實(shí)現(xiàn)采樣預(yù)處理。根據(jù)隔膜技術(shù)建立的半微量連續(xù)流量分析系統(tǒng)原理被廣泛應(yīng)用到氨、硝酸鹽、磷等營養(yǎng)物傳感器，這些傳感器均基于色度法，可以進(jìn)行自動校準(zhǔn)。這類傳感器的缺點(diǎn)是不能將多個(gè)測量點(diǎn)連接到一個(gè)測量設(shè)備，而UF單元允許連接到不同采樣點(diǎn)的多個(gè)并行UF單元使用一塊表。由于已經(jīng)出現(xiàn)了可靠的采樣準(zhǔn)備單元，大量的努力投入典型實(shí)驗(yàn)方法在污水處理廠的自動在線應(yīng)用中。目前存在三種實(shí)施方案:批樣化學(xué)分析、基于流量注入分析(HA)原理的連續(xù)直通系統(tǒng)、序列注入分析(SIA)。FIA是最普遍選擇的在線測量方式，其主要特點(diǎn)是分析反應(yīng)無需達(dá)到平衡，因?yàn)闃悠返南♂尲白⑷肱c檢測的反應(yīng)時(shí)間在恒定載體流速下可以再生，但泵的選擇須謹(jǐn)慎。SIA是HA的改進(jìn)，其主要特點(diǎn)是用一個(gè)多位置閥替代了FIA的多管線。SIA提高了測量的靈活性。SIA和FIA系統(tǒng)與批系統(tǒng)相比具有樣品小、試劑低度利用和高采樣吞吐量的優(yōu)點(diǎn)。色度法NH4+分析儀試劑消耗量較大，且對采樣溫度變化較敏感。色度法自動正磷酸鹽分析儀的準(zhǔn)確性已經(jīng)被證明，但其運(yùn)行代價(jià)較高。

ORP(氧化還原電位)電極可以普遍用于指示被監(jiān)視系統(tǒng)的氧化狀態(tài)。與DO電極相比,ORP電極還可以提供出現(xiàn)在缺氧和厭氧條件下的生化過程信息。從技術(shù)角度講,ORP測量可認(rèn)為是準(zhǔn)確且不存在問題的，但不應(yīng)根據(jù)絕對ORP值對過程進(jìn)行控制。可以根據(jù)ORP曲線上的斷點(diǎn)或拐點(diǎn)解釋ORP測量值。拐點(diǎn)可以表征氧化還原緩沖系統(tǒng)的出現(xiàn)或消失，可以與酸滴定中的pH緩沖系統(tǒng)相比。最著名的ORP斷點(diǎn)是DO斷點(diǎn)和NO3-斷點(diǎn)。DO斷點(diǎn)意味著富氧階段NH4+的消失(硝化終點(diǎn)),而NO3-斷點(diǎn)意味著缺氧過程N(yùn)O3-的消失(反硝化終點(diǎn))。

大量離子選擇性電極(ISE)利用電化學(xué)反應(yīng)監(jiān)視NH4+、NO3-、S2-等特定化學(xué)成分。硝酸鹽ISE具有低化學(xué)品消耗、無需或只需少量預(yù)處理、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。但系統(tǒng)對電極污染、電極漂移、離子干擾等較敏感。但硝酸鹽探測儀的電極漂移現(xiàn)象可以通過實(shí)施自動現(xiàn)場校準(zhǔn)方法克服。NH4+ISE是測量NH4+的首選方法，有限的運(yùn)行問題與堵塞、電極漂移、電極的氫氧化物毒化、電極末端氣泡駐留等有關(guān)。

可以利用硝酸鹽在210nm處對紫外線(UV)的吸收來確定硝酸鹽含量。紫外線吸收硝酸鹽分析儀的優(yōu)點(diǎn)是不需過多維護(hù)，且響應(yīng)時(shí)間短(只有10s)。UV技術(shù)比較適合有機(jī)物含量低的廢水。然而，大量有機(jī)物也出現(xiàn)在W吸收區(qū)域的廢水中，盡管作出很多努力對此進(jìn)行補(bǔ)償，UV吸收測量仍然受到這類干擾。為防止基線漂移，頻繁零校準(zhǔn)是必需的。自動清潔與自動校準(zhǔn)已經(jīng)融入商業(yè)產(chǎn)品中。

滴定傳感器根據(jù)NH4+轉(zhuǎn)化為2H+的化學(xué)計(jì)量關(guān)系獲取關(guān)于硝化過程的有關(guān)信息。加入污泥中的續(xù)與通過滴定傳感器測量的銨之間存在一個(gè)明顯的關(guān)系，后者可以通過應(yīng)用化學(xué)計(jì)量轉(zhuǎn)化因子測量銨硝化過程中產(chǎn)生的質(zhì)子量獲得。這種測量原理被用于在線測量活性污泥中硝化反應(yīng)速率、在線銨濃度測量、廢水毒性測量以及可硝化氮的測量。與現(xiàn)有的在線NH4+分析儀相比，滴定傳感器不需采樣預(yù)處理環(huán)節(jié)，此外，滴定過程不需要昂貴且不利于環(huán)境的化學(xué)品。滴定傳感器的缺點(diǎn)是其響應(yīng)時(shí)間隨污泥樣品中NH4+的濃度和污泥的硝化速率而改變。

硝化過程的顯著特征是消耗大量氧氣，因此可以采用呼吸測定計(jì)監(jiān)視這些過程。呼吸計(jì)在氮去除過程中的應(yīng)用不僅限于硝化速率的估計(jì)，還可用于決定廢水處理廠進(jìn)水中可硝化氮的濃度。一種組合呼吸----滴定儀被用于監(jiān)視活性污泥批實(shí)驗(yàn)過程中的降解過程。這種呼吸計(jì)量計(jì)有一個(gè)敞口的曝氣管和一個(gè)密閉非曝氣呼吸室組成，通過兩個(gè)氧探頭高頻收集兩路氧吸收速率信息。呼吸計(jì)與一個(gè)維持pH的滴定單元組合，所添加的酸和基質(zhì)量作為降解過程的互補(bǔ)信息源。最近出現(xiàn)的一種集成傳感器可以通過一個(gè)設(shè)備監(jiān)視硝化、反硝化和富氧碳源降解過程。這種傳感器從呼吸滴定計(jì)和硝酸鹽ISE測量高頻獲得豐富的信息數(shù)據(jù)。

富氧條件下的氧吸收速率可以很好地指示污泥的活性，但營養(yǎng)物脫除污水處理廠在缺氧和厭氧條件下細(xì)胞的代謝狀態(tài)評價(jià)不能使用這種可靠的測量方法。在這種情況下，可用監(jiān)視NADH熒光替代。NADH熒光信號對細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)的測量，在決定微生物代謝狀態(tài)方面有價(jià)值。利用NADH熒光計(jì)可以探測交替活性污泥過程反硝化的終點(diǎn)。

6、沉降過程的測量

作為污水處理廠的最后一道工序，二沉池中的任何失誤都會直接影響出水質(zhì)量。但在目前的科學(xué)研究中，對這個(gè)過程監(jiān)控和測量問題關(guān)注得相對較少。

目前有三種投入實(shí)際應(yīng)用的污泥界面定位測量原理：超聲波吸收和濁度設(shè)備檢測懸浮固體界面、超聲掃描裝置提供濃度分布圖。第三種方法被認(rèn)為是最好的測量方法。帶轉(zhuǎn)鼓的濁度傳感器應(yīng)用最為廣泛。濁度探測儀精度能夠降低直到觸及污泥層，其延伸的距離即污泥層深度。只要進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S護(hù)與清潔，這類測量系統(tǒng)可給出可靠的結(jié)果。有一種由三個(gè)濁度計(jì)組成不同的檢測儀器，固定安裝在沉淀池的不同位置上，可以探測到污泥層在這些位置是否出現(xiàn)。這是一種更可靠的儀器，因?yàn)樗�避免了因轉(zhuǎn)鼓存在而引起的機(jī)械問題。可以根據(jù)中間位置探棒探測到的情況通過控制策略實(shí)現(xiàn)污泥層調(diào)節(jié)。另兩個(gè)濁度計(jì)的信號可用于報(bào)警觸發(fā)。

污泥沉降特性通常用污泥體積指數(shù)(SVI)表示。這個(gè)參數(shù)由30分鐘污泥沉降體積除以懸浮固體濃度而得。SVI受污泥濃度的嚴(yán)重影響。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了測量污泥沉降特性的傳感器的發(fā)展。這類傳感器的主要特征是中心玻璃圓筒將混合液體樣品帶入接近二沉池條件的批沉降實(shí)驗(yàn)，利用光傳送跟蹤批實(shí)驗(yàn)中污泥層界面的下降，通過固定行列的位于一面的光發(fā)射二極管(LED)和另一面的光電二極管或移動的LED光電二極管對進(jìn)行測量。Vamolleghem引入的沉降計(jì)用一個(gè)移動光探測系統(tǒng)記錄污泥層高度的變化，從相應(yīng)的污泥沉降曲線可以獲得最大沉降速率和污泥體積指數(shù)。

隨著圖像分析系統(tǒng)性能與價(jià)格比的日益提高，促進(jìn)了微觀圖像處理技術(shù)在污水處理行業(yè)的應(yīng)用。例如基于圖像采集和分析及時(shí)監(jiān)視活性污泥在二沉池中沉降特征的變化，對預(yù)防污泥(絲狀菌)過度膨脹有重要意義。Grijspeerdt等利用低放大率顯微術(shù)與圖像分析結(jié)合開發(fā)了一種估計(jì)活性污泥沉降特性的在線儀表，可以測量活性污泥絮片形態(tài)，對懸浮固體濃度進(jìn)行快速而可靠的估計(jì)。

絮凝大小及其粒徑分布的測量可以檢測不同處理階段絮凝特性的變化，對處理過程提供有價(jià)值的信息。有不同的測量絮凝物的方法。激光散射技術(shù)近來被用于在線獲取絮凝大小與粒徑分布信息。絮凝大小測量儀根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射理論制作而成；另有一種根據(jù)聚焦光束反射率方法制成的探測儀可以測量二沉池的污泥粒徑分布。

7、結(jié)束語

日益嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)對過程測量儀表提出了更高的要求，促進(jìn)了日益復(fù)雜的傳感器技術(shù)的發(fā)展。但由于可靠性、成本等方面的原因，實(shí)際投入污水處理系統(tǒng)應(yīng)用的傳感器尚存在很大差距。在今后的學(xué)術(shù)研究與工業(yè)應(yīng)用方面，尚需對所開發(fā)儀器的可靠性、在污水處理過程自動監(jiān)視與控制系統(tǒng)中傳感器所提供信息的可用性等方面作進(jìn)一步改善。來源：谷騰水網(wǎng)