污水处理过程仪表研究现状

污水处理过程的监视与控制系统由模型、传感器、局部调节器和上位监控策略等4个部分组成。其中，传感器是污水处理厂监控系统中最薄弱，也是最重要、最基础的环节。日益严格的污水排放标准导致了污水处理工艺流程和装备的复杂化，对用于污水处理过程监视与控制的传感器的性能也提出了更高的要求，促进了污水处理领域传感器技术的发展，一些适用于污水处理过程的新型传感器相继问世。污水处理过程是复杂的生化反应过程，所涉及的仪器仪表种类繁多，多数传感器是污水处理过程所特有的，分别应用于不同的场合，反映一个或多个特定变量的状态信息变化。     污水处理工艺一般由机械处理、生化处理和化学处理构成，其中涉及液相、固相、气相三种物质成分。监视这些相态的仪表可以简单地分为通用型和特殊性两大类。     2、污水处理过程的通用仪表     通用测量仪表包括温度、压力、液位、流量、pH值、电导率、悬浮固体等传感器。     ①厌氧消化过程由于常常实施温度控制，温度传感器显得更加重要。典型的温度测量元件是热电阻     ②压力测量值常常用作曝气和厌氧消化过程的报警参数。     ③液位测量用于水位监视，通常采用浮标、差压变送器、容量测量、超声水位检测等方法测量。     ④流量监测仪表主要有堪板、转子流量计、涡轮式流量计、靶式计量槽、电磁流量计、超声波流量计等。     ⑤pH值是生化过程中的一个重要变量，更是厌氧消化和硝化过程的关键值，通常在污水处理厂都安装有pH电极浸人污泥中，通过不同的清洁策略可以实现长期免维护。对于具有高度缓冲能力的废水，pH值测量对过程变化可能不敏感，因此不适合于过程监督与控制，这种情况可以用碳酸盐测量系统代替。     ⑥电导率传感器用于监视进水成分的变化，同时也是化学除磷控制策略的基础。     ⑦传统的生物量测量是根据悬浮粒子对入射光的散射及吸光度进行估计。随着灵敏的光检测仪的出现，能够自动进行光效应测量的传感器得以问世。大多数商业传感器使用了一个发射低可视光或红外光的光源，在这个区域内大多数介质表现低吸光度。生物量浓度也可根据超声波在悬浮物和微生物之间游离溶液的速度差确定。     3、厌氧消化过程中的传感器     生物气流量的测量在厌氧消化过程中得到广泛采用，它可以表示反应器的总体活性。近年来一些专用技术被用来监视气体成分。典型的实验室方法是洗瓶分离方法，根据进瓶前和出瓶后的流量比可以确定气体成分。例如，碱洗瓶将能够收集所有的C02、H2S而允许CH4通过。更专业的气体分析仪可以直接监视气体成分含量，如红外吸收测量仪用来确定C02和CH4含量，专用氢分析仪也已基于化学电源研制而成。气相H2S测量仪可以通过监视硫化物对铅剥离的反应来确定H2S含量。     基于气体分析的监视系统的主要问题是不能直接预测液相中相应气体的浓度。可以直接测量溶解氢的浸入式传感器已经研制成功。燃料电池是此种传感器的核心。H2S和CH4的直接测量仪器至今未见报道。     pH测量不容易对不平衡厌氧消化槽进行检测，特别是当混合液的碱度高时。这种情况下可对混合液体中C02和碳酸盐进行测量。碱度主要取决于碳酸盐缓冲物，因此常常被用于厌氧消化的控制策略中。碳酸盐监视器已被开发应用于实际厌氧消化过程。     估计碳酸盐碱度的基本原理有两个。其一为滴定法，先进的在线滴定传感器可以同时监视氨、碳酸盐等不同的成分。对碱度进行在线确定的另一方法基于对样品酸化而得到的气态C02的定量。可以采用气体流量计测量所产生的气体的体积。     所有的生物活性都可用热量的产生来表征。通过热量计对热量的测量可以直接洞察生物过程变化。污水处理过程首选的是流量热量计。     挥发性脂肪酸(VFA)是厌氧消化过程最重要的中间产物。他们的聚集会引起pH值的降低而导致过程厌氧消化过程的失败。通常通过VFA浓度监视作为过程性能指示，但很少实施在线传感器。最先进的测量仪器包括气相色谱仪或高压液相色谱仪。傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)作为在线多参数传感器可以同时提供COD、TOC、VFA等参数的测量。FT-IR不需要添加任何化学品，且只需要很少的维护，但其校准比较困难。更具可靠性的测量是采用滴定计通过两步滴定或滴定反滴定提供采样中的VFA含量。     生物传感器近年来在污水处理行业得到发展应用。VFA分析仪可以决定消化液体中VFA浓度；MAIA生物传感器可对代谢活性进行测量；RANTOX生物传感器用于检测即将来临的有机物过载及毒性负载。     4、活性污泥过程中的传感器     氧在活性污泥过程中起着非常重要的作用，且相关的曝气费用约占全部运行费用的40%,因此氧传感器成为废水处理厂最广泛的测量监视仪表。氧测量基于液体中扩散氧的电化学反应。溶解氧(DO)传感器是可靠准确的测量仪表，但必须谨慎选择合适的测量位置，并防止结垢。目前自动清洁系统已经相当普遍，一些装备清洁系统并可进行自校准的溶解氧传感器已有应用。DO传感器被广泛用于曝气过程的控制，节省了大量投资，所获得的信息也可用于监视任何活性污泥处理过程。     呼吸量是对活性污泥呼吸速率的测量与解释，定义为在单位时间内单位体积活性污泥中微生物所消耗的氧。它是表征废水和污泥动力学的常用工具。呼吸计实质上是一个反应器，测量结果易受实验条件变动的影响。     废水的生物可降解成分通过离线测量生物需氧量(BOD5)的标准方法获得。BOD5是5天内有机溶质生物氧化所需溶解氧量。BOD5实验不适于自动监视和控制，因为完成实验需要较长时间，且很难达到一致的准确测量。废水负载的在线测量根据短期BOD估计实现。目前使用的在线BODst方法有两种：呼吸测量仪和微生物传感器。Vanrolleghem等提出的呼吸测量传感器RODTOX能够监视BODst和废水潜在毒性。该传感器有由一个恒定曝气、完全混合的批反应器构成，内含10升污泥，可以得到大动态范围内BODs。微生物传感器由固化电池、薄膜和一个溶解氧探测仪组成，最适合包含多种微生物的活性污泥系统。为了维护其功效，微生物BOD传感器需要精心维护与储藏。大多数微生物BOD传感器寿命较短，从几天到几个月。     废水处理厂最广泛监视的变量是化学需氧量COD。COD自动监测仪可以每隔1~2小时进行一次自动监测，根据氧化分解的条件分为酸性法监测仪和碱性法监测仪。COD实验的主要限制是不能区分可生物降解和惰性有机物。     TOC表示污水中总有机碳的含量，也是表征水体受有机物污染程度的一个指标。TOC测量的主要原理是将有机碳转化为C02,随后在气相中测量这种产物，据此求出水相中有机碳浓度。典型的测量仪器是红外线抽气分析仪。TOC被认为是一个很好的监视参数，特别是监视排水质量。     许多废水成分吸收紫外光。紫外线的吸收与废水中的有机物有着密切的关系。紫外线吸光度自动监测仪引人废水处理系统用于检测水污染程度或评价排放质量。最近10年，光学技术取得显著进步，使远程与多点测量成为可能，大大方便了污水处理过程监视的实施。红外光谱测量对于TOC、COD、BOD等特殊参数的估计与在线监视具有很大潜力。红外光谱仪的主要缺点是光电池成分的结垢会引起灵敏度的降低，需要频繁重校。     5、营养物脱除过程的传感器     营养物脱除系统的目的是通过生物、化学或组合处理方式去除废水中的氮和磷。目前的主流方法是生物脱氮除磷。富氧条件下，废水中的氨被氧化为硝酸盐(硝化过程),积磷菌吸收废水中的磷以聚磷形式储于体内(吸磷)；缺氧条件下，废水中的硝酸盐转化为氮气排除(反硝化)；厌氧条件下，聚磷分解释放无机磷至污泥中(释磷)。为了保证仪器的满意运行，大多数商业测量系统仍要求使用经过预处理的样品。超滤单元(UF)常被用于实现采样预处理。根据隔膜技术建立的半微量连续流量分析系统原理被广泛应用到氨、硝酸盐、磷等营养物传感器，这些传感器均基于色度法，可以进行自动校准。这类传感器的缺点是不能将多个测量点连接到一个测量设备，而UF单元允许连接到不同采样点的多个并行UF单元使用一块表。由于已经出现了可靠的采样准备单元，大量的努力投入典型实验方法在污水处理厂的自动在线应用中。目前存在三种实施方案:批样化学分析、基于流量注入分析(HA)原理的连续直通系统、序列注入分析(SIA)。FIA是最普遍选择的在线测量方式，其主要特点是分析反应无需达到平衡，因为样品的稀释及注入与检测的反应时间在恒定载体流速下可以再生，但泵的选择须谨慎。SIA是HA的改进，其主要特点是用一个多位置阀替代了FIA的多管线。SIA提高了测量的灵活性。SIA和FIA系统与批系统相比具有样品小、试剂低度利用和高采样吞吐量的优点。色度法NH4+分析仪试剂消耗量较大，且对采样温度变化较敏感。色度法自动正磷酸盐分析仪的准确性已经被证明，但其运行代价较高。     ORP(氧化还原电位)电极可以普遍用于指示被监视系统的氧化状态。与DO电极相比,ORP电极还可以提供出现在缺氧和厌氧条件下的生化过程信息。从技术角度讲,ORP测量可认为是准确且不存在问题的，但不应根据绝对ORP值对过程进行控制。可以根据ORP曲线上的断点或拐点解释ORP测量值。拐点可以表征氧化还原缓冲系统的出现或消失，可以与酸滴定中的pH缓冲系统相比。最著名的ORP断点是DO断点和NO3-断点。DO断点意味着富氧阶段NH4+的消失(硝化终点),而NO3-断点意味着缺氧过程NO3-的消失(反硝化终点)。     大量离子选择性电极(ISE)利用电化学反应监视NH4+、NO3-、S2-等特定化学成分。硝酸盐ISE具有低化学品消耗、无需或只需少量预处理、响应时间短等优点。但系统对电极污染、电极漂移、离子干扰等较敏感。但硝酸盐探测仪的电极漂移现象可以通过实施自动现场校准方法克服。NH4+ISE是测量NH4+的首选方法，有限的运行问题与堵塞、电极漂移、电极的氢氧化物毒化、电极末端气泡驻留等有关。     可以利用硝酸盐在210nm处对紫外线(UV)的吸收来确定硝酸盐含量。紫外线吸收硝酸盐分析仪的优点是不需过多维护，且响应时间短(只有10s)。UV技术比较适合有机物含量低的废水。然而，大量有机物也出现在W吸收区域的废水中，尽管作出很多努力对此进行补偿，UV吸收测量仍然受到这类干扰。为防止基线漂移，频繁零校准是必需的。自动清洁与自动校准已经融入商业产品中。     滴定传感器根据NH4+转化为2H+的化学计量关系获取关于硝化过程的有关信息。加入污泥中的续与通过滴定传感器测量的铵之间存在一个明显的关系，后者可以通过应用化学计量转化因子测量铵硝化过程中产生的质子量获得。这种测量原理被用于在线测量活性污泥中硝化反应速率、在线铵浓度测量、废水毒性测量以及可硝化氮的测量。与现有的在线NH4+分析仪相比，滴定传感器不需采样预处理环节，此外，滴定过程不需要昂贵且不利于环境的化学品。滴定传感器的缺点是其响应时间随污泥样品中NH4+的浓度和污泥的硝化速率而改变。     硝化过程的显著特征是消耗大量氧气，因此可以采用呼吸测定计监视这些过程。呼吸计在氮去除过程中的应用不仅限于硝化速率的估计，还可用于决定废水处理厂进水中可硝化氮的浓度。一种组合呼吸----滴定仪被用于监视活性污泥批实验过程中的降解过程。这种呼吸计量计有一个敞口的曝气管和一个密闭非曝气呼吸室组成，通过两个氧探头高频收集两路氧吸收速率信息。呼吸计与一个维持pH的滴定单元组合，所添加的酸和基质量作为降解过程的互补信息源。最近出现的一种集成传感器可以通过一个设备监视硝化、反硝化和富氧碳源降解过程。这种传感器从呼吸滴定计和硝酸盐ISE测量高频获得丰富的信息数据。     富氧条件下的氧吸收速率可以很好地指示污泥的活性，但营养物脱除污水处理厂在缺氧和厌氧条件下细胞的代谢状态评价不能使用这种可靠的测量方法。在这种情况下，可用监视NADH荧光替代。NADH荧光信号对细胞内氧化还原状态的测量，在决定微生物代谢状态方面有价值。利用NADH荧光计可以探测交替活性污泥过程反硝化的终点。     6、沉降过程的测量     作为污水处理厂的最后一道工序，二沉池中的任何失误都会直接影响出水质量。但在目前的科学研究中，对这个过程监控和测量问题关注得相对较少。     目前有三种投入实际应用的污泥界面定位测量原理：超声波吸收和浊度设备检测悬浮固体界面、超声扫描装置提供浓度分布图。第三种方法被认为是最好的测量方法。带转鼓的浊度传感器应用最为广泛。浊度探测仪精度能够降低直到触及污泥层，其延伸的距离即污泥层深度。只要进行适当的维护与清洁，这类测量系统可给出可靠的结果。有一种由三个浊度计组成不同的检测仪器，固定安装在沉淀池的不同位置上，可以探测到污泥层在这些位置是否出现。这是一种更可靠的仪器，因为它避免了因转鼓存在而引起的机械问题。可以根据中间位置探棒探测到的情况通过控制策略实现污泥层调节。另两个浊度计的信号可用于报警触发。     污泥沉降特性通常用污泥体积指数(SVI)表示。这个参数由30分钟污泥沉降体积除以悬浮固体浓度而得。SVI受污泥浓度的严重影响。科学技术的进步促进了测量污泥沉降特性的传感器的发展。这类传感器的主要特征是中心玻璃圆筒将混合液体样品带入接近二沉池条件的批沉降实验，利用光传送跟踪批实验中污泥层界面的下降，通过固定行列的位于一面的光发射二极管(LED)和另一面的光电二极管或移动的LED光电二极管对进行测量。Vamolleghem引入的沉降计用一个移动光探测系统记录污泥层高度的变化，从相应的污泥沉降曲线可以获得最大沉降速率和污泥体积指数。     随着图像分析系统性能与价格比的日益提高，促进了微观图像处理技术在污水处理行业的应用。例如基于图像采集和分析及时监视活性污泥在二沉池中沉降特征的变化，对预防污泥(丝状菌)过度膨胀有重要意义。Grijspeerdt等利用低放大率显微术与图像分析结合开发了一种估计活性污泥沉降特性的在线仪表，可以测量活性污泥絮片形态，对悬浮固体浓度进行快速而可靠的估计。     絮凝大小及其粒径分布的测量可以检测不同处理阶段絮凝特性的变化，对处理过程提供有价值的信息。有不同的测量絮凝物的方法。激光散射技术近来被用于在线获取絮凝大小与粒径分布信息。絮凝大小测量仪根据夫琅和费衍射理论制作而成；另有一种根据聚焦光束反射率方法制成的探测仪可以测量二沉池的污泥粒径分布。     7、结束语     日益严格的污水排放标准对过程测量仪表提出了更高的要求，促进了日益复杂的传感器技术的发展。但由于可靠性、成本等方面的原因，实际投入污水处理系统应用的传感器尚存在很大差距。在今后的学术研究与工业应用方面，尚需对所开发仪器的可靠性、在污水处理过程自动监视与控制系统中传感器所提供信息的可用性等方面作进一步改善。

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