1、污水處理過程中所用儀器儀表分析1、引言污水處理過程的監(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，反映一個或多個特定變量的 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

2、化學(xué)處理構(gòu)成，其中涉 及液才目、固才目、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。厭氧消化過程由于常常實施溫度控制，溫度傳感器顯得更加重 要。典型的溫度測量元件是熱電阻.壓力測量值常常用作曝氣和厭氧消化過程的報警參數(shù).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。流量監(jiān)測儀表主要有堪板、轉(zhuǎn)子流量計、渦輪式流量計、靶式計量槽、電磁流量計、超聲波流量計等。pH值是生化過程中的一個重要變量，更是厭氧消化和硝化過程 的關(guān)鍵值，通常在

3、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.電導(dǎo)率傳感器用于監(jiān)視進(jìn)水成分的變化，同時也是化學(xué)除磷控制 策略的基礎(chǔ)。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。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)傳感器使用了一個發(fā)射低可視光或紅外光的光 源，在這個區(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

4、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.典型的實驗 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 才目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?；跉怏w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?？梢灾苯訙y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

5、CH4的直接測量儀器至今未見報道。 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。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)用于實際厭氧消化過程。估計碳酸鹽堿度的基本原理有兩個。其一為滴定法，先進(jìn)的在線滴 定傳感器可以同時監(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

6、計。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

7、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)的曝氣費用約占 全部運行費用的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)才目當(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

8、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.呼吸計實質(zhì)上是一個反應(yīng)器，測量結(jié)果易受實驗條件變動的 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 實驗不適于自動監(jiān)視和控制，因為完成實驗需要較長時間，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估計實現(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。該傳感器有由一個恒定曝氣、完全混合的批反應(yīng)器構(gòu) 成，

9、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，從幾天到幾個月。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12小時進(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實驗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 才目中測量這種產(chǎn)物，據(jù)

10、此求出水才目中有機(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 點測量成為可能，大大方便了污水處理過程監(jiān)視的實施。紅外光譜測量 對于TOC、COD、BOD等特殊參數(shù)的估計與在線監(jiān)視具有很大潛力。 紅外光譜儀的主要缺點是光電池成分的結(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

11、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)化為氮氣排除（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)。這類傳感器的缺點是不能 將多個測量點連接到一個測量設(shè)備，而UF單元允許連接到不同采樣點 的多個并行UF單元使

12、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驗方法在污水處理廠的自動在線應(yīng)用中.目前存 在三種實施方案: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， 其主要特點是分析反應(yīng)無需達(dá)到平衡,因為樣品的稀釋及注入與檢測的 反應(yīng)時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)，其主要特點是用一個多位置閥替代了 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.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

13、.色度法自動正磷酸鹽分析儀的準(zhǔn)確性已經(jīng)被證 明，但其運行代價較高。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 斷點或拐點解釋ORP測量值.拐點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斷點是DO 斷點和NO3-斷點DO斷點意味著富氧階段NH4+的消失（硝化終點）， 而NO3-斷點意味著缺氧過程NO3-的消失（反硝化終點）。大量離子選擇性電

14、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)時間短等優(yōu)點。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)點是不需過多維護(hù)，且響應(yīng)時間短 （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

15、，盡管作出很多努力對此進(jìn)行補償，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 一個明顯的關(guān)系，后者可以通過應(yīng)用化學(xué)計量轉(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。滴定傳感器的缺點是其響應(yīng) 時間隨污泥

16、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監(jiān) 視這些過程。呼吸計在氮去除過程中的應(yīng)用不僅限于硝化速率的估計， 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)視活性污泥批實驗過程中的降解過程。這種呼 吸計量計有一個敞口的曝氣管和一個密閉非曝氣呼吸室組成，通過兩個 氧探頭高頻收集兩路氧吸收速率信息.呼吸計與一個維持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信息源。最近出現(xiàn)的 一種集成傳感器可以通過一個設(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和硝酸鹽ISE測量高頻獲得豐富的信息

17、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 價值。利用NADH熒光計可以探測交替活性污泥過程反硝化的終點.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，對這個過程監(jiān)控和測量問題關(guān)注 得才目對較少。目前有三種投入實際應(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

18、 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 三個濁度計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，因為它 避免了因轉(zhuǎn)鼓存在而引起的機(jī)械問題?？梢愿鶕?jù)中間位置探棒探測到的 情況通過控制策略實現(xiàn)污泥層調(diào)節(jié).另兩個濁度計的信號可用于報警觸 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?？茖W(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 的批沉降實驗，利用光傳送跟蹤批實驗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L