污水處理過程儀表技術的研究現狀

摘 要

污水處理過程固有的非線性 、時變性特征對傳感器的可靠性、適應性提出了很高的要求 。污水處理過程涉及多種傳感器, 多數傳感器是污水處理過程所特有的, 分別為人們提供所監視的某一個或多個特定變量的狀態信息。傳感器可以用于污水處理系統的 監視、自動控制或模型校準 。

引言

污水處理過程的監視與控制系統由模型 、傳感器、局部調節器和上位監控策略等4個部分組成 。其中, 傳感器是污水處理廠監控系統中最薄弱, 也是最重要、最基礎的環節 。日益嚴格的污水排放標準導致 了污水處理工藝流程和裝備的復雜化, 對用于污水處 理過程監視與控制的傳感器的性能也提出了更高的要求, 促進了污水處理領域傳感器技術的發展, 一些適用于污水處理過程的新型傳感器相繼問世。污水處理過程是復雜的生化反應過程, 所涉及的儀器儀表 種類繁多, 多數傳感器是污水處理過程所特有的, 分別應用于不同的場合, 反映一個或多個特定變量的狀態信息變化，污水處理工藝一般由機械處理 、生化處理和化學 處理構成, 其中涉及液相 、固相 、氣相三種物質成分。監視這些相態的儀表可以簡單地分為通用型和特殊性兩大類 。

1 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 、 電導率 、懸浮固體等傳感器 。

① 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 。

② 壓力測量值常常用作曝氣和厭氧消化過程的報警參數 。

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

④ 流量監測儀表主要有堰板 、轉子流量計 、渦輪式流量計 、靶式計量槽 、電磁流量計 、超聲波流量計等 。

⑤ 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鍵值, 通常在污水處理廠都安裝有pH電極浸入污泥中, 通過不同的清潔策略可以實現長期免維護。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督與控制, 這種情況可以用碳酸鹽測量系統代替 。

⑥ 電導率傳感器用于監視進水成分的變化, 同時也是化學除磷控制策略的基礎 。

⑦ 傳統的生物量測量是根據懸浮粒子對入射光的散射及吸光度進行估計。隨著靈敏的光檢測儀的出現, 能夠自動進行光效應測量的傳感器得以問世。大多數商業傳感器使用了一個發射低可視光或紅外光的光源, 在這個區域內大多數介質表現低吸光度 。生物量濃度也可根據超聲波在懸浮物和微生物之間游離溶液的速度差確定 。

2 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, 它可以表示反應器的總體活性，近年來一些專用技術被用來監視氣體成分。典型的實驗室方法是洗瓶分離方法, 根據進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CO2、H2S而允許CH4 通過。更專業的氣體分析儀可以直接監視氣體成分含量, 如紅外吸收測量儀用來確定CO2和CH4含量，專用氫分析儀也已基于化學電源研制而成。氣相H2S測量儀可以通過監視硫化物對鉛剝離的反應來確定H2S含量 。

基于氣體分析的監視系統的主要問題是不能直接預測液相中相應氣體的濃度 。可以直接測量溶解氫的 浸入式傳感器已經研制成功 。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道 。

pH 測量不容易對不平衡厭氧消化槽進行檢測, 特 別是當混合液的堿度高時 。這種情況下可對混合液體 中 CO2 和碳酸鹽進行測量 。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 鹽監視器已被開發應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,先進的在線滴定傳感器可以同時監視氨 、碳酸鹽等不同的成分。對堿度進行在線確定的另一方法基于對樣品酸化而得到的氣態CO2 的定量。可以采用氣體流量計測量所產生的氣體的體積 。

所有的生物活性都可用熱量的產生來表征 。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計 。

揮發性脂肪酸(VFA)是厭氧消化過程最重要的中間產物。他們的聚集會引起pH值的降低而導致過程厭氧消化過程的失敗 。通常通過VFA濃度監視作為過程性能指示, 但很少實施在線傳感器。最先進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)作為在線多參數傳感器可以同時提供COD、TOC 、VFA等參數的測量 。FT-IR不需要添加任何化學品, 且只需要很少的維護, 但其校準比較 困難 。更具魯棒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得到發展應用。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行測量;RANTOX生物傳感器用于檢測即將來臨的有機物過載及毒性負載。

3 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視儀表 。氧測量基于液體中擴散氧的電化學反應。溶解氧( DO)傳感器是可靠準確的測量儀表, 但必須謹慎選擇合適的測量 位置, 并防止結垢 。目前自動清潔系統已經相當普遍, 一些裝備清潔系統并可進行自校準的溶解氧傳感器已 有應用。電磁流量計被廣泛用于曝氣過程的控制, 節省 了大量投資, 所獲得的信息也可用于監視任何活性污 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 義為在單位時間內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的常用工具 。呼吸 計實質上是一個反應器, 測量結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 ) 的標準方法獲得 。BOD5是 5天內有機溶質生物氧化所需溶解氧量 。BOD5實驗不適于自動監視和 控制, 因為完成實驗需要較長時間, 且很難達到一致的準確測量 。 廢水負載的在線測量根 據 短 期 BOD ( BODst) 估計實現 。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 、完全混合的批反應器構成, 內含10升污泥, 可以得到大動態范圍內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。為了維護其功效, 微生物BOD傳感器需要精心維護與儲藏 。大多數微生物BOD傳感器壽命較短,，從幾天到幾個月 。

廢水處理廠最廣泛監視的變量是化學需氧量COD。COD自動監測儀可以每隔1～ 2小時進行一次自動監測, 根據氧化分解的條件分為酸性法監測儀和堿性法監測儀。COD實驗的主要限制是不能區分可生物降解和惰性有機物 。

TOC表示污水中總有機碳的含量, 也是表征水體受有機物污染程度的一個指標。TOC測量的主要原理是將有機碳轉化為CO2, 隨后在氣相中測量這種產物, 據此求出水相中有機碳濃度。典型的測量儀器是紅外 線抽氣分析儀。TOC被認為是一個很好的監視參數, 特別是監視排水質量。

許多廢水成分吸收紫外光 。紫外線的吸收與廢水中的有機物有著密切的關系 。紫外線吸光度自動監測儀引入廢水處理系統用于檢測水污染程度或評價排放 質量 。最近10年, 光學技術取得顯著進步, 使遠程與 多點測量成為可能，大大方便了污水處理過程監視的實施 。紅外光譜測量對于TOC 、COD、BOD 等特殊參數 的估計與在線監視具有很大潛力 。紅外光譜儀的主要缺點是光電池成分的結垢會引起靈敏度的降低,需要頻繁重校 。

4 營養物脫除過程的傳感器

營養物脫除系統的目的是通過生物 、化學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( 吸磷) ;缺氧條件下, 廢水中的硝酸鹽轉化為氮氣排除( 反硝化) ;厭氧條件下, 聚磷分解釋放無機磷至 污泥中( 釋磷) 。為了保證儀器的滿意運行, 大多數商業測量系統仍要求使用經過預處理的樣品 。超濾單元 (UF) 常被用于實現采樣預處理 。根據隔膜技術建立的半微量連續流量分析系統原理被廣泛應用到氨 、硝 酸鹽 、磷等營養物傳感器, 這些傳感器均基于色度法, 可以進行自動校準 。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備, 而UF單元允許連接到不同采樣點的多個并行UF單元使用一塊表 。由于已經出現了可靠的采樣準備單元, 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用中 。目前存在三種實 施方案 :批樣化學分析 、基于流量注入分析 (FIA)原理的連續直通系統 、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無需達到平衡, 因為樣品的稀釋及注入與檢測的反應時間在恒定載體流速下可以再生, 但泵的選擇須謹 慎 。SIA是FIA的改進, 其主要特點是用一個多位置閥替代FIA的多管線 。SIA提高了測量的靈活性 。SIA和FIA系統與批系統相比具有樣品小 、試劑低度利用和高采樣吞吐量的優點 。色度法NH + 4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確性已經被證明, 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視系統的氧化狀態 。 與 DO電極相比, ORP電極還可以提供出現在缺氧和厭氧條件下的生化過程信息。從技術角度講, ORP測量可認為是準確且不存在問題的, 但不應根據絕對ORP值對過程進行控制。可以根據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的出現或消失, 可以與酸滴定中的pH緩沖系統相比。最著名的ORP斷點是DO斷點和NO - 3斷點 。DO斷點意味著富氧階段NH + 4的消失( 硝化終點) , 而NO - 3斷點意味著缺氧過程NO - 3的消失( 反硝化終點) 。

大量離子選擇性電極( ISE)利用電化學反應監視NH+4 、NO-3 、S2-等特定化學成分。硝酸鹽ISE具有低化學品消耗 、無需或只需少量預處理 、響應時間短等優點。但系統對電極污染 、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象可以通過實施自動現場校準方法克服。NH+4ISE是測量NH+4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。

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點是不需過多維護, 且響應時間短( 只有 10s) 。UV技術比較適合有機物含量低的廢水 。然而, 大量有機物 也出現在 UV 吸收區域的廢水中, 盡管作出很多努力對此進行補償, UV吸收測量仍然受到這類干擾。為防 止基線漂移, 頻繁零校準是必需的 。自動清潔與自動校準已經融入商業產品中 。

滴定傳感器根據NH+4轉化為2H+的化學計量關系獲取關于硝化過程的有關信息 。加入污泥中的銨與通過滴定傳感器測量的銨之間存在一個明顯的關系, 后者可以通過應用化學計量轉化因子測量銨硝化過程中產生的質子量獲得。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。與現有的在線HN+4分析儀相比, 滴定傳感器不需采樣預處理環節, 此外, 滴定過程不需要昂貴且不利于環境的化學品。滴定傳感器的缺點是其響應時間隨污泥樣品中NH+ 4的濃度和污泥的硝化速率而改變 。

5 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量 。但在目前的科學研究中, 對這個過程監控和測量問題關注得相對較少 。

目前有三種投入實際應用的污泥界面定位測量原 理 :超聲波吸收和濁度設備檢測懸浮固體界面 、超聲掃 描裝置提供濃度分布圖 。第三種方法被認為是最好的測量方法。帶轉鼓的濁度傳感器應用最為廣泛 。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。只要進行適當的維護與清潔, 這類測量系統可給出可靠的結果。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 。這是一種更可靠的儀器, 因為它避免了因轉鼓存在而引起的機械問題。可以根據中間位置探棒探測到的情況通過控制策略實現污泥層調節。另兩個濁度計的信號可用于報警觸發。

隨著圖像分析系統性能與價格比的日益提高, 促進了微觀圖像處理技術在污水處理行業的應用 。例如基于圖像采集和分析及時監視活性污泥在二沉池中沉 降特征的變化, 對預防污泥( 絲狀菌)過度膨脹有重要 意義 。Grijspeerdt等利用低放大率顯微術與圖像分析結合開發了一種估計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, 對懸浮固體濃度進行快速而可靠的估計。

6 結束語

日益嚴格的污水排放標準對過程測量儀表提出了更高的要求, 促進了日益復雜的傳感器技術的發展 。 但由于可靠性 、成本等方面的原因, 實際投入污水處理 系統應用的傳感器尚存在很大差距 。在今后的學術研 究與工業應用方面, 尚需對所開發儀器的可靠性 、在污水處理過程自動監視與控制系統中傳感器所提供信息的可用性等方面作進一步改善 。