污水處理過程儀表研究現狀

1、前言
　　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。
　　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堪板、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。
　　⑤pH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電極浸人污泥中，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。
　　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C02、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C02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C02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C02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。
　　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。DO傳感器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C02,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人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。