污水處理過程儀表技術(shù)的研究現(xiàn)狀2005年1月（1）

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(shù)傳感器是污水處理過程所*的，分別為人們提供所監(jiān)視的某一個或多個特定變量的狀態(tài)信息。傳感器可以用于污水處理系統(tǒng)的監(jiān)視、自動控制或模型校準。

 關(guān)鍵詞    污水處理   儀器儀表   傳感器   測量   監(jiān)視

0  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zui薄弱，也是zui重要、zui基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。日益嚴格的污水排放標準導致了污水處理工藝流量和裝備的復雜化，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。污水處理過程是復雜的生化反應過程，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*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(tài)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(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。

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(shù)。

  ③液位測量用于水位監(jiān)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(jiān)視儀表主要有堰板、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。

  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(guān)鍵值，通常在污水處理廠都安裝有pH電極侵入污泥中，通過不同的清潔策略可以實現(xiàn)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(jiān)督于控制，這種情況可以用碳酸鹽測量系統(tǒng)代替。

  ⑥電導率傳感器用于監(jiān)視進水成分的變化，同時也是化學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收度進行估計。隨著靈敏的光檢測儀的出現(xiàn)，能夠自動進行光效應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。

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(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CO₂和CH₄含量，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(jiān)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(jiān)視系統(tǒng)的主要問題是不能直接預測液相中相應氣體的濃度?？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CH₄的直接測量儀器至今未見報道。

   PH測量不容易對不平衡氧消化槽進行檢測，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(jiān)視器已被開發(fā)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，*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。對堿度進行在線確定的另一方法基于對樣品酸化而得到的氣態(tài)CO₂的定量?？梢圆捎脷怏w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。污水處理過程的是流量計。

   揮發(fā)性脂肪酸（VFA）是厭氧消化過程zui重要的中間產(chǎn)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(jiān)視作為過程性能指示，但很少實施在線傳感器。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(yè)得到發(fā)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^[1]；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^[2]。

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(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zui廣泛的測量監(jiān)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(jié)垢。目前自動清潔系統(tǒng)已經(jīng)相當普遍，一些裝備清潔系統(tǒng)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(jié)省了大量投資，所獲得的信息也用于監(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的常用工具。呼吸計實質(zhì)上是一個反應器，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）的標準方法獲得。BOD₅是5天內(nèi)有機溶質(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，且很難達到一致的準確測量。廢水負載的在線測量根據(jù)短期BOD（BODst）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[3]。該傳感器有由一個恒定曝氣、*混合的批反應器構(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、薄膜和一個溶解氧探測儀組成，包含多種微生物的活性污泥系統(tǒng)。為了維護其功效，微生物BOD傳感器需要進行維護與儲藏。大多數(shù)微生物BOD傳感器壽命較短，從幾天到幾個月。