、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程和裝備的復雜化，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，促進了污水處理領域傳感器技術的發(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(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成，其中涉及液相、固相、氣相三種物質成分。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)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(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)督與控制，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。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光度進行估計。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)域內大多數(shù)介質表現(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(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?；跉怏w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(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，先進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)C02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。污水處理過程首選的是流量熱量計。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(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(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、完全混合的批反應器構成，內含10升污泥，可以得到大動態(tài)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(tǒng)。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(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)視的變量是化學需氧量COD。COD自動監(jiān)測儀可以每隔1~2小時進行一次自動監(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(chǎn)物，據(jù)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(jiān)視參數(shù)，特別是監(jiān)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(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(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(shù)商業(yè)測量系統(tǒng)仍要求使用經(jīng)過預處理的樣品。超濾單元(UF)常被用于實現(xiàn)采樣預處理。根據(jù)隔膜技術建立的半微量連續(xù)流量分析系統(tǒng)原理被廣泛應用到氨、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(jīng)出現(xiàn)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(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HA的改進，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。色度法自動正磷酸鹽分析儀的準確性已經(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。從技術角度講,ORP測量可認為是準確且不存在問題的，但不應根據(jù)絕對ORP值對過程進行控制?？梢愿鶕?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)。大量離子選擇性電極(ISE)利用電化學反應監(jiān)視NH4+、NO3-、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(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。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，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(xiàn)在W吸收區(qū)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(jīng)融入商業(yè)產(chǎn)品中。滴定傳感器根據(jù)NH4+轉化為2H+的化學計量關系獲取關于硝化過程的有關信息。加入污泥中的續(xù)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(chǎn)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(xiàn)有的在線NH4+分析儀相比，滴定傳感器不需采樣預處理環(huán)節(jié)，此外，滴定過程不需要昂貴且不利于環(huán)境的化學品。滴定傳感器的缺點是其響應時間隨污泥樣品中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用不僅限于硝化速率的估計，還可用于決定廢水處理廠進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熒光信號對細胞內氧化還原狀態(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量。但在目前的科學研究中，對這個過程監(jiān)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?shù)木S護與清潔，這類測量系統(tǒng)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(xiàn)。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?？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受污泥濃度的嚴重影響?？茖W技術的進步促進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LED光電二極管對進行測量。Vamolleghem引入的沉降計用一個移動光探測系統(tǒng)記錄污泥層高度的變化，從相應的污泥沉降曲線可以獲得最大沉降速率和污泥體積指數(shù)。隨著圖像分析系統(tǒng)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(yè)的應用。例如基于圖像采集和分析及時監(jiān)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(fā)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(tài)，對懸浮固體濃度進行快速而可靠的估計。絮凝大小及其粒徑分布的測量可以檢測不同處理階段絮凝特性的變化，對處理過程提供有價值的信息。有不同的測量絮凝物的方法。激光散射技術近來被用于在線獲取絮凝大小與粒徑分布信息。絮凝大小測量儀根據(jù)夫瑯和費衍射理論制作而成；另有一種根據(jù)聚焦光束反射率方法制成的探測儀可以測量二沉池的污泥粒徑分布。7、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(fā)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(tǒng)應用的傳感器尚存在很大差距。在今后的學術研究與工業(yè)應用方面，尚需對所開發(fā)儀器的可靠性、在污水處理過程自動監(jiān)視與控制系統(tǒng)中傳感器所提供信息的可用性等方面作進一步改善。 （自動化網(wǎng)小輝編輯）