摘要 污水處理過(guò)程固有的非線性、時(shí)變性特征對(duì)傳感器的可靠性、適應(yīng)性提出了很高的要求。污水處理過(guò)程涉及多種傳感器，多數(shù)傳感器是污水處理過(guò)程所特有的，分別為人們提供所監(jiān)視的某一個(gè)或多個(gè)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(dòng)控制或模型校準(zhǔn)。

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

污水處理過(guò)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(gè)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量和裝備的復(fù)雜化，對(duì)用于污水處理過(guò)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(guò)程的新型傳感器技術(shù)的發(fā)展，一些適用于污水處理過(guò)程的新型傳感器相繼問(wèn)世。污水處理過(guò)程是復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)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(guò)程所特有的，分別應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，反映一個(gè)或多個(gè)特定變量的狀態(tài)信息變化。

1 污水處理過(guò)程的通用儀表

通用測(cè)量?jī)x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。

① 厭氧消化過(guò)程由于常常實(shí)施溫度控制，溫度傳感器顯得更加重要。典型的溫度測(cè)量元件是熱電阻。

②壓力測(cè)量值常常用作曝氣和厭氧消化過(guò)程的報(bào)警參數(shù)。

③液位測(cè)量用于水位監(jiān)視，通常采用浮標(biāo)、差壓變送器、容量測(cè)量、超聲水位檢測(cè)等方法測(cè)量。

④流量監(jiān)視儀表主要有堰板、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦輪式流量計(jì)、靶式計(jì)量槽、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。

⑤pH值是生化過(guò)程中的一個(gè)重要變量，更是厭氧消化和硝化過(guò)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(guò)不同的清潔策略可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期免維護(hù)。對(duì)于具有高度緩沖能力的廢水，pH值測(cè)量對(duì)過(guò)程變化可能不敏感，因此不適合于過(guò)程監(jiān)督于控制，這種情況可以用碳酸鹽測(cè)量系統(tǒng)代替。

⑥電導(dǎo)率傳感器用于監(jiān)視進(jìn)水成分的變化，同時(shí)也是化學(xué)除磷控制策略的基礎(chǔ)。

⑦傳統(tǒng)的生物量測(cè)量是根據(jù)懸浮粒子對(duì)入射光的散射及吸收度進(jìn)行估計(jì)。隨著靈敏的光檢測(cè)儀的出現(xiàn)，能夠自動(dòng)進(jìn)行光效應(yīng)測(cè)量的傳感器得以問(wèn)世。大多數(shù)商業(yè)傳感器使用了一個(gè)發(fā)射低可視光或紅外光的光源，在這個(gè)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(guò)程中的傳感器

生物氣流量的測(cè)量在厭氧消化過(guò)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(lái)一些專用技術(shù)被用來(lái)監(jiān)視氣體成分。典型的實(shí)驗(yàn)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CO₂、H₂S而允許CH₄通過(guò)。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(cè)量?jī)x用來(lái)確定CO₂和CH₄含量，專用氫分析儀也已基于化學(xué)電源研制而成。氣相H₂S測(cè)量?jī)x可以通過(guò)監(jiān)視硫化物對(duì)鉛剝離的反應(yīng)來(lái)確定H₂S含量。

基于氣體分析的監(jiān)視系統(tǒng)的主要問(wèn)題是不能直接預(yù)測(cè)液相中相應(yīng)氣體的濃度�？梢灾苯訙y(cè)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(cè)量?jī)x器至今未見(jiàn)報(bào)道。

PH測(cè)量不容易對(duì)不平衡氧消化槽進(jìn)行檢測(cè)，特別是當(dāng)混合液的堿度高時(shí)。這種情況下可對(duì)混合液體中CO₂和碳酸鹽進(jìn)行測(cè)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(kāi)發(fā)應(yīng)用于實(shí)際厭氧消化過(guò)程。

估計(jì)碳酸鹽堿度的基本原理有兩個(gè)。其一為滴定法，先進(jìn)的在線滴定傳感器可以同時(shí)監(jiān)視氨、碳酸鹽等不同的成分。對(duì)堿度進(jìn)行在線確定的另一方法基于對(duì)樣品酸化而得到的氣態(tài)CO₂的定量�？梢圆捎脷怏w流量計(jì)測(cè)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(lái)表征。通過(guò)熱量計(jì)對(duì)熱量的測(cè)量可以直接洞察生物過(guò)程變化。污水處理過(guò)程首選的是流量計(jì)。

揮發(fā)性脂肪酸（VFA）是厭氧消化過(guò)程最重要的中間產(chǎn)物。他們的聚集會(huì)引起pH值的降低而導(dǎo)致過(guò)程厭氧消化過(guò)程的失敗。通常通過(guò)VFA濃度監(jiān)視作為過(guò)程性能指示，但很少實(shí)施在線傳感器。最先進(jìn)的測(cè)量?jī)x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(shí)提供COD、TOC、VFA等參數(shù)的測(cè)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。更具魯棒性的測(cè)量是采用滴定計(jì)通過(guò)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(lái)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(duì)代謝活性進(jìn)行測(cè)量^[1]；RANTOX生物傳感器用于檢測(cè)即將來(lái)臨的有機(jī)物過(guò)載及毒性負(fù)載^[2]。

3 活性污泥過(guò)程中的傳感器

氧在活性污泥過(guò)程中起著非常重要的作用，且相關(guān)的曝氣費(fèi)用約占全部運(yùn)行費(fèi)用的40％，因此氧傳感器成為廢水處理廠最廣泛的測(cè)量監(jiān)視儀表。氧測(cè)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(cè)量?jī)x表，但必須謹(jǐn)慎選擇合適的測(cè)量位置，并防止結(jié)垢。目前自動(dòng)清潔系統(tǒng)已經(jīng)相當(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(guò)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(guò)程。

呼吸量是對(duì)活性污泥呼吸速率的測(cè)量與解釋，定義為在單位時(shí)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(dòng)力學(xué)的常用工具。呼吸計(jì)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)反應(yīng)器，測(cè)量結(jié)果易受實(shí)驗(yàn)條件變動(dòng)的影響。

廢水的生物可降解成分通過(guò)離線測(cè)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(shí)驗(yàn)不適于自動(dòng)監(jiān)視和控制，因?yàn)橥瓿蓪?shí)驗(yàn)需要較長(zhǎng)時(shí)間，且很難達(dá)到一致的準(zhǔn)確測(cè)量。廢水負(fù)載的在線測(cè)量根據(jù)短期BOD（BODst）估計(jì)實(shí)現(xiàn)。目前使用的在線BODst方法有兩種：呼吸測(cè)量?jī)x和微生物傳感器。Vanrolleghem等提出的呼吸測(cè)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(gè)恒定曝氣、完全混合的批反應(yīng)器構(gòu)成，內(nèi)含10升污泥，可以得到大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)BODs。微生物傳感器由固化電池、薄膜和一個(gè)溶解氧探測(cè)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傳感器需要進(jìn)行維護(hù)與儲(chǔ)藏。大多數(shù)微生物BOD傳感器壽命較短，從幾天到幾個(gè)月。