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污水處理過程儀表技術的研究現狀2005年1月(2)

廢水處理廠最廣泛監視的變量是化學需氧量COD。COD自動監測儀可以每個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表示污水中總有機械的含量,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了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 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,但不應該絕對ORP值對過程進行控制?梢愿鶕﨩RP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CO 斷點。DO斷點意味著富氧階段NH 的消失(硝化終點),而NO 斷點意味著缺氧過程NO 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 、NO 、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 ISE是測量NH 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[4]。

可以利用硝酸鹽在210mm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 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,或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

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 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。一種組合呼吸一滴定儀被用于監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[5]。最近出現的一種集成傳感器可以通過一個設備監視硝化、反硝化和富氧碳源降解過程[6]。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據。

富氧條件下的氧吸收速率可以很好地指示污泥的活性,但營養物脫除污水處理廠在缺氧條件下細胞的代謝狀態評價不能使用這種可靠的測量方法。在這種情況下,可用監視NADH熒光替代。NADH熒光信號對細胞內氧化還原狀態的測量,在決定微生物代謝狀態方面有價值。利用NADH熒光計可以探測交替活性污泥過程反硝化的終點。

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?梢愿鶕虚g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。

污泥沉降特性通常用污泥體積指數(SVI)表示。這個參數由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。Vanrolleghem引入的沉降計用一個移動光探測系統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。

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[7]。

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夫瑯和費洐射理論制作而成[8];另有一種根據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[9]。

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。


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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