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污水处理过程仪表技术的研究现状2005年1月(2)

废水处理厂最广泛监视的变量是化学需氧量COD。COD自动监测仪可以每个1~2小时进行一次自动监测,根据氧化分解的条件分为酸性法监测仪和碱性法监测仪。COD实验的主要限制是不能区分可生物降解和惰性有机物。

TOC表示污水中总有机械的含量,也是表征水体受有机物污染程度的一个指标。TOC测量的主要原理是将有机碳转化为CO2,随后在气相中测量这种产物,据此求出水相中有机碳浓度。典型的测量仪器是红外线抽气分析仪。TOC被认为是一个很好的监视参数,特别是监视排水质量。

许多废水成分吸收紫外光。紫外线的吸收与废水中的有机物有着密切的关系。紫外线吸光度自动监测仪引入废水处理系统用于检测水污染程度或评价排放质量。最近10年,光学技术取得显著进步,使远程与多点测量成为可能,大大方便了污水处理过程监视的实施。红外光谱测量对于TOC、COD、BOD等特殊参数的估计与在线监视具有很大潜力。红外光谱仪的主要缺点是光电池成分的结垢会引起灵敏度的降低,需要频繁重校。

4  营养物脱除过程系统的目的是通过生物、化学或组合处理方式去除废水中的氮和磷。目前的主流方法是生物脱氮除磷。富氧条件下,废水中的氨被氧化为硝酸盐(硝化过程),积磷菌吸收废水中的磷以聚磷形式储于体内(吸磷);缺氧条件下,废水中的硝酸盐转化为氮气排除(反硝化);厌氧条件下,聚磷分解释放无机磷至污泥中(释磷)。为了保证仪器的满意运行,大多数商业测量系统仍要求使用经过预处理的样品。超滤单元(UF)常被用于实现采样预处理。根据隔膜技术建立的半微量连续流量分析系统原理被广泛应用到氨、硝酸盐、磷等营养物传感器,这些传感器的缺点是不能将多个测量点连接到一个测量设备,而UF单元允许连接到不同采样点的多个并行UF单元使用一块表。由于已经出现了可靠的采样准备单元,大量的努力投入典型实验方法在污水处理厂的自动在线应用中。目前存在三种实施方案:批样化学分析、基于流量注入分析(FIA)原理的连续直通系统、序列注入分析(SIA)。FIA是最普遍选择的在线测量方式,其主要特点是分析反应无需达到平衡,因为样品的稀释及注入与检测的反应时间在恒定载体流速下可以再生,但泵的选择须谨慎。SIA是FIA的改进,其主要特点是用一个多位置阀替代了FIA的多管线。SIA提高了测量的灵活性。SIA和FIA系统与批系统相比具有样品小、试剂低度利用和高采样吞吐量的优点。色度法NH 分析仪试剂消耗量较大,且对采样温度变化较敏感。色度法自动正磷酸盐分析仪的准确性已经被证明,但其运行代价较高。

ORP(氧化还原电位)电极可以普遍用于指示被监视系统的氧化状态。与DO电极相比,ORP电极还可以提供出现在缺氧和厌氧条件下的生化过程信息。从技术角度讲,ORP测量可认为是准确且不存在问题的,但不应该绝对ORP值对过程进行控制。可以根据ORP曲线上的断点或拐点解释ORP测量值。拐点可以表征氧化还原缓冲系统的出现或消失,可以与酸滴定中的pH缓冲系统相比。最著名的ORP断点是DO断点和CO 断点。DO断点意味着富氧阶段NH 的消失(硝化终点),而NO 断点意味着缺氧过程NO 的消失(反硝化终点)。

大量离子选择性电极(ISE)利用电化学反应监视NH 、NO 、S2等特定化学成分。硝酸盐ISE具有低化学品消耗、无需或只需少量预处理、响应时间短等优点。但系统对电极污染、电极漂移、离子干扰等较敏感。但硝酸盐探测仪的电极漂移现象可以通过实施自动现场校准方法克服。NH ISE是测量NH 的首选方法,有限的运行问题与堵塞、电极漂移、电极的氢氧化物毒化、电极末端气泡驻留等有关[4]

可以利用硝酸盐在210mm处对紫外线(UV)的吸收来确定硝酸盐含量。紫外线吸收硝酸盐分析仪的优点是不需过多维护,且响应时间短(只有10s)。UV技术比较适合有机物含量低的废水。然而,大量有机物也出现在UV吸收区域的废水中,尽管作出很多努力对此进行补偿,UV吸收测量仍然受到这类干扰。为防止基线漂移,频繁零校准是必需的。自动清洁与自动校准已经融入商业产品中。

滴定传感器根据NH 转化为2H 的化学计量关系获取关于硝化过程的有关信息。加入污泥中的铵与通过滴定传感器测量的铵之间存在一个明显的关系,或者可以通过应用化学计量转化因子测量铵硝化过程中产生的质子量获得。这种测量原理被用于在线测量活性污泥中硝化反应速率、在线铵浓度测量、废水毒性测量以及可硝化氮的测量。与现有的在线HN

分析仪相比,滴定传感器不需采样预处理环节。此外,滴定过程不需要昂贵且不利于环境的化学品。滴定传感器的缺点是其响应时间随污泥样品中NH 的浓度和污泥的硝化速率而改变。

硝化过程的显著特征是消耗大量氧气,因此可以采用呼吸测定计监视这些过程。呼吸计在氮去除过程中的应用不仅限于硝化速率的估计,还可用于决定废水处理厂进水中可硝化氮的浓度。一种组合呼吸一滴定仪被用于监视活性污泥批实验过程中的降解过程。这种呼吸计量计有一个敞口的曝气管和一个密闭非曝气呼吸室组成,通过两个氧探头高频收集两路氧吸收速率信息。呼吸计与一个维持pH的滴定单元组合,所添加的酸和基质量作为降解过程的互补信息源[5]。最近出现的一种集成传感器可以通过一个设备监视硝化、反硝化和富氧碳源降解过程[6]。这种传感器从呼吸滴定计和硝酸盐ISE测量高频获得丰富的信息数据。

富氧条件下的氧吸收速率可以很好地指示污泥的活性,但营养物脱除污水处理厂在缺氧条件下细胞的代谢状态评价不能使用这种可靠的测量方法。在这种情况下,可用监视NADH荧光替代。NADH荧光信号对细胞内氧化还原状态的测量,在决定微生物代谢状态方面有价值。利用NADH荧光计可以探测交替活性污泥过程反硝化的终点。

5  沉降过程的测量

作为污水处理厂的最后一道工序,二沉池中的任何失误都会直接影响出水质量。但在目前的科学研究中,对这个过程监控和测量问题关注得相对较少。

目前有三种投入实际应用的污泥界面定位测量原理:超声波吸收和浊度设备检测悬浮固体界面、超声扫描装置提供浓度分布图。第三种方法被认为是最好的测量方法。带转鼓的浊度传感器应用最为广泛。浊度探测仪精度能够降低直到触及污泥层,其延伸的距离即污泥层深度。只要进行适当的维护与清洁,这类测量系统可给出可靠的结果。有一种由三个浊度计组成不同的检测仪器,固定安装在沉淀池的不同位置上,可以探测到污泥层在这些位置是否出现。这是一种更可靠的仪器,因为它避免了因转鼓存在而引起的机械问题。可以根据中间位置探棒探测到的情况通过控制策略实现污泥层调节。另两个浊度计的信号可用于报警触发。

污泥沉降特性通常用污泥体积指数(SVI)表示。这个参数由30分钟污泥沉降体积除以悬浮固体浓度而得。SVI受污泥浓度的严重影响。科学技术的进步促进了测量污泥沉降特性的传感器的发展。这类传感器的主要特征是中心玻璃圆筒将混合液体样品带入接近二沉池条件的批沉降实验,利用光传送跟踪批实验中污泥层界面的下降,通过固定行列的位于一面的光发射二极管(LED)和另一面的光电二极管或移动的LED光电二极管对进行测量。Vanrolleghem引入的沉降计用一个移动光探测系统记录污泥层高度的变化,从相应的污泥沉降曲线可以获得最大沉降速率和污泥体积指数。

随着图像分析系统性能与价格比的日益提高,促进了微观图像处理技术在污水处理行业的应用。例如基于图像采集和分析及时监视活性污泥在二沉池中沉降特征的变化,对预防污泥(丝状菌)过度膨胀有重要意义。Grijspeerdt等利用低放大率显微术与图像分析结合开发了一种估计活性污泥沉降特性的在线仪表,可以测量活性污泥絮片形态,对悬浮固体浓度进行快速而可靠的估计[7]

絮凝大小及其粒径分布的测量可以检测不同处理阶段絮凝特性的变化,对处理过程提供有价值的信息。有不同的测量絮凝物的方法。激光散射技术近来被用于在线获取絮凝大小与粒径分布信息。絮凝大小测量仪根据夫琅和费洐射理论制作而成[8];另有一种根据聚焦光束反射率方法制成的探测仪可以测量二沉池的污泥粒径分布[9]

6         结束语

日益严格的污水排放标准对过程测量仪表提出了更高的要求,促进了日益复杂的传感器技术的发展。但由于可靠性、成本等方面的原因,实际投入污水处理系统应用的传感器尚存在很大差距。在今后的学术研究与工业应用方面,尚需对所开发仪器的可靠性、在污水处理过程自动监视与控制系统中传感器所提供信息的可用性等方面作进一步改善。


 


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以上资料摘录自《自动化仪表》杂志
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