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(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程和裝備的復(fù)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(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程的新型傳感器相繼問世。污水處理過程是復(fù)雜的生化反應(yīng)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(yīng)用于不同的場合，反映一個(gè)或多個(gè)特定變量的狀態(tài)信息變化。 　　污水處理工藝一般由機(jī)械處理、生化處理和化學(xué)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。 　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(dǎo)率、懸浮固體等傳感器。 　?、賲捬跸^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(bào)警參數(shù)。 　?、垡何粶y量用于水位監(jiān)視，通常采用浮標(biāo)、差壓變送器、容量測量、超聲水位檢測等方法測量。 　?、芰髁勘O(jiān)測儀表主要有堪板、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。 　　 　?、輕H值是生化過程中的一個(gè)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電極浸人污泥中，通過不同的清潔策略可以實(shí)現(xiàn)長期免維護(hù)。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。 　?、揠妼?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)。 　?、邆鹘y(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(jìn)行估計(jì)。隨著靈敏的光檢測儀的出現(xiàn)，能夠自動(dòng)進(jìn)行光效應(yīng)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(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。 　　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(yīng)器的總體活性。近年來一些專用技術(shù)被用來監(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(xué)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(yīng)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(yù)測液相中相應(yīng)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(bào)道。 　　pH測量不容易對不平衡厭氧消化槽進(jìn)行檢測，特別是當(dāng)混合液的堿度高時(shí)。這種情況下可對混合液體中C02和碳酸鹽進(jìn)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(yīng)用于實(shí)際厭氧消化過程。 　　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。對堿度進(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)。 　　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(huì)引起pH值的降低而導(dǎo)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(shí)施在線傳感器。最先進(jìn)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(shí)提供COD、TOC、VFA等參數(shù)的測量。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。更具可靠性的測量是采用滴定計(jì)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(yīng)用。VFA分析儀可以決定消化液體中VFA濃度；MAIA生物傳感器可對代謝活性進(jìn)行測量；RANTOX生物傳感器用于檢測即將來臨的有機(jī)物過載及毒性負(fù)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(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量監(jiān)視儀表。氧測量基于液體中擴(kuò)散氧的電化學(xué)反應(yīng)。溶解氧(DO)傳感器是可靠準(zhǔn)確的測量儀表，但必須謹(jǐn)慎選擇合適的測量位置，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(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離線測量生物需氧量(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)需要較長時(shí)間，且很難達(dá)到一致的準(zhǔn)確測量。廢水負(fù)載的在線測量根據(jù)短期BOD估計(jì)實(shí)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(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傳感器需要精心維護(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。 　　廢水處理廠最廣泛監(jiān)視的變量是化學(xué)需氧量COD。COD自動(dòng)監(jiān)測儀可以每隔1~2小時(shí)進(jìn)行一次自動(dòng)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(shí)驗(yàn)的主要限制是不能區(qū)分可生物降解和惰性有機(jī)物。 　　TOC表示污水中總有機(jī)碳的含量，也是表征水體受有機(jī)物污染程度的一個(gè)指標(biāo)。TOC測量的主要原理是將有機(jī)碳轉(zhuǎn)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(jī)碳濃度。典型的測量儀器是紅外線抽氣分析儀。TOC被認(rèn)為是一個(gè)很好的監(jiān)視參數(shù)，特別是監(jiān)視排水質(zhì)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(jī)物有著密切的關(guān)系。紫外線吸光度自動(dòng)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(jià)排放質(zhì)量。最近10年，光學(xué)技術(shù)取得顯著進(jìn)步，使遠(yuǎn)程與多點(diǎn)測量成為可能，大大方便了污水處理過程監(jiān)視的實(shí)施。紅外光譜測量對于TOC、COD、BOD等特殊參數(shù)的估計(jì)與在線監(jiān)視具有很大潛力。紅外光譜儀的主要缺點(diǎn)是光電池成分的結(jié)垢會(huì)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(xué)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(chǔ)于體內(nèi)(吸磷)；缺氧條件下，廢水中的硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀懦?反硝化)；厭氧條件下，聚磷分解釋放無機(jī)磷至污泥中(釋磷)。為了保證儀器的滿意運(yùn)行，大多數(shù)商業(yè)測量系統(tǒng)仍要求使用經(jīng)過預(yù)處理的樣品。超濾單元(UF)常被用于實(shí)現(xiàn)采樣預(yù)處理。根據(jù)隔膜技術(shù)建立的半微量連續(xù)流量分析系統(tǒng)原理被廣泛應(yīng)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(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。這類傳感器的缺點(diǎn)是不能將多個(gè)測量點(diǎn)連接到一個(gè)測量設(shè)備，而UF單元允許連接到不同采樣點(diǎn)的多個(gè)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(zhǔn)備單元，大量的努力投入典型實(shí)驗(yàn)方法在污水處理廠的自動(dòng)在線應(yīng)用中。目前存在三種實(shí)施方案:批樣化學(xué)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(diǎn)是分析反應(yīng)無需達(dá)到平衡，因?yàn)闃悠返南♂尲白⑷肱c檢測的反應(yīng)時(shí)間在恒定載體流速下可以再生，但泵的選擇須謹(jǐn)慎。SIA是HA的改進(jìn)，其主要特點(diǎn)是用一個(gè)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(diǎn)。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(dòng)正磷酸鹽分析儀的準(zhǔn)確性已經(jīng)被證明，但其運(yùn)行代價(jià)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(shù)角度講,ORP測量可認(rèn)為是準(zhǔn)確且不存在問題的，但不應(yīng)根據(jù)絕對ORP值對過程進(jìn)行控制。可以根據(jù)ORP曲線上的斷點(diǎn)或拐點(diǎn)解釋ORP測量值。拐點(diǎn)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(diǎn)是DO斷點(diǎn)和NO3-斷點(diǎn)。DO斷點(diǎn)意味著富氧階段NH4+的消失(硝化終點(diǎn)),而NO3-斷點(diǎn)意味著缺氧過程N(yùn)O3-的消失(反硝化終點(diǎn))。 　　大量離子選擇性電極(ISE)利用電化學(xué)反應(yīng)監(jiān)視NH4+、NO3-、S2-等特定化學(xué)成分。硝酸鹽ISE具有低化學(xué)品消耗、無需或只需少量預(yù)處理、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)施自動(dòng)現(xiàn)場校準(zhǔn)方法克服。NH4+ISE是測量NH4+的首選方法，有限的運(yùn)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(guān)。 　　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(diǎn)是不需過多維護(hù)，且響應(yīng)<