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)。日益嚴格的污水排放標準導(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(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。 　　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 　?、趬毫y量值常常用作曝氣和厭氧消化過程的報警參數(shù)。 　?、垡何粶y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(zhuǎn)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(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(dǎo)率傳感器用于監(jiān)視進水成分的變化，同時也是化學(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(yīng)測量的傳感器得以問世。大多數(shù)商業(yè)傳感器使用了一個發(fā)射低可視光或紅外光的光源，在這個區(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(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。可以直接測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(yīng)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。可以采用氣體流量計測量所產(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(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(xué)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(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(guān)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(xué)反應(yīng)。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(jié)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(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力學(xué)的常用工具。呼吸計實質(zhì)上是一個反應(yīng)器，測量結(jié)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(nèi)有機溶質(zhì)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(yīng)器構(gòu)成，內(nèi)含10升污泥，可以得到大動態(tài)范圍內(nèi)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(xué)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(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(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物有著密切的關(guān)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(zhì)量。最近10年，光學(xué)技術(shù)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(jié)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(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于體內(nèi)(吸磷)；缺氧條件下，廢水中的硝酸鹽轉(zhuǎn)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(yù)處理的樣品。超濾單元(UF)常被用于實現(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(shè)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(yīng)用中。目前存在三種實施方案: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，其主要特點是分析反應(yīng)無需達到平衡，因為樣品的稀釋及注入與檢測的反應(yīng)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(shù)角度講,ORP測量可認為是準確且不存在問題的，但不應(yīng)根據(jù)絕對ORP值對過程進行控制。可以根據(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(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(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)點是不需過多維護，且響應(yīng)<