曹徐齊

(1.上?！秲羲夹g(shù)》雜志社，上海 200082；2.上海市凈水技術(shù)學(xué)會(huì)，上海 200082)

在污水處理廠實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的自動(dòng)化和信息化管理控制，不僅需要對(duì)工藝單元運(yùn)行狀況的軟件模擬、對(duì)工藝內(nèi)部運(yùn)行及各單元間調(diào)配模式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、對(duì)污水廠儀器設(shè)備管理維護(hù)的改進(jìn)優(yōu)化，更有賴(lài)于對(duì)各類(lèi)硬件支持進(jìn)行及時(shí)的更新替換，使其能夠滿足日益提升的出水標(biāo)準(zhǔn)和管理目標(biāo)的需要。其中檢測(cè)器(sensor)作為基礎(chǔ)的工藝控制元件，對(duì)于工藝線的正常運(yùn)行具有重要作用，檢測(cè)限低、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間迅速、穩(wěn)定性強(qiáng)、校準(zhǔn)維護(hù)方便的檢測(cè)器，是實(shí)現(xiàn)污水廠各水質(zhì)指標(biāo)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和控制的重要保障。本文介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外幾種較為前沿且具有巨大應(yīng)用前景的檢測(cè)設(shè)備或方法，包括氣體傳感裝置(電子鼻)、微生物燃料電池生物傳感器、圖像分析技術(shù)、軟檢測(cè)器等，介紹了它們的檢測(cè)原理及在污水處理廠的應(yīng)用，以期為相關(guān)從業(yè)人員提供參考借鑒。

1 基于氣體傳感裝置的水質(zhì)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)系統(tǒng)“VPeN”

電子鼻(electronic noses)或氣體傳感裝置在環(huán)境領(lǐng)域主要用于氣相分析，但若合理裝配，它們同樣可以用來(lái)檢測(cè)液相中的揮發(fā)性污染物，如已有研究采用校正后的電子鼻設(shè)備來(lái)評(píng)估污水處理廠下游自然水體中的BOD5含量[2]；有采用固態(tài)傳感裝置檢測(cè)殺蟲(chóng)劑林丹在廢水中含量的案例[3]。氣體傳感裝置適宜檢測(cè)的污染物指標(biāo)通常在60～90 ℃的溫度下(設(shè)備加熱)易由液相轉(zhuǎn)化為氣相，如部分硫化衍生物、銨/胺衍生物、余氯，以及生活污水中易被生化降解產(chǎn)生氣體(CO2、N2)的BOD5、COD、總凱氏氮等。

為了使傳感器能夠?qū)V譜氣體(如VOCs)具有靈敏性，該氣體傳感裝置采用基于金屬氧化物的電阻式傳感模組件。由于設(shè)備成本較低，其會(huì)同時(shí)對(duì)多種氣態(tài)污染物響應(yīng)，因此提供的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度較低，但同時(shí)這種低選擇性也是其優(yōu)勢(shì)之一，原因有兩點(diǎn)：(1)能夠分辨出某一大類(lèi)的污染物氣體，而非單一污染物；(2)能對(duì)影響調(diào)查環(huán)境“氣態(tài)氛圍”的多種情況作出響應(yīng)。裝置采用八個(gè)TGS Figaro氣體傳感器，它們分別對(duì)某一種特定氣體的含量在一定程度上具有線性響應(yīng)，但同時(shí)它們對(duì)廣譜氣體污染物具有響應(yīng)，靈敏度存在重疊(overlying sensitivity)。同時(shí)，裝置內(nèi)置了氣壓、溫度和濕度傳感器，對(duì)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行平衡和修正。裝置工作時(shí)，先由鼓風(fēng)機(jī)通入空氣作為潔凈氣體進(jìn)行基準(zhǔn)校正，然后通過(guò)蠕動(dòng)泵和鼓風(fēng)機(jī)向裝置注入待測(cè)水產(chǎn)生的氣體，直到讀數(shù)穩(wěn)定得到結(jié)果。裝置工作原理及原型如圖1和圖2所示。

圖1 VPeN工作原理圖Fig.1 Block Diagram of VPeN

圖2 VPeN試驗(yàn)原型Fig.2 Experimental Prototype of VPeN

該裝置無(wú)需另外消耗氣體，且能夠方便地外接數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)溫度、pH、氧化還原電勢(shì)等外部條件對(duì)結(jié)果的影響作出修正和調(diào)試，該裝置的性能表現(xiàn)能有進(jìn)一步的提升。

2 微生物燃料電池生物傳感器

目前，環(huán)境友好型的生物電化學(xué)系統(tǒng)在污水處理和回用中發(fā)揮的潛力正日益受到關(guān)注，其中最熱門(mén)的技術(shù)便是微生物燃料電池(MFC)。MFC可利用微生物作為生物催化劑來(lái)分解有機(jī)物，同時(shí)釋放出電子和質(zhì)子，電子通過(guò)外電路從陽(yáng)極傳遞到陰極形成電流，而質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜傳遞到陰極，氧化劑(一般為氧氣)在陰極得到電子被還原。MFC可將廢水中的污染物轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?，從而減小活性污泥法等生物化學(xué)工藝所需的能耗，是一種非常具有應(yīng)用前景的技術(shù)。

MFC生物傳感器(biosensor)則是一種利用MFC產(chǎn)生的弱電來(lái)可持續(xù)地對(duì)水體環(huán)境中的目標(biāo)污染物進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)。MFC產(chǎn)生的電流同陽(yáng)極生物膜上發(fā)生的具有電活性的代謝活動(dòng)直接相關(guān)，其間電子可通過(guò)直接傳遞[納米線(nanowires)或直接接觸]或間接傳遞(中間介質(zhì)或胞外基質(zhì))從生物膜傳遞到陽(yáng)極表面，而溫度、pH、電導(dǎo)率等操作條件都會(huì)對(duì)電流穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。MFC生物傳感器的工作原理正是基于將陽(yáng)極生物膜作為識(shí)別元件，其可對(duì)電子從生物膜傳遞到陽(yáng)極時(shí)發(fā)生的流量變化作出響應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為可測(cè)的信號(hào)強(qiáng)度，從而監(jiān)測(cè)水體中有機(jī)物的含量水平。MFC生物傳感器產(chǎn)生的電流使得其可在無(wú)能源供給的偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，是一種理想的可持續(xù)性監(jiān)測(cè)裝置。通常采用天然的混合微生物菌種可以提高M(jìn)FC生物傳感器檢測(cè)的效率和穩(wěn)定性。當(dāng)前研究已有的幾種不同的微生物燃料電池(MFC)生物傳感器裝置如圖3所示[4]。

注:A-硅基MFC生物傳感器；B-疊層3D打印微型MFC生物傳感器；C-陽(yáng)極流入式MFC生物傳感器；D-四陽(yáng)極室-共陰極MFC生物傳感器；E-單室型MFC生物傳感器；F-雙感應(yīng)元MFC生物傳感器圖3 不同的微生物燃料電池(MFC)生物傳感器裝置Fig.3 Different Setups for Microbial Fuel Cell-Based Biosensors

當(dāng)MFC裝置用于產(chǎn)電時(shí)，其研究重點(diǎn)主要為如何提高電池效率和電能輸出；而當(dāng)MFC作為生物傳感器應(yīng)用時(shí)，其研究重點(diǎn)主要為如何提高對(duì)目標(biāo)物的檢測(cè)靈敏度，如式(1)。

(1)

其中：ΔI—電流輸出變化，μA；

Δc—目標(biāo)檢測(cè)物的含量變化，mmol/L；

A—陽(yáng)極表面積，cm2。

因此，MFC生物傳感器的檢測(cè)靈敏度和目標(biāo)檢測(cè)物單位濃度變化引起的電流變化以及陽(yáng)極表面積的大小相關(guān)。另外，MFC生物傳感器還應(yīng)具備以下特性：能產(chǎn)生平穩(wěn)恒定的電流輸出(基線)；無(wú)論溫度、pH、電導(dǎo)率等水樣條件如何波動(dòng)，電輸出需具備重現(xiàn)性；響應(yīng)時(shí)間(即電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的95%所需的時(shí)間)需足夠短；對(duì)于干擾，需能在足夠快的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到基線狀態(tài)。

盡管由于簡(jiǎn)單緊湊的結(jié)構(gòu)和低廉的成本，MFC生物傳感器近年來(lái)在水廠和污水廠的水質(zhì)監(jiān)測(cè)和控制中得到了一定應(yīng)用，但其進(jìn)一步推廣和普及仍存在一定的挑戰(zhàn)，包括對(duì)污染物的選擇性較低、檢出限較高、準(zhǔn)確度較低、微生物易被其他菌株污染、對(duì)極端環(huán)境的耐受性較差、不能長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、對(duì)污染物的響應(yīng)存在時(shí)間滯后等。今后的研究重點(diǎn)主要在高效且低價(jià)的電極和膜材料的開(kāi)發(fā)、新型微生物菌株的分離等方面。

3 圖像分析技術(shù)在絮體檢測(cè)和絮凝劑控制中的應(yīng)用

在污水處理工藝中，圖像分析技術(shù)在判斷絮凝過(guò)程中絮體的大小、碎片維度、強(qiáng)度和破碎程度方面具備一定優(yōu)勢(shì)，然而受準(zhǔn)確度、操作可行性和軟硬件的限制，該技術(shù)目前僅在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)試驗(yàn)成功。Sivchenko等[7]基于一種圖像紋理分析技術(shù)(texture image analysis)——灰度共生矩陣(grey level co-occurrence matrix，GLCM)，設(shè)計(jì)了一種新型的絮體檢測(cè)器，并在挪威一座污水處理廠對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。

該裝置位于二沉池上方，主要由蠕動(dòng)泵、圖像采集室、LED燈源、相機(jī)模塊、顯示屏及Raspberry Pi單板計(jì)算機(jī)等部件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中圖像采集室實(shí)物如圖5所示，單板計(jì)算機(jī)可用來(lái)控制和改變相機(jī)參數(shù)。每隔10 min對(duì)圖像采集室連續(xù)拍攝3張照片(拍攝間隔為5 s)進(jìn)行圖像分析。通過(guò)軟件獲取圖像的四個(gè)特征量——對(duì)比度(contrast)、熵(entropy)、相似度(homogeneity)和差異度(variance)，然后采用GLCM法對(duì)圖像的紋理進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)所拍攝絮體圖片的紋理信息和絮凝劑的投加劑量存在一定相關(guān)性，因此可用于預(yù)測(cè)絮凝劑的投加量和預(yù)報(bào)混凝沉淀出水的濁度值。

圖4 絮體裝置示意圖Fig.4 Schematic Representation of the Floc Detection Setup

圖5 圖像采集室Fig.5 Imaging Cell

出水濁度分別為1.9～5 FNU(ISO 7027《水質(zhì)-濁度的測(cè)定》方法采用的濁度單位)、小于1.9 FNU以及大于5 FNU時(shí)所拍攝的絮體照片及對(duì)應(yīng)的四個(gè)特征量值如表1所示。根據(jù)照片發(fā)現(xiàn)相似度較高的絮體照片對(duì)應(yīng)的出水濁度更低，處理效果更佳，而剩余三個(gè)特征量更高的照片對(duì)應(yīng)的出水濁度高，表明絮凝效果不理想，需提高絮凝劑投加量。

根據(jù)每天的進(jìn)出水參數(shù)(流量、濁度、pH、溫度等)及四個(gè)GLCM特征量，建立模型預(yù)測(cè)絮凝劑的投加量，與該污水處理廠的絮凝劑實(shí)際投加劑量采用偏最小二乘法進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖6所示。連續(xù)實(shí)線為該污水處理廠絮凝劑投加量的參考值(即實(shí)際采用量)；三角為實(shí)際出水濁度值；根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定出水的理想濁度范圍為1.9～5 FNU，即兩條虛線之間；方框點(diǎn)為出水濁度在1.9～5 FNU時(shí)的模型預(yù)測(cè)投加量；方框點(diǎn)、圓黑點(diǎn)、菱形點(diǎn)分別是出水濁度為1.9～5 FNU、小于1.9 FNU以及大于5 FNU時(shí)的模型預(yù)測(cè)投加量。結(jié)果顯示預(yù)測(cè)值和參考值之間的擬合情況較為理想，其中出水濁度超過(guò)5 FNU的天數(shù)實(shí)際發(fā)生降雨，絮凝劑投加為人工控制，投加量被低估。

表1 不同出水濁度下三種絮體的照片及對(duì)應(yīng)的GLCM特征參數(shù)Tab.1 Sample Images and GLCM Textural Features Corresponding to Different Outlet Turbidity Measurements

注：括號(hào)內(nèi)為實(shí)際出水濁度

圖6 絮凝劑預(yù)測(cè)投加量及參考投加量對(duì)比Fig.6 Comparison of Predicted Coagulant Dosages by PLSR and Reference Dosages

研究表明若該絮體檢測(cè)器和絮凝劑投加自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)一步聯(lián)用，十分具有應(yīng)用前景。

4 基于定性趨勢(shì)分析的軟測(cè)量法

曝氣效率的控制對(duì)于污水處理廠運(yùn)行效率的提升有著重要意義。目前普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)策略是控制一定的曝氣強(qiáng)度，使得曝氣池中的DO維持在某一設(shè)定值；另一種策略是控制曝氣池中氨氮的濃度，因?yàn)榘钡^(guò)量會(huì)使得活性污泥發(fā)生反硝化現(xiàn)象，產(chǎn)生的氣體攜帶污泥絮團(tuán)上浮，不利于污泥沉降[8]。目前適用的氨氮檢測(cè)方法通常為原位離子選擇性電極檢測(cè)和異位人工分析檢測(cè)，然而兩者的人工和維護(hù)成本都相對(duì)較高。軟測(cè)量(soft sensor)為解決這一問(wèn)題提供了新的思路。

軟測(cè)量是對(duì)難以測(cè)量的目標(biāo)變量，選擇其他容易測(cè)量或測(cè)量成本較低的變量，通過(guò)建立兩者間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)估測(cè)目標(biāo)變量，不但經(jīng)濟(jì)可靠，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速。已有文獻(xiàn)研究了基于電導(dǎo)率與氨氮濃度[9]、pH/ORP(氧化還原電位)[10]與生物反硝化控制之間關(guān)系的軟測(cè)量在污水處理廠SBR工藝中的應(yīng)用。由于氨氮負(fù)荷增大會(huì)促進(jìn)硝化作用和質(zhì)子產(chǎn)生，除非提高曝氣率使氧利用和CO2脫離產(chǎn)生質(zhì)子達(dá)到平衡，否則反應(yīng)器內(nèi)的質(zhì)子凈產(chǎn)量會(huì)持續(xù)增大，表現(xiàn)為pH下降；反之，若氨氮負(fù)荷減小，則硝化作用減弱，質(zhì)子產(chǎn)量減小，表現(xiàn)為pH上升。對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的污水處理廠，好氧區(qū)內(nèi)部的pH值差值即包含了氨氮濃度分布的信息，如圖7為某污水處理廠曝氣單元頭尾的pH差值和氨氮濃度在時(shí)間序列上的對(duì)應(yīng)關(guān)系[11]，對(duì)比可知兩者的極值同步出現(xiàn)，因此可通過(guò)基于pH差值和氨氮濃度之間關(guān)系的軟測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)對(duì)氨氮濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖7 曝氣池頭尾的pH差值(上)及中間的氨氮濃度(下)在時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7 pH Difference between First and Last Aerated Tanks (Top) and Concentration (Bottom) Measured in the Middle Tank

圖8 采用軟測(cè)量法監(jiān)測(cè)和控制硝化反應(yīng)過(guò)程的方法原理Fig.8 Method and Principle of Nitrification Monitoring and Control by Means of Soft Sensing

Thürlimann等[9]提出了一種基于定性趨勢(shì)分析(qualitative trend analysis，QTA)和規(guī)則控制(rule-based control)的軟測(cè)量方法來(lái)檢測(cè)并控制活性污泥工藝中的氨氮濃度，并在瑞典的六座污水處理廠對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用。該方法的主要處理流程如圖8所示：首先采用定性狀態(tài)估測(cè)(qualitative state estimation，QSE)算法對(duì)pH在線監(jiān)測(cè)器測(cè)得的原始信號(hào)進(jìn)行處理；然后采用規(guī)則控制算法評(píng)估QSE算法得到的結(jié)果；與此同時(shí)，對(duì)原始信號(hào)及污水廠的部分運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，核查非正常數(shù)據(jù)，以便在必要時(shí)推翻規(guī)則控制算法得出的決策；最后將得到的DO設(shè)定值傳輸?shù)紻O控制器，通過(guò)調(diào)節(jié)生物反應(yīng)器內(nèi)的氣流強(qiáng)度來(lái)控制硝化反應(yīng)的速率。其中，QSE算法的作用是根據(jù)一定的特征將原始信號(hào)在時(shí)間序列上分割成若干片段，而輸入的原始信號(hào)可能由于背景干擾而存在多個(gè)峰值，且QSE輸出結(jié)果為二元，需轉(zhuǎn)化為連續(xù)的氨氮濃度信號(hào)，因此還需要通過(guò)規(guī)則控制算法對(duì)QSE算法得到的結(jié)果作進(jìn)一步處理。該軟測(cè)量方法的裝置示意圖如圖9所示，在第一座和最后一座曝氣池分別安裝兩個(gè)pH監(jiān)測(cè)器，每個(gè)監(jiān)測(cè)器每隔1 min檢測(cè)并記錄pH值；在池中間安置離子交換柱檢測(cè)氨氮濃度作為參考。

圖9 軟測(cè)量法在污水處理廠應(yīng)用及驗(yàn)證的硬件設(shè)置Fig.9 Hardware Setup for Soft-Sensor Development and Validation on a Wastewater Treatment plant

結(jié)果顯示，該方法在水廠實(shí)際測(cè)試中具有很好的效果。在實(shí)際測(cè)試中，pH檢測(cè)器的穩(wěn)健性遠(yuǎn)高于氨氮離子交換檢測(cè)器，前者更不容易發(fā)生設(shè)備故障，且允許pH信號(hào)在一定程度內(nèi)的偏移，減小了儀器校準(zhǔn)和維護(hù)所投入的精力。同時(shí)，通過(guò)對(duì)DO的精準(zhǔn)控制，測(cè)試污水處理廠的能源消耗可以節(jié)省7%左右，特別對(duì)于人力有限的中小型污水處理廠，其具有應(yīng)用價(jià)值。