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，更有賴于對(duì)各類硬件支持進(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分解有機(jī)物，同時(shí)釋放出電子和質(zhì)子，電子通過外電路從陽極傳遞到陰極形成電流，而質(zhì)子通過質(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-陽極流入式MFC生物傳感器；D-四陽極室-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^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，通過建立兩者間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來估測(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，通過調(diào)節(jié)生物反應(yīng)器內(nèi)的氣流強(qiáng)度來控制硝化反應(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。