污水处理厂未来自动化与监测技术的发展

随着科学技术的深入推进与不断提高，自动化监测技术的逐渐完善是污水处理厂未来发展的一种必然趋势，充分了解污水处理厂的自动化需求、各个处理单元的监测以及污水处理厂自动化监测技术的现状，对于我国污水处理未来自动化的发展具有重要意义。

施汉昌清华大学环境学院教授

1.污水处理厂未来自动化的需求

无人值守的污水处理厂的诞生

自动化控制技术诞生于上世纪四五十年代，七十年代欧美建立了大量的的污水厂，发展出模型，八九十年代计算机的诞生，给予了自动化更多的发展机会。

人类进入二十一世纪，信息化的大潮扑面而来，涤荡着世界的每一个角落。物联网、大数据、人工智能等新技术层出不穷，从根本上改变着人们的生产和生活方式。污水处理行业与新时代的相遇，使“智慧水务”应运而生。这一发展趋势指向了污水处理厂未来自动化的最高境界--无人值守污水处理厂。

实现无人值守或者少人值守需要有以上这些条件。从污水处理行业整体角度来看，自动控制还处于初级阶段，单纯从技术上和财力上来说，一个小规模或中规模的污水处理厂都可以做到几乎无人值守，但是在建成投产使用之后，人员技术水平如果达不到，污水处理厂也是很难做到完全真正的无人值守。无人值守的污水处理厂的实现还有很长的路要走，衡量其必要性和使用范围是十分重要的。

采用自动化控制的原因与需求

从自动化本身的目的和任务的角度来说，实现自动化对于污水处理企业来说要满足安全性、经济性、稳定性三方面的需求。首先要在生产过程中确保人身和设备的安全，不能出现事故，其次要保证生产成本低而效率高，最后要维持运行稳定，保证处理水质能够达标。根据以上要求，在了解工艺流程和生产过程的静态、动态特性的基础上，应用控制理论、概念和手段对控制系统进行分析，采用适宜的手段加以实现。

污水处理厂要采用自动控制的原因主要在于：

第一，由于出水水质的标准日益严格，污水厂对于自动控制的需求更加客观，对于系统的持续稳定性和高效运行性提出了更高的要求。

第二，多数国家从出水单纯达标转向以最小的经济消耗来实现达标。

第三，污水再生利用带来的经济效益，使人们关注到生产过程当中的物料控制。

第四，处理污染物的多样化也导致工艺的复杂性，原来只处理COD，后来又有氨氮，氮磷，未来还要对微量污染物等药物残留进行处理，在所需处理的污染物越来越复杂的情况下，对控制要求也大大提高。

第五，污水处理本身存在着动态变化，水量水质总处于动态变化中，系统要适应这样的过程，必然要进行监测控制，所以这些都促进了自动化控制的发展，也促进了仪器化的发展。

对污水处理的自动控制与仪器化的研究可以追溯到上世纪40年代，经过逐渐发展，70年代后期Olsson和Andrews根据污水处理原理对氧的需求进行详细解释，这是一个非常重要的贡献。

上世纪70年代国际水质协会提出了ICA的概念，即仪器化、控制化和自动化，是水处理自动化技术的三个阶段，其技术核心包括检测仪器、数学模型和控制系统。ICA技术的污水处理工程设施比单纯由人工操作的系统具有很大优势。因此，仪器是污水处理的一个重要的方面，所以对于自动化监测也是一项十分重要的内容。

2.污水处理厂自动化的监测环节

污水处理厂的监测包括很多方面，从厂内系统来讲，主要有初沉池、生化池、二沉池和深度处理四个部分，同时还要考虑上游的排水管网和下游的受纳水体，它们构成了完整的污水处理系统。

厂区监测及实际可控环节

在进行监测时，首先对上游管网参数进行监测，进入水厂以后对进水水质进行监测，进入到生化池以后对厌氧区缺氧区的状态进行监测，还要对好氧区生物量、DO进行监测，进入二沉池之前，如果要进行化学除磷还要对磷进行监测，要对二沉池出水水质监测，在深度处理时要对某些特定指标做监测，处理过的污水排放到受纳水体之后还要对水体的水质变化进行监测，所以需要进行监测的环节很多，但是在污水处理厂实际运行过程中可控环节并不多，总体来说可以控制的环节主要有进水提升、曝气池的曝气量、内回流量，外回流量、污泥排放量、加药量。

从区域角度来说，污水处理厂大体可以分为泥区和水区两部分来控制。对于水区要进行预处理的控制和深化处理的控制，可以分成几个部分来进行仪器安装，下面这张图是从国外借鉴过来的，从1到13共有13类仪器，每个点上都要进行相应的仪器安装，在进行整理后，从图上可以看出不同单元要装很多仪器，显得十分复杂。

但对于监测来说，有高配标准、中配标准和低配标准，不同的标准对于仪器安装要求是不一样的，图中黑字部分是属于中等偏上的标准，灰字部分是属于高配的标准，一般低配标准数量不多。

仪器安装位置的具体工艺说明

下面用三个基本的工艺为例来对仪器的安装位置进行说明。首先是A2O生物脱氮除磷工艺，在进水位置用流量计来测量流量和参数，在缺氧区测氧还原的速率，在好氧区测DO和MLSS。对于灰色标记的仪器没有硬性要求，可以装也可以不装。加药要加流量，要对出水要进行测试，还要考虑污泥量。剩余污泥排放和回流污泥要用MLSS计进行测试，这是A2O法的中等水平的容器配置。

配置仪器的经济效益和好处可以通过一个例子来说明，美国密执安州AnnArbor污水处理厂是一座处理能力为12万吨/每天的城市污水处理厂，要进行简单污水处理使总磷浓度从原来1mg/L下降到0.6mg/L，采用了二沉池前的磷浓度的测试，并根据这个测试控制加药。

1994年开始采用优化运行方法，1995年全部实施，通过简单控制，使出水从原来经常超标变成了一个稳定达标的状态，基本达到0.6mg/L。在加药量方面原来一个月要加89吨/月，而现在只需要加30吨/月，不但药的用量减少了大半，而且出水水质也达到了稳定的标准，因此可见，通过控制既可以保障出水水质还可以取得经济效益。

另外一个常见工艺是SBR法。SBR主要通过曝气来周期运行，一般要对进水进行监测，然后测MLSS和DO，滗水器要测位置和停留时间，还要对曝气量进行控制。在这种配置情况下，在池内不同位置因为水流的关系，DO浓度也是不一样，而SBR是靠DO来控制曝气的，所以要选择适当的位置对DO进行安装。

对于氧化沟来说，进水要装一些仪器，氧化沟里主要有DO和MLSS，在缺氧区有DO和ORP，出水区也有一些常规的检测。氧化沟的特点是水是循环的，水循环过程中，DO的一个停留时间里水可以循环十几圈，根据来水波动的不同，氧化沟里面能够形成一个缺氧的区域，这段时间氧化沟可以转十几次，此时氧化沟里相当于进行了一系列AOAO的脱氮的过程，能够在氧化沟里进行脱氮，这样的情况下，可以在氧化沟装MLSS和DO，在缺氧区装ORP，就可以在氧化沟里同时实现硝化和反硝化的效果。

3.适应污水处理厂自动化的监测技术的发展

污水处理需求不断增多，标准也在不断提高。从需求角度来说，从原来的COD去除、到氮磷去除、到地表水回用标准、到节能降耗，未来也会有低碳运行的要求。从标准的角度来说，从二级标准、到一级B、一级A、到回用水标准、到现在准地表水四类的标准。

非常规水质监测方法优势与要求

常规的化学法监测技术结果是准确的，但是其缺点在于测试的频次比较低，如进行COD测定至少需要三个小时，而且要使用较多的化学药剂。在污水处理过程中，常常需要了解某个位置的DO、COD、有机物、N、P等更加及时的信息，所以要发展一些非常规的监测方法，比如电化学方法，光学方法，它们的特点是测定频次比较高，速度较快可以达到分级甚至秒级的速度，结果是相对准确的，试剂消耗较少，所以具有很大的优势。

对于深度处理，需要测微量污染物，对于重金属、抗生素、残留药物等这些也可以用到光学法或者是生物传感器的方法，另外在对一些有毒污染物进行工业废水冲击时需要给出及时预警，也可以用生物方法来进行监测。

从自动控制的发展对于仪器的需求来讲，它对不同仪器有不同的需求，而且这些仪器都在污水处理厂的自动控制方面是有用武之地的。所以从自动控制的发展角度来讲，在已有的基础上应该去发展一些如光学法、电化学法等非常规的监测技术，能够更有效更快而且还更经济地提供信息。

对于非常规水质监测技术有两个要求，一是空间上密度要高，可以通过多布点来实现，二是时间上频次要高，能够实现半小时一次、十五分钟一次，甚至几分钟一次，这里就显示出了电化学法和光学法的优越性。

非常规水质监测方法原理与应用

举个运用光学法监测的例子，这是一个紫外可见光全光谱法，上世纪七八十年代最早研究光学法与COD关系的是日本，当时他们用一个254nm单光谱来作为COD的相关参数，但是254nm对于不饱和烃、苯环等其他物质也会产生吸收，所以结果不准确。

到上世纪末小型的光谱议出现了，水样测试是比较复杂的，因为水样中往往有浊度和色度，这些都在可见光的范围里，如果采用光学法，通过可见光将色度和浊度透过之后，可以得到比较准确的测定结果。

这是一个简单的光学仪器的结构，在测硝酸盐时，吸收峰280nm和225nm，在比较干净的水里可以做出比较准确的标准曲线，如果有COD和浊度的影响，仍然是可以分的出来的，所以光谱仪器已经较多应用于水环境监测了，经过本地校准后，能够得到很好的相关性。

另外呼吸速率仪也是用来预警的监测仪器，呼吸速率仪很早就发展起来，主要用来监测活性污泥的状态，以Cu离子为例，不同浓度的Cu离子呼吸速率会产生变化，呼吸速率低说明对微生物产生影响，进入污水处理厂前可以作预警系统。

涉及到微量污染物时，通常用一些大型仪器来测定，但是这样的复杂仪器的缺点在于时间长、费用高，因此现在也发展出了用生物传感器为基础测污染物的技术，利用抗体对污染物的特殊识别能力可以对污水中的污染物进行测定，主要是基于激光技术原理，激光照射在光纤里可以在表面上产生很小的能量的光，称之为倏逝波，如果在表面修饰一些抗原，把水样和标记抗体混合以后会产生结合反应，结合反应完成后把它通到表面上来，这时剩余的抗体就会结合起来，这时候如果有激光进来的话，就会产生荧光，把这个荧光收集回去就可以得到和这个微量污染物相关的信息。

这些仪器可以自动在一个周期里测污染物，也是测污染物的最新仪器。将来可能在进行深度处理的时候，如臭氧的氧化，可以用微量污染物的监测数据来控制深度处理中氧化剂的添加，可以保证出水中微量污染物得到有效去除。

4.展望与结论

不论是自动化控制还是仪器，都是一个多基础来源的交叉融合产生的技术，随着新材料技术、物理、化学、信息、电子等技术的发展都会促使仪器的进一步发展。

新型污水处理仪器发展趋势

未来可能发展出来的一种污水处理仪器是智能化仪器。智能化仪器是计算机技术和电子测量技术的紧密结合的产物，除了测量之外，还会有数据存储，运算、逻辑判断能力，能根据被测参数的变化自选量程，可自动校正、自动补偿、自寻故障等。

另外一种污水处理仪器是虚拟仪器。虚拟仪器是以通用计算机作为核心硬件平台，它把仪器分成前面的传感器，传感器后边的部分都尽量放到计算机上面来，这样就形成了虚拟仪器，当然随着计算机技术发展，还有就是传感器小型化，这两方面结合起来就会使虚拟仪器得到更好的发展。

仪器器械的小型化也是污水处理仪器的一个发展趋势，应用精密加工与微流体技术，能够降低成本和运行的费用，比如可以通过纳米环谐振器芯片来测一些水体的微量污染物，技术也会随着自动化的仪器的提升会提高。

通过仪器小型化可以将传感器变成芯片，比如说传感器最基础的电极在后边，包括芯片集成就可以变得很小，好处在于体积小、材料使用少、功耗小。另外现在使用的大部分仪器需要用电，也可以发展太阳能为设备供能。这些都是在将来污水处理中可能发展应用的新的仪器。

从总体上来说，目前我国环境情况与环境保护目标存在着相当大的差距，仪器发展和污水处理厂自动化都有非常大的空间来完善，应该在原有基础上去发展一些非常规、信息化、智能化的仪器，这些将为我国污水处理未来自动化的发展提供有力的技术支撑。

编辑：news18