你可能没听过这些污水厂新型检测设备

4基于定性趋势分析的软测量法

曝气效率的控制对于污水处理厂运行效率的提升有着重要意义。目前普遍采用的标准策略是控制一定的曝气强度，使得曝气池中的DO维持在某一设定值;另一种策略是控制曝气池中氨氮的浓度，因为氨氮过量会使得活性污泥发生反硝化现象，产生的气体携带污泥絮团上浮，不利于污泥沉降。目前适用的氨氮检测方法通常为原位离子选择性电极检测和异位人工分析检测，然而两者的人工和维护成本都相对较高。软测量(soft sensor)为解决这一问题提供了新的思路。

软测量是对难以测量的目标变量，选择其他容易测量或测量成本较低的变量，通过建立两者间的对应关系来估测目标变量，不但经济可靠，且动态响应迅速。已有文献研究了基于电导率与氨氮浓度、pH/ORP(氧化还原电位)与生物反硝化控制之间关系的软测量在污水处理厂SBR工艺中的应用。

由于氨氮负荷增大会促进硝化作用和质子产生，除非提高曝气率使氧利用和CO2脱离产生质子达到平衡，否则反应器内的质子净产量会持续增大，表现为pH下降;反之，若氨氮负荷减小，则硝化作用减弱，质子产量减小，表现为pH上升。

对于连续运行的污水处理厂，好氧区内部的pH值差值即包含了氨氮浓度分布的信息，如图7为某污水处理厂曝气单元头尾的pH值差值和氨氮浓度在时间序列上的对应关系，对比可知两者的极值同步出现，因此可通过基于pH值差值和氨氮浓度之间关系的软测量方法实现对氨氮浓度的实时监测。

图7 曝气池头尾的pH差值(上)及中间的氨氮浓度(下)在时间上的对应关系

Thürlimann等提出了一种基于定性趋势分析(qualitative trend analysis，QTA)和规则控制(rule-based control)的软测量方法来检测并控制活性污泥工艺中的氨氮浓度，并在瑞典的六座污水处理厂对其进行应用。

该方法的主要处理流程如图8所示：首先采用定性状态估测(qualitative state estimation，QSE)算法对pH在线监测器测得的原始信号进行处理;然后采用规则控制算法评估QSE算法得到的结果;与此同时，对原始信号及污水厂的部分运行状态参数进行分析，核查非正常数据，以便在必要时推翻规则控制算法得出的决策;最后将得到的DO设定值传输到DO控制器，通过调节生物反应器内的气流强度来控制硝化反应的速率。

其中，QSE算法的作用是根据一定的特征将原始信号在时间序列上分割成若干片段，而输入的原始信号可能由于背景干扰而存在多个峰值，且QSE输出结果为二元，需转化为连续的氨氮浓度信号，因此还需要通过规则控制算法对QSE算法得到的结果作进一步处理。

该软测量方法的装置示意图如图9所示，在第一座和最后一座曝气池分别安装两个pH监测器，每个监测器每隔1 min检测并记录pH值;在池中间安置离子交换柱检测氨氮浓度作为参考。

图8 采用软测量法监测和控制硝化反应过程的方法原理

图9 软测量法在污水处理厂应用及验证的硬件设置

结果显示，该方法在水厂实际测试中具有很好的效果。在实际测试中，pH检测器的稳健性远高于氨氮离子交换检测器，前者更不容易发生设备故障，且允许pH信号在一定程度内的偏移，减小了仪器校准和维护所投入的精力。同时，通过对DO的精准控制，测试污水处理厂的能源消耗可以节省7%左右，特别对于人力有限的中小型污水处理厂，其具有应用价值。

原标题为《污水处理厂运行维护与管理控制模式：检测设备》，发表在《净水技术》2018年第8期“情报汇编”栏目。

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