污水处理里的测定仪工作原理

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近年来，我国的城市污水处理设施建设发展迅速，大中型污水处理厂已有3000余座，中小城镇的污水处理厂建设方兴未艾。这些污水处理厂的运行将获得巨大的环境效益，同时也将产生巨大的能耗和物耗。从实现国家节能减排和可持续发展的目标出发，发展污水处理的节能降耗技术具有重大的意义。污水处理厂达标运行和节能降耗技术的发展，必然会推动控制技术和在线监测仪器的广泛应用。 《污水处理在线监测仪器原理与应用（第二版）》介绍了污水处理中常用的在线监测仪器及其基本原理，内容包括测量仪表的基本知识、污水处理的常用监测指标、污水处理在线监测仪器、数据采集与通信、仪器仪表的日常维护与管理和在线监测仪器的应用及实例。在此基础上，根据国内外最新发展，增加了溶解氧的荧光检测技术、COD的光谱检测技术、基于人工嗅觉原理的氨氮检测技术、生物毒性检测和管网的液位检测等新技术，先进实用，是国内少有的详细介绍污水处理在线分析监测仪器的专业著作。 《污水处理在线监测仪器原理与应用（第二版）》作者清华大学环境学院施汉昌教授长期以来从事污水处理系统的优化运行和仪器化、污水生物处理反应动力学和生物传感器的研究，积累了大量研究成果和丰富的经验。本书正是施教授长期以来从事废水生物处理和传感器技术研究的研究成果和经验的总结，具有实用性、可操作性和指导性。 《污水处理在线监测仪器原理与应用（第二版）》于2013年11月出版，书号：9787122182852。点击查看购买链接

一、污水的物理性质指标1、温度 对污水、污泥的物理性质、化学性质及生物性质有着直接影响。在活性污泥系统的曝气池中，主要依靠大量活性微生物（菌胶团）进行处理，他们比较适合的温度一般在20～30℃左右，因此，如果要保证较好的有机物处理效果，温度应该尽可能的控制在20～30℃左右。温度监测在现场进行，常用的方法有水温计法、深水温计法、颠倒温度计法和热敏温度计法。2、色度 城市污水处理厂的污水与工业废水的污水不同，其色度并不是很明显，但是并不说对于色度的监测不重要。其实，通过对进入污水处理厂的污水颜色的观察，可以判断污水的新鲜程度。通常，新鲜的城市污水呈灰色，可是如果在管道输送过程中厌氧腐败，DO很少，则污水呈黑色并带有臭味。另外，在我国，由于通常采用将工业废水与生活污水合流排放的排水体制，所以有时城市污水厂的色度有时有较大差异。色度给人以不悦的感觉，我国对于污水厂排放标准中对于色度有排放要求，因此，如果进水的色度较大时，出水的监测指标中色度应该予以重视。3、臭味 水中臭味主要来自有机质的腐败产生的，也会给人带来不快，甚至会影响到人体生理，呼吸困难、呕吐等。因此，臭味是比较重要的物理指标，不过，目前污水厂并没有对臭味进行专门的监测。二、污水的化学（包括生化）性质指标 污水水质化学指标有悬浮物、pH、碱度、重金属离子、硫化物、生化需氧量、化学需氧量、总需氧量、总有机碳、有机氮、溶解氧等等。1、化学需氧量(COD) 化学需氧量(COD)，是在一定的条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时，所消耗的氧化剂量。它是表示水中还原性物质多少的一个指标。水中的还原性物质有各种有机物、亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等。但主要的是有机物。因此，化学需氧量(COD)又往往作为衡量水中有机物质含量多少的指标。化学需氧量越大，说明水体受有机物的污染越严重。 COD的测定是污水处理厂日常主要监测项目，通过对不同构筑物的进出水COD的测定，可以准确掌握构筑物的运行情况，通过对一段时期的数据分析，可以对构筑物的运行进行适当调整，以便保证污水的处理效果。另外，对污水厂出水而言，COD是必须监测的项目，出水应该达到相应国家标准。 化学需氧量(COD)的测定，随着测定水样中还原性物质以及测定方法的不同，其测定值也有不同。目前应用最普遍的是酸性高锰酸钾氧化法与重铬酸钾氧化法。高锰酸钾(KmnO4)，氧化率较低，但比较简便，在测定水样中有机物含量的相对比较值时可以采用。重铬酸钾(K2CrO7)法，氧化率高，再现性好，适用于测定水样中有机物的总量。2、生化需氧量(BOD) 生化需氧量(BOD)，是在有氧的条件下，由于微生物的作用，水中能分解的有机物质完全氧化分解时所消耗氧的量称为生化需氧量。它是以水样在一定的温度(如20℃)下，在密闭容器中，保存一定时间后溶解氧所减少的量(mg/L)来表示的。当温度在20℃时，一般的有机物质需要20天左右时间就能基本完，成氧化分解过程，而要全部完成这一分解过程就需100天。但是，这么长的时间对于实际生产控制来说就失去了．实用价值。因此，目前规定在20℃下，培养5天作为测定生化需氧量的标准。这时候测得的生化需氧量就称为五日生化需氧量，用BOD5表示。如果污水中的有机物的数量和组成相对稳定，则两者之间可能有一定的比例关系，可以互相推算求定。生活污水的BOD与COD的比值大致为0.4～0.8。对于一定的污水而言，一般说来，CODBOD20BOD5。BOD5也是污水处理厂日常重要监测项目之一。进行BOD5监测的具体意义基本与COD相同。 不过，由于我国存在的河流之排水体制，因此城市污水厂污水中含有一定量的工业废水，相对与生活污水而言，工业废水水质变化大而且难于降解，通过监测污水厂进水中BOD及COD，可以大致的判断污水的可生化性。 生化需氧量的经典测定方法是稀释接种法。3、溶解氧DO 溶解在水中的分子态氧称为溶解氧，天然水的溶解氧含量取决于水体与大气中氧的平衡。溶解执的饱和含量和空气中氧的分压、大气压力、水温有密切关系。清洁地地表水溶解度一般接近饱和。由于藻类的生长，溶解氧可能过饱和水体受有机、无机还原性物质污染时溶解氧降低。当大气中的氧来不及补充时，水中溶解氧逐渐降低，以全趋近于零，此时厌氧菌繁稍，水质恶化，导致鱼虾死亡。 废水中溶解氧的含量取决于污水排出前的处理工艺过程，一般含量较低，差异很大。鱼类死亡事故多是由于大量受纳污水，使水体中耗氧性物质增多，溶解氧很低，造成鱼类窒息死亡，因此洛解氧是评价水质的重要指标之一。 在污水厂整个运行过程中，十分重视水中溶解氧的测定。 国内外进行城市污水处理的主要是考生物二级处理系统，多为好氧法。顾名思义就是利用好氧微生物的新陈代谢过程分解去除水中的有机物。从中也可以看出，DO氧的控制是十分重要的，首先，应该保证水中有足够的溶解氧，这样好氧微生物才能正常工作，这是取得较好的运行效果的前提。可是，如果充氧过多，就会造成浪费，导致运行成本增加。因此，曝气池中的DO一般控制在2～4mg/L之间。 当由于设备问题或其他原因导致溶解氧不足时，处理系统就会出现故障。例如，曝气池中DO不足，结果多会导致活性污泥的丝状菌膨胀。原因在于，细菌和丝状菌对不足的DO进行竞争，可是在DO不足条件下，丝状菌的竞争力要远远大于细菌，因此，细菌获得的DO会更少，它们的生长受到抑制，相反，丝状菌得到机会大量繁殖，最终结果就是丝状菌膨胀。 在A/O、A2/O等具有一定的脱氮除磷工艺中，对于DO的控制也非常重要。为了得到想应的N、P的去除率，必须保证有合适的DO值。 可见，在污水厂的日常运行的监测中，对于DO的监测是十分有意义的。通唱采用的方法有碘量法及其修正法、膜电极法和现场快速溶解氧仪法。4、总需氧量(TOD) 总需氧量(TOD)。有机物中含C、H、N、S等元素，当右机物全都被氧化时，这些元素分别被氧化为CO2、H20、NO2和SO2，此时的需氧量称为总需氧量(TOD)。 总需氧量测定原理和过程是向氧含量中注入一定数量的水样，并将其送入以铂钢为触媒的燃烧管中，以900℃的高温加以燃烧，水样中的有机物因被燃烧而消耗了载气中的氧，剩余的氧用电极测定，并用自动记录器加以记录，从载气原有的氧量中减去水样燃烧后剩余的氧，即为总需氧量。 此指标的测定，与BOD、COD的测定相比，更为快速简便，其结果也比COD更接近于理论需氧量。5、总有机碳(TOC) 总有机碳(英文缩写TOC)。表示水中所有有机污染物的总含碳量，是评价水中有机污染质的一个综合参数。它是用燃烧法测定水样中总有机碳元素量来反映水中有机物总量的一种综合测定指标。其测定结果以C含量表示，单位为mg/L。 它的测定原理与过程是：将水样加酸，通过压缩空气吹脱水中的无机碳酸盐，以排除干扰，然后将水样定量地注入以铂钢为触媒的燃烧管中，在氧的含量充分而且一定的气流中，以900℃的高温加以燃烧，在燃烧过程中产生二氧化碳，经红外气体分析仪测定，以自动记录器加以记录，然后再折算其中的碳量。 TOC的测定采用燃烧法，因此能将有机物全部氧化，它比BOD5或COD更能直接表示有机物的总量，因此常常被用来评价水体中有机物污染的程度。 近年来，国内外已研制成各种类型的TOC分析仪。按工作原理不同，可分为燃烧氧化一非分散红外吸收法、电导法、气相色谱法、湿法}L化一非分散红外吸收法等:其中燃烧氧化-非分散红外吸收法只需一次性转化，流程简单、重现性好、灵敏度高，因此这种TOC分析仪广为国内外所采用。6、氮（有机氮、氨氮、总氮） 有机氮是反映水中蛋白质、氨基酸、尿素等含氮有机化合物总量的一个水质指标。 若使有机氮在有氧的条件下进行生物氧化，可逐步分解为NH3、NH4＋、N02-、NO3-等形态，NH3和NH4＋称为氨氮，NO2-称为亚硝酸氮，NO3-称为硝酸氮，这几种形态的含量均可作为水质指标，分别代表有机氮转化为无机物的各个不同阶段。 总氮(英文缩写TN)则是一个包括从有机氮到硝酸氮等全部含量的水质指标。 氨氮( NH3-N )是污水厂出水的重要监测指标，水中氨氮的来源卞要为生活污水中含氮有机物受微生物作用的分解产物，某些工业废水，如焦化废水和合成氨化肥厂废水等，以及农田排水。此外，在无氧环境中，水中存在的亚硝酸盐亦可受微生物作用，还原为氨。在有氧环境中，水中氨亦可转变为亚硝酸盐，甚至继续转变为硝酸盐。 测定水各种形态的氮化合物，有助于评价水体被污染和“自净”状况。鱼类对水中氨氮比较敏感，当氨氮含量高时会导致鱼类死亡。 以游离氨NH3)或铵盐(NH4－)形式存在于水中，两者的组成比取决于水的pH值和水温。当pH值偏高时，游离氨的比例较高。反之，则铵盐的比例高，水温则相反。因此，在监测时应该对pH和水温进行足够的注意。氨氮的测定方法，通常有纳氏比色法、气相分子吸收法、苯酚－次氯酸盐(或水杨酸-次氯酸盐)比色法和电极法等。 水中N会导致水体富营养化，污水厂出水中的N应该按照国家及地方政府的相应要求进行处理后达标排放。因此，对于出水中N的监测是污水厂水质监测的重要项目之一。 此外，对于广泛采用二级处理为主的城市污水厂而言，为了保证污水厂的正常运行，必须保证生化池中微生物对营养的需求，好氧法一般控制在：BOD:N:P=100:5:1,因此，对于污水厂进水N的监测，有利于对微生物营养的控制，当污水中含磷比例较少时，需要人为的进行补充，以保证微生物的营养需求，进而保证污水处理系统的正常运行。7、磷(总磷、溶解性磷酸盐和溶解性总磷) 在天然水和废水中，磷几乎都以各种磷酸盐的形式存在，它们分为正磷酸盐，缩合磷酸盐(焦磷酸盐、偏磷酸盐和多磷酸盐)和有机结合的磷(如磷脂等)，它们存在于溶液中，腐殖质粒子中或水生生物中。 一般天然水中磷酸盐含量不高。化肥、冶炼、合成洗涤剂等行收的工业废水及生活污水中常含有较大量磷。磷是生物生长必需的兀素之一。但水体中磷含量过高(如超过0.2mg/L)，可造成藻类的过度繁殖，直至数量上达到有害的程度(称为富营养化)，造成湖泊、河流透明度降低，水质变坏。磷是评价水质的重要指标。 为了进一步防止水中P导致水体富营养化，污水厂出水中的P应该按照国家及地方政府的相应要求进行处理后达标排放。因此，对于出水中P的监测是污水厂水质监测的重要项目之一。 此外，对于广泛采用二级处理为主的城市污水厂而言，为了保证污水厂的正常运行，必须保证生化池中微生物对营养的需求，好氧法一般控制在：BOD:N:P=100:5:1,因此，对于污水厂进水P的监测，有利于对微生物营养的控制，当污水中含磷比例较少时，需要人为的进行补充，以保证微生物的营养需求，进而保证污水处理系统的正常运行。8、pH值 pH值是指示水酸碱性的重要指标，在数值上等于氢离子浓度的负对数。pH值的测定通常根据电化学原理采用玻璃电极法，也可以用比色法。 pH值能表示水的最基本性质，对水质的变化、水处理效果等均有影响，对pH值的测定和控制，对维护污水处理设施的正常运行、防止污水处理及输送设备的腐蚀、保护水生生物的生长和水体自净功能都有重要的实际意义。 污水的pH值如过高或过低，会影响生化处理，因为适宜于生物生存的pH值范围往往是非常狭小的，并且也是很敏感的。比如，在活性污泥法系统的曝气池中，如果由于pH发生了变化，如从正常的6.5～8.5变化到了5.5，那么，系统很有可能出现活性污泥的丝状菌膨胀。这将直接影响出水水质，导致出水恶化。其主要原因在于，在活性污泥中应该细菌占优势地位，其喜欢的最佳pH 范围是6.5～8.5，当pH值正常时，细菌占主要地位，丝状菌数量有限。但是，当pH变化到了5.5后，由于非常适合丝状菌生长，缺抑制了细菌的生长，这样就会导致丝状菌在活性污泥中占优势，致使污泥膨胀。 另外，在污泥或高浓度废水进行厌氧消化处理时，也应该格外注意pH值的控制。因为，在厌氧消化处理过程中，主要是由产甲烷菌群和非产甲烷菌群起作用。其中，产甲烷菌群对于pH值要求非常苛刻，需要控制在6.5～7.5，最好控制在6.8～7.2之间，否则，甲烷产气率就会明显下降，影响消化效果。 一般要求处理后污水的pH值为6～9，当pH值小于5时，就能使一般的鱼类死亡。9、悬浮物(SS) 悬浮物(SS)指不能通过过滤器(滤纸或滤膜)的固体物质。污水中的固体物质包括悬浮固体和溶解固体两类。悬浮固体指悬浮于水中的固体物质。悬浮固体也称悬浮物质或悬浮物，通常用SS表示。悬浮物透光性差，使水质浑浊，影响水生生物的生长，大量的悬浮物还会造成河道阻塞。从国家及地方相应的污水排放标准而言，SS是进行监测的重要项目之一。10、有毒物质 有毒物质是指污水中达到一定的浓度后，能够危害人体健康、危害水体中的水生生物，或者影响污水的生物处理的物质。由于这类物质的危害较大，因此，有毒物质含量是污水排放、水体监测和污水处理中的重要水质指标，有毒物质是人们所普遍关切的，有毒物质可分为无机毒物和有机毒物。 无机物主要代表是一些重金属离子如汞、铬、镉等，这些离子在水中如果不去除或处理效果不好，会进入天然水体或生生系统，最终可通过食物链转移到人体中进行大量付集，最终导致各种公害性疾病的出现。如水俣病、骨痛病等。 有机毒物的典型代表有氰化物、酚、有机氯化物等。这些物质也会导致严重伤害性事故。 因此，对于城市污水处理厂的出水、出泥进行有毒有害物质进行认真、严格、科学的监测是必须的。只有真正达到了排放标准才能排放或做他有。三、生物指标 水是微生物广泛分不布的天然环境，不论是地表水或地下水，甚至雨水或雪水，都含有多种微生物。当水体受到人、畜粪使、生活污水或某些工业废水污染时，水中微生物的数量可大量增加。因此，城市污水厂出水的细菌学测定，特别是肠道细菌的检验，在环境质量评价、环境卫生监督等方面具有重要的意义。但是，在直接检查水中各种病原微生物，方法较复杂，有的难度大，而且检查结果为阴性也不能保证绝对安全。所以，在实际工作中经常以检查水的细菌总数，特别是检查作为粪便污染的指示菌，来间接判断水体污染状况。水中含有细菌总数与水污染状况有一定的关系，但是不能直接说明是否有病原微生物存在。粪便污染指示菌一般是指如有该指示细菌存在于水体中，即表示水体曾有过粪便污染，也就有可能存在肠道病原微生物。那么该水反在卫生学上是不安全的。1、细菌总数 细菌总数是指lmL水中所含有各种细菌的总数。反映水所受细菌污染程度的指标。 在水质分析中，是把一定量水接种于琼脂培养基中，在37℃条件下培养24小时后，数出生长的细菌菌落数，然后计算出每毫升水中所含的细菌数。 细菌总数测定是测定水中好氧菌、兼性厌氧菌和厌氧菌密度的方法。因为细菌能以单独个体、成双成对、链状、成簇等形式存在，而且没有任们单独一种培养基能满足一个水样中所有细菌的生理要求。所以，由此法所得的菌落可能要低于真正存在的活细菌总数。2、大肠菌数 大肠菌数是指1L水中所含大肠菌个数。大肠菌本身虽非致病菌，但由于大肠菌在外部环境中的生存条件与肠道传染病的细菌、寄生虫卵相似，而且大肠菌的数量多，比较容易检验，所以把大肠菌数作为生物指标。比较常见的病原微生物有伤寒、肝炎病毒、腺病毒等，同时也存在某些寄生虫。 总大肠菌群的检验方法中，多管发酵法可适用于各种水样(包括底泥)，但操作较繁需要时间较长 滤膜法主要适用于杂质较少的水样，操作简单快速。 如果是使用滤膜法，则总大肠菌群可重新定义为:听有能在含乳糖的远腾氏培养基上，于37℃，24h之内生比出带有金属光泽暗色萄落的、需氧的和兼性厌氧的革兰氏阴性无芽孢杆菌。另外，除了应该重视在出水中进行微生物的监测外，其实在运行过程注重对微生物的监测是十分必要的。例如，污水处理厂进行污泥的镜检，主要就是观察生物相的形状、组成等，通过定期的镜检，可以判断运行设施的正常工作与否，甚至可以提前预防一些异常现象，如：如果通过检验，发现污泥中有丝状菌增殖加快的趋势，就可以采取一定的措施，将可能发生的活性污泥丝状菌膨胀消灭在萌芽状态，有效的保证污水厂的运行，保证出水达到要求。 综上所述，如果要想保证正常运行，其根本保证。来源于科学有效的运行管理。从中，对于污水厂的运行指标的定期、准确的监测，并对获得的数据进行分析、统计，从而指导污水厂运行则是污水厂工作的根本。