废水处理过程监测应用 | 紫外-可见分光光度传感器

废水处理过程监测中基于分光光度法的传感器如何正确的选择、调试、维护、操作和应用？废水中的许多重要物质，包括硝酸盐、亚硝酸盐和有机碳参数，都可以基于紫外和可见光（UV-Vis）的吸收来测量。作为赛莱默旗下品牌WTW IQ SensorNet过程监测系统一部分的紫外-可见光传感器为示例，概述其测量原理、设计和操作。

BOD和COD是许多不同物质的综合参数，单独测定需要大量的分析工作。BOD和COD是衡量样品中有机碳氧化所需氧气量的指标。测量单位为mg O₂/L。就BOD而言，反应由细菌催化。除了由于长时间（5天）培养所需的精确条件而将测试限制在实验室之外，该方法对技术非常敏感，因此精密度可能存在问题。COD方法是更剧烈的化学氧化，几乎所有的有机碳都被氧化。它比BOD更快，但由于需要样品采集、样品制备设备和试剂补充，在在线分析仪中实施成本很高。总有机碳（TOC）使用较少，但作为工艺控制中BOD的补充甚至替代，正越来越受欢迎。TOC方法是对样品中有机碳的直接测量，测量单位为mg C/L。TOC测量比BOD或COD更快、更简单，并且不需要像COD方法那样使用汞。TOC测量也可能更精确，尤其是对于有机含量极低的样品，如高级水资源回收设施的出水。

废水中氮的充分去除变得越来越重要。氮是支持包括藻类在内的生物生长的关键常规营养素。在营养丰富的水域中，藻类的生长和死亡会加速，导致缺氧，这是一种不适合鱼类和其他水生生物的低氧条件。处理后的废水是某些流域的重要营养物来源。因此，对所有氮种类的监测和控制具有极大的意义。未经处理的废水中的硝酸盐和亚硝酸盐通常可以忽略不计。因此，处理后的废水中出现的二者的任何一种都是生物硝化作用的结果，如图1所示，硝化作用将废水中的氨转化为硝酸盐。完全和高效的硝化作用可实现最大硝酸盐浓度。亚硝酸盐和硝酸盐的总和（统称为NOx）通过另一种称为反硝化作用的生物反应转化为氮气并从废水中去除（图1）。如果反硝化作用发生在曝气池中，这对水资源回收设施来说是一件好事，因为它将减少处理后出水中的总氮（TN），并减少所需的能量强度，因为该反应无需输入氧气即可实现。然而，如果反硝化作用发生在最终沉淀池的污泥层中，这将是一件坏事。产生的氮气气泡会使固体上浮，干扰污泥回流的控制，并在固体溢出堰时增加处理后出水中的总悬浮固体（TSS）和BOD，可能导致违反排放限值。

图1.硝化和反硝化路径图

硝化或反硝化过程中的限制可能导致亚硝酸盐积累，甚至更多的合规问题。有氯消毒的设施会立即注意到氯需求的增加，因为1 mg/L的亚硝酸盐氮会消耗5 mg/L的氯。未能跟上氯投加量会导致消毒不足和处理后出水中细菌水平增加。其他影响可能更微妙，但同样存在问题。亚硝酸盐对水生生物毒性很大，比硝酸盐毒性更大。1 mg/L或更高的亚硝酸盐氮可能导致整个出水毒性（WET）测试失败。亚硝酸盐氮水平升高的影响还不止于此。奇怪的是，产生和消耗亚硝酸盐的细菌（统称为硝化细菌）对亚硝酸盐敏感，这会形成一个毁灭性的反馈循环，其中一个小的干扰可能导致硝化作用死亡螺旋和工艺异常，导致长期不符合出水氨氮限值。另一方面，亚硝酸盐积累可用于提高废水处理效率。对亚硝酸盐短程脱氮的理解和发展推动了创新工艺的发展，这些工艺有意通过亚硝酸盐缩短脱氮过程，从而降低能源和化学成本，如图2和图3所示。

氮的形态可以通过许多不同的方法测量，包括离子色谱法、比色法和电位法。色谱法非常精确，但仅限于实验室应用。比色法也能提供高质量的测量，但需要用于采样和样品制备的辅助设备，并且需要补充试剂。

图2.亚硝化和反硝化路径图

图3.脱氨工艺路径图