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使用TOC分析進行過程控制的新趨勢
工藝過程控制和資產保護
測量最終排放時的有機物負荷對于法規合規性至關重要。與此同時，在流動點和處理工藝過程中監測有機物含量也已成為過程控制和資產優化的有效做法。
例如，城市污水處理廠對流入的污水進行碳監測有助于加強生物處理，從而優化工藝過程控制和實時做出過程決策的能力。
TOC分析作為一種提高水處理設備耐用性的工具正在獲得認可。
隨著工業和中水回用，工廠越來越多地使用過濾膜來處理廢水，可以使用TOC分析儀來快速檢測高有機負荷，從而限制結垢并進行水處理效率評估。
此外，許多工廠正在將生物處理和膜過濾合并到稱為膜生物反應器（MBR）的工藝中。MBR進水中的直接碳監測使工廠能夠優化生物處理并保護膜免受有機物污染。
食物與微生物的比例
市政工廠按照多個步驟處理流入的廢水。初級處理需要物理分離，通過篩選和沉淀提取固體。在這種初級處理之后，工廠通常使用二級生物處理工藝來限制進水廢水的有機物含量。[7]
該工藝通常取決于在活性污泥中使用好氧細菌來幫助分解水中的有機化合物。經常通過傳統BOD測試測量細菌的“食物"——有機分子。[3]
為確保處理過程中有機物和微生物的適當平衡，工廠使用稱為食物與微生物（F:M）比率的通用參數。[2]F:M比值低的系統意味著“食物"不足，并導致負責分解有機分子的微生物沒有足夠的“食物"去分解。相反，在高F:M比值的系統中，微生物可能會因有機物負荷過高而無法勝任分解工作，這會導致有機污染物無法有效祛除。
為了最大限度地提高生物質的健康狀況并確保有機污染物的祛除，工廠以最佳F:M比值運行是關鍵。
與傳統的需氧量測試不同，TOC分析儀直接測量廢水中所含的碳量，從而使操作員能夠準確地定量分析F:M比值中的“食物"。BOD5測試的五天響應時間通常不足以快速進行工藝調整，尤其是在有機物負荷波動的工廠中。為了加快對流入廢水中有機物負荷波動作出響應的時間，許多工廠正在轉向TOC分析，這種分析無需危險化學品即可提供快速分析。
利用TOC分析進行快速工藝調整，同時直接測量進入系統的碳，可使工廠維持最佳F:M比值，確保生物處理能正常運行。
超濾（UF）和反滲透（RO）膜優化
能夠直接快速檢測有機碳也使得TOC分析成為污水處理廠膜保護的可靠工具，尤其是在水源有限的地區。這些缺水地區已經開始使用超濾（UF）和反滲透（RO）膜來處理廢水以供再利用。[5] [6]
在膜過濾中，受污染的水通過半透膜輸送，該膜將懸浮固體和大分子量化合物從工業廢水中分離出來。然而，水流中大量的有機污染物通常會聚集在膜表面上導致有機物污染，并且一些化合物會導致膜損壞。膜污染的增加導致穿過膜的液體通量減少，降低了處理的有效性。
雖然增加跨膜壓力（TMP）以維持適當的跨結垢膜通量可能是有效的[5]，但這往往會導致能源成本的增加。修理或更換污損的膜會限制廢水處理廠的操作能力，也會增加成本。
盡管反沖和原位清洗（CIP）策略是常規應用，但對于處理碳含量高的水的膜通常需要頻繁的清理周期。[5]這不僅會導致停機時間增加和清洗化學品的成本增加，還會縮短膜的使用壽命。
為了保證膜的使用壽命并以高效率正常運行，工廠直接跟蹤膜上游水中有機物含量是有益處的。雖然傳統的需氧量測試可以提供污染物含量的間接指示，但TOC分析可更簡單地提供有關廢水碳含量的即時數據。使工廠可以調整流量，以保護膜，同時評估處理效果，并確定上游的工藝波動。膜前后水的在線TOC分析提供了跨膜的碳含量和萃取效率隨時間變化的實時數據。
通過從需氧量轉向TOC分析，許多工廠發現通過保護運行設備可以提高經濟效益。
膜生物反應器（MBR）優化
膜生物反應器（MBR）系統是一種在市政和工業廢水處理廠中都受到關注的處理工藝。該工藝結合了生物處理和過濾膜，以限制廢水中有機物的數量。
MBR系統的優點是比傳統的生物處理占地面積小得多，病原體去除能力提高以及更高等級的污水。
類似于傳統的生物處理，MBR系統中的廢水最初引入帶有活性污泥的曝氣池。在引入浸沒在水中的膜之前，污泥中的微生物開始分解樣品中的有機污染物（微濾或超濾）。[4]
水通過膜供給，這不僅提取額外的污染物，而且排斥在生物處理工藝中產生的任何固體。這種生物處理和浸沒式過濾膜的混合，通常會產生比單一工藝更清潔的出水。
與其他膜過濾系統一樣，結垢可能是MBR系統需要考慮的一個重要因素。[5]它們可能會堵塞并且產生淤泥，這需要增加停機時間和進行維護。
MBR系統與傳統生物處理一樣，依賴于維持最佳的F:M比值以確保有效去除有機物。優化F:M比值是一種有效的方法，有助于減輕任何與MBR膜相關的風險。通過在一致的基礎上以最佳F:M比值運行，工廠可以保證生物質[4]的健康并限制可能導致膜污染的有機物。
盡管F:M比值的有機物含量傳統上以BOD5進行測量，但工廠現在正在轉換為在線TOC分析儀，以高速、直接測量水中的碳含量。[1]通過促進立即對工藝作出決策，操作員可以維持最佳F:M比值，從而降低成本和對污染膜的維護工作量。
TOC能夠快速直接分析碳含量的能力正在推動有機物分析通過排放法規合規性，并通過工藝控制和設備保護降低成本。[3]
結論
目前，BOD5是常用的工業廢水有機污染物參數。盡管它存在精度和許多其他問題，但它已被納入全球廢水法規。雖然COD測試更快、更精確，但它需要使用和處置劇毒化學品。
TOC分析儀能夠在幾分鐘內生成快速準確的數據，因此越來越受歡迎。與BOD5和COD測試不同，TOC分析儀直接測量有機物含量，而不是通過測量需氧量來間接確定有機物含量。
許多監管機構現在看到了先進技術（如TOC）的價值。目前，美國已授權工廠在進行長期相關性研究獲得批準的情況下，使用TOC代替BOD。測試方法轉變的一個例子是歐盟，由于缺乏有毒化學物質，歐盟不再推薦BOD5，而是將重點放在TOC上。隨著歐洲廢棄過時的測試方法，其他國家開始意識到監測工藝轉型和改變法規的好處。
隨著技術的進步，世界各地的管理機構將繼續在法規中引入更準確和精確的參數。在全球工業增長持續擴張過程中準確監測廢水的必要性從未如此重要。
TOC在法規監測、資產保護和工藝控制方面的能力使得工廠朝著示范性監測的未來發展。
原文英文版于2021年4月發表在AZOSENSORS，作者：Amanda Scott（Sievers分析儀全球產品經理），本文有所修改。