0 引言
隨著我國的經(jīng)濟快速發(fā)展與工業(yè)化程度增加，對于水資源的污染也在加劇，尤其是城市污水與工業(yè)污水的排放量增加致使水質污染日趨嚴重。國家對于水資源的保護日益重視，加大了對城市污水與工業(yè)污水的治理力度，對于達到各種污水處理工藝過程的最佳效果、處理設備的正常運行、準確監(jiān)測污水處理的水質、水量等都提出了更高的要求，這就對污水處理中的自動化儀表的設計與應用提出了新的要求。
1 自動化儀表在污水處理中的重要性
在現(xiàn)代化污水處理過程中，無論采用何種工藝，其工藝過程都存在大量需要檢測的參數(shù)，因此目前大型生活污水處理廠或者工藝污水處理廠一般都設有液位、液位差、流量、壓力、pH值、溫度、溶解氧、污泥濃度、氧化還原電位、污泥界面、在線BOD、在線COD、在線氨氮、在線總磷等自動化儀表。通過這些檢測儀表獲取的各種工藝檢測參數(shù)從而對工藝過程中的各種工藝設備進行控制，協(xié)調供需之間、系統(tǒng)各組成部分之間、各污水處理工藝之間的關系，以便使各種設備與設施得到更充分、合理的使用。其中工藝過程中的一些重要工藝參數(shù)例如溶氧值、曝氣量等都是保證工藝自動控制的重要保證，通過這些儀表檢測值來自動調節(jié)和控制工藝設備的合理運行。這些自動化儀表不僅對于污水處理工藝過程起著不可替代的指導作用，同時也可以多工藝處理過程進行監(jiān)控報警，保障生產(chǎn)和設備安全，而且還起著向相關管理部門提過檢測指標的重要作用。綜上所述，可以看到自動化儀表對于污水處理過程起著重要的作用，是計算機控制的前提條件和自動化控制的基礎。
2 主要儀表設計與應用
2.1 污水處理常用儀表分類
在污水處理中的自動化儀表主要分為熱工儀表和成分分析儀表。熱工儀表主要包括溫度、壓力、液位、流量這些物理量檢測儀表，熱工儀表大致都由測量元件(傳感器)部分、中問傳送部分和顯示部分(包括變換成其他信號)構成。成分分析儀表在污水處理過程中常常稱之為水質分析儀表，例如溶解氧儀、在線BOD儀、在線COD儀等。這部分儀表的主要特點是專用性強，形式多樣化，但每種成分分析儀的適用范圍往往都限于某種介質成分分析。
2.2 溫度與壓力儀表
在厭氧消化過程中為保證其正常良好反應，介質溫度需要保持在一定的溫度范圍內，因此需要設置溫度檢測點，通常設計的典型熱敏元件是鉑熱電阻。由于熱電阻信號需要自動控制系統(tǒng)配套專用熱電阻模塊，而水處理過程中的溫度監(jiān)測點并不多，因此可以考慮在儀表設計時采用溫度變送器將熱電阻信號轉換為4～20mA信號從而接入標準的模擬量模塊。
污水處理中壓力檢測多為泵出口處設置就地壓力表或則壓力變送器，如果需要設置壓力變送器則多選用目前應用非常廣泛技術也很成熟的智能型壓力變送器，以便于通過配合手操器對壓力變送器進行量程設置、調零等操作。
2.3 流量儀表
相對而言，在污水處理中流量計是非常重要的一類儀表。污水處理廠的進出水水量、回流污泥量、曝氣量以及消化池產(chǎn)氣量等都是工藝生產(chǎn)所必須測量的流量參數(shù)。另外，為了對污水處理廠的運行經(jīng)濟效果進行考核、分析，也要依靠流量測量儀表來提供必要的數(shù)據(jù)。
在污水處理廠流量測量儀表中，目前應用較為廣泛的是電磁流量計、超聲波流量計、差壓式流量計以及明渠流量計，相關性能等參數(shù)見圖1。
2.3.1 電磁流量計
電磁流量計是測速式流量計，適用于具有導電性液體體積流量的測量。它的工作原理是基于法拉第電磁感應定律，定律要點是導體在磁場中切割磁力線方向運動時，導體受磁場感應產(chǎn)生感應電勢E。電磁流量計主要由變送器和轉換器組成。被測介質的流量經(jīng)變送器變換成感應電勢后，再經(jīng)轉換器把感應電勢信號轉換成為電流信號作為輸出，以便進行遠方指示記錄或作為控制信號。電磁流量計在測量通道內無任何固定或可動的節(jié)流部件，對流體無壓力損失，其輸出特性與被測液體的密度、黏度、流動狀況無關，適用于測量污水處理中帶有固體微顆粒的流體流量。同時電磁流量計安裝的直管段要求通常為前5D、后2D(D為所選儀表的內直徑，見圖2)，相對于差壓式流量計對于直管段的要求要短得多。正是因為電磁流量計的這些特點，因此它在污水處理中得到廣泛應用。在污水處理廠的進出水管線、污泥管線上都可以考慮設計電磁流量計進行測量。需要注意的是電磁流量計對于測量液體的電導率和流速都有要求，需要在設計時特別注意加以考慮。
圖1 污水處理主要流量儀表對照表
圖2 電磁流量計安裝示意圖
2.3.2 超聲波流量計
超聲波流量計按其安裝形式一般分為外夾式和管段式、插入式，根據(jù)其檢測的方式，又可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關法等不同類型的超聲波流量計。
其中管道外夾式超聲流量計可以不用斷開管路安裝(不像電磁流量計那樣需要斷開管路安裝)，也不需要安裝旁通管路和閥門，測量管路口徑可以達到幾米，維護方便，可以對流體無任何影響下來進行流量測量，因此在污水處理中的大口徑的進出水管道流量測量中也得到較多的應用。
在設計應用超聲波流量計中尤其需要注意選擇合適的安裝位置，所選安裝管道圓度好，內表面光滑且壁厚均勻，安裝管段應避開干擾和渦流這兩種對測量精度影響較大的情況，避免安裝在水泵、變頻器附近，即有強磁場和震動干擾處安裝儀表。同時也應該滿足相應的直管段要求(上游10倍管徑，下游5倍管徑)。
2.3.3 差壓式流量計
污水處理中的曝氣量的測量一般選用差壓式流量計，如威力巴(VERABAR)流量計，德爾塔巴(Deltaflow)流量計。這兩種儀表都是插入式安裝，可在帶壓情況下拆卸維護檢查，不影響風機和壓縮機運行。在設計時需要注意，由于威力巴和德爾塔巴流量計的差壓信號都比較小(約在幾個mmH2O到幾十個mmH2O之間)，必要時，在保證滿足前后直管段要求的情況下，可采取漸縮管道的方法，提高流速，增大差壓信號。另外，選擇適當?shù)奈⒉顗鹤兯推鲗蚀_的測量也是十分必要的，建議選用高精度的(0.5%)微差壓變送器。在進行氣體流量測量時，需要進行溫度和壓力補償。當工藝管道內溫度和壓力變化不大時，在滿足測量準確度的情況下，也可以采用固定的溫度、壓力值進行補償。一個精度高，穩(wěn)定性好的氣體流量測量系統(tǒng)，對鼓風曝氣系統(tǒng)節(jié)約電能，降低運行成本，起作積極的作用。
2.3.4 明渠式超聲波流量計
明渠式超聲波流量計是一種在污水處理廠應用很廣的流量計，適用于工藝流程中進出水是明渠形式而非管道的場合。在污水廠中常用的明渠巴歇兒水槽、三角堰、梯形槽、矩形槽等。
選用明渠流量計，不僅對儀表的精度、性能、穩(wěn)定性高要求，同時對不同明渠具體堰槽的制作精度要求也非常高。因為無論采用哪一種堰槽，最終流量Q的大小由水位的高度h來確定的。其函數(shù)關系是Q=F(h)。
2.4 物位儀表
物位檢測儀表按照被測介質分為液位檢測儀表和料位檢測儀表，污水處理中使用較多的是液位檢測儀表，其中又以超聲波液位計為主。這種液位計無機械可動部分，可靠性高，安裝簡單、方便，屬于非接觸測量，且不受液體的粘度、密度等影響，因此多用于藥池、排泥水池等的液位測量。
超聲波液位計的傳感器由一對發(fā)射、接收換能器組成。發(fā)射換能器面對液面發(fā)射超聲波脈沖，超聲波脈沖從液面上反射回來，被接收換能器接收。根據(jù)發(fā)射至接收的時間可確定傳感器與液面之間的距離，即可換算成液位。其精確度為±0.5%。根據(jù)超聲波液位計的非接觸式測量原理，因此從理論上來講，它適用于污水處理工藝過程中的液位測量。但在實際應用中它會受到各種因素如安裝位置、溫度、壓力、濕度以及被測介質表面的泡沫、浪涌等的影響。因此，正確選擇和使用超聲波液位計有著十分實際的意義。應根據(jù)實際的測量范圍來選擇合適的儀表。根據(jù)超聲波特性，頻率越低，傳輸距離越遠，但聲波的指向性就越差;頻率越高，指向性越好，但傳輸距離越小。目前超聲波液位計的測量范圍從0.5米到幾十米。
此外對于工藝不要求連續(xù)檢測而僅需報警或聯(lián)鎖設備動作的池內、活液罐等設備液位可采用液位開關進行檢測，從而控制儀表設備的投資。
2.5 分析儀表
在污水處理過程中，有許多反映水質的重要參數(shù)如：溶解氧(DO)、pH、污泥濃度、濁度、SS懸浮物等。在線檢測這些參數(shù)可以實時地了解和掌握污水處理的情況，并根據(jù)這些參數(shù)對工藝及設備的運行進行自動控制和調整，以確保污水處理的正常運行并達到排放標準。在以往的水處理廠中大多是采用化驗分析的方法來得到的，隨著自動化儀表測量技術等領域技術的發(fā)展，越來越多的水質分析儀表逐漸應用于污水處理。
2.5.1 溶解氧儀
水中的微生物等得以生存的一個重要條件是水中溶解有一定量的氧氣，稱之為溶解氧(DO)。當水體中含有還原性污染物時，DO量就會降低，當DO低于4mg/l以下時，水中的生物就難以生存了。因此，溶解氧是水質監(jiān)測的重要指標之一。水中的含氧量可以充分顯示水自凈的程度和可流入水的污水量。而對于生物處理來說，更需了解曝氣池中的含氧量，根據(jù)該氧量信號，來控制鼓風機對曝氣池的供氧量。
溶氧儀主要由傳感器和變送器兩部分組成。若從傳感器的結構形式上分，主要有兩種：覆膜電極和無膜電極。這兩種電極都由陰極、陽極和電解液組成。在設計中需要為溶解氧儀考慮合適的安裝位置，從而避免探頭結垢，也避免測量值波動。
2.5.2 化學需氧量(COD)分析儀
化學需氧量(ChemicalOxygenDemand，簡稱COD)是在一定的條件下，采用一定的強氧化劑處理水樣時，所消耗的氧化劑量。它是表示水中還原性物質多少的一個指標。水中的還原性物質有各種有機物、亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等，其中主要的還原物質是有機物，所以COD值又往往作為衡量水中有機物質含量多少的指標。化學需氧量越大，說明水體受有機物的污染越嚴重，因此污水處理裝置的進出口COD值是很重要的參數(shù)。
COD測定儀主要有分光光液測定法及電化學測定兩種類型。分光光液法測定COD值的儀器，工作原理是水樣、重鉻酸鉀、催化劑及濃硫酸的混合液在消解池加熱到一定溫度時混合液中的鉻離子從四價還原為三價，液體顏色發(fā)生改變，變色的程度與水樣中有機物含量成對應關系，儀器通過比色換算顯示出COD值。
COD值是反映污水處理廠出水水質的重要監(jiān)測指標，需要提供給相關主管部門供其監(jiān)督處理效果是否達到國家規(guī)定的排放要求。由于COD分析儀是屬于比較精密的分析儀器，國外在研制生產(chǎn)以及技術上更為成熟，為了保證正確的測量，特別是工藝要求很高的情況下，在選型設計時可以考慮國外產(chǎn)品。在選型時要注意量程、精度、使用條件等主要參數(shù)，同時應該考慮儀表耗材備件是否易購。
2.5.3 pH計
在污水進、出口均設有pH分析儀，進水處配置pH計的目的是方便工藝人員針對進水水質采取相應的控制調節(jié)手段，以滿足后續(xù)處理的要求。在出水處設置pH計的目的是反映處理的效果，方便廠部和政府部門對污水廠運行狀態(tài)監(jiān)管。
pH計的基本工作原理是用電位法測量溶液的酸堿度，插人待測溶液的測量電極與具有恒定電位的參比電極之間的電勢差與溶液pH值之間有固定的函數(shù)關系，由此通過測量電勢得出pH值。
2.5.4 污泥濃度計
污泥的濃度也是污水處理工藝中需要檢測的重要參數(shù)之一。污泥濃度計一般多用于污泥處理工段，多為管道安裝。根據(jù)污泥濃度來控制絮凝劑的投加量，目的是促進污泥的濃縮，一方面可以提高污泥脫水設備(采用板框壓濾機)的效率，節(jié)約能耗，另外使脫水后的污泥品比較干而便于運輸。目前，污泥濃度計的工作原理大致可分為光學型、輻射型和超聲波三種。
2.5.5 其它
在市政污水與工業(yè)污水處理中在線分析儀表還有濁度計、泥位計、懸浮物濃度計、余氯計等，這些分析儀表主要也是基于光學原理或電化學原理的儀表。根據(jù)不同的處理工藝及不同的原水水質，按需運用于不同的控制或水質監(jiān)測。
3 儀表設計原則與注意事項
3.1 污水處理儀表主要設計原則
在污水處理工藝流程中，現(xiàn)場儀表不僅負責采集工藝參數(shù)，以確保自動控制系統(tǒng)正常運行和控制，還是科學管理、環(huán)保監(jiān)控的重要基礎保證，因此在設計選型時應盡量選用高精度、高穩(wěn)定性、免維護或低維護的智能儀表，為了生產(chǎn)過程中便于現(xiàn)場巡視與儀表維護，設計中可采用帶現(xiàn)場顯示的變送器，與此同時也應盡量注意儀表的性價比。
在設計配置污水處理儀器儀表時，必須考慮到安全防護手段。由于污水處理環(huán)境比較惡劣，很多現(xiàn)場儀表在井下或則露天環(huán)境，更有些浸泡在污水里。井下儀表和浸泡在污水里的儀表防護等級可選IP68，露天的儀表選IP65，同時應該根據(jù)儀表的具體考慮設置儀表保護箱，在北方等溫度較低地區(qū)還應考慮保溫措施。
儀表的設計應考慮環(huán)境的適應性.特別是傳感器如直接與污水、污泥介質接觸，很容易腐蝕和結垢。因此應盡量選擇非接觸式的、無阻塞隔膜式、電磁式和可清洗式的傳感器(如超聲波、電磁式等)。
在儀表設計中應盡量選用不斷流拆卸式和維護周期較長的儀表，方便維護管理。
在儀表設計中優(yōu)先考慮節(jié)能型的儀表產(chǎn)品。儀表設計中對于特殊場合應考慮儀表的防爆性能。對于處于雷區(qū)的污水處理廠，儀表變送器的電源和送信號到PLC的輸出端應接防雷器，保證系統(tǒng)的安全可靠性。對于泥區(qū)的儀表，由于泥區(qū)的整個空氣中，有較大比例的沼氣。儀表配置應選用本安型儀表，在進行電器連接時應與安全柵組成本安防爆系統(tǒng)。而且安全柵和電源置于安全區(qū)。安全柵在選型時一定要注意防爆等級及廠家是否有防爆合格證。
3.2 污水處理中儀表設計中的注意事項
許多分析儀表的傳感器是電極(pH計、溶解氧等)組成的，而在實際使用中，電極易被油脂或污物覆蓋而不能測量。因此在這些分析儀的選型時，必須充分考慮電極的清洗問題。目前，清洗方式有人工定期清洗，或機械清洗、超聲波自動清洗、溶液噴射清洗以及空氣噴射清洗。 在儀表設計中應盡量選用不斷流拆卸式和維護周期較長的儀表的同時，對于清洗、維護及更換時必須拆卸的管道式安裝儀表及其傳感器，應在管道上設計安裝旁通閥，以免在其更換或發(fā)生故障時，需要停止工藝運行。
污水處理中儀表設計需要與工藝緊密結合，選取合適的測量或取樣位置。分析儀表的安裝位置一定要選擇在活動的區(qū)域，不能設置在死區(qū)。若設置在引出工藝管路時，這根工藝管路中介質必須是流動的。
4 小結
合理正確的設計和應用自動化儀表對于污水處理起著重要的作用。在設計污水處理中的自動化儀表時，應讓儀表滿足穩(wěn)定可靠，操作簡單，安裝方便，物美價廉，連續(xù)測量，反應靈敏，互換性強，便于維護的要求。
污水處理中儀表設計安裝時需要注意結合工藝過程對不同的檢測對象和要求選用適用的儀表，具體安裝應用時注意具體的工況條件。
污水處理中儀表投入使用后，應注意儀表的維護，形成完善的巡檢和維護保養(yǎng)制度，從而保證儀表的準確性，以利于監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行。
目前我國許多城市污水處理采用BOT模式的項目較多，為了控制項目的合理投資，在設計中考慮儀表可靠性等技術指標的同時也應該充分考慮儀表選型的實用性，不應盲目的提高儀表檔次，并且應盡可能選用國產(chǎn)儀表和嘗試多種品牌儀表的應用，以推進國產(chǎn)儀表行業(yè)的前進。
來源:《自動化與儀器儀表》 作者:陳遵顥
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