0 引言

隨著我國的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與工業(yè)化程度增加，對(duì)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(zhì)污染日趨嚴(yán)重。國家對(duì)于水資源的保護(hù)日益重視，加大了對(duì)城市污水與工業(yè)污水的治理力度，對(duì)于達(dá)到各種污水處理工藝過程的最佳效果、處理設(shè)備的正常運(yùn)行、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)污水處理的水質(zhì)、水量等都提出了更高的要求，這就對(duì)污水處理中的自動(dòng)化儀表的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提出了新的要求。

1 自動(dòng)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(cè)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(shè)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(dòng)化儀表。通過這些檢測(cè)儀表獲取的各種工藝檢測(cè)參數(shù)從而對(duì)工藝過程中的各種工藝設(shè)備進(jìn)行控制，協(xié)調(diào)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(guān)系，以便使各種設(shè)備與設(shè)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(dòng)控制的重要保證，通過這些儀表檢測(cè)值來自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制工藝設(shè)備的合理運(yùn)行。這些自動(dòng)化儀表不僅對(duì)于污水處理工藝過程起著不可替代的指導(dǎo)作用，同時(shí)也可以多工藝處理過程進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警，保障生產(chǎn)和設(shè)備安全，而且還起著向相關(guān)管理部門提過檢測(cè)指標(biāo)的重要作用。綜上所述，可以看到自動(dòng)化儀表對(duì)于污水處理過程起著重要的作用，是計(jì)算機(jī)控制的前提條件和自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)。

2 主要儀表設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 污水處理常用儀表分類

在污水處理中的自動(dòng)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(cè)儀表，熱工儀表大致都由測(cè)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(hào))構(gòu)成。成分分析儀表在污水處理過程中常常稱之為水質(zhì)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(diǎn)是專用性強(qiáng)，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(zhì)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(yīng)，介質(zhì)溫度需要保持在一定的溫度范圍內(nèi)，因此需要設(shè)置溫度檢測(cè)點(diǎn)，通常設(shè)計(jì)的典型熱敏元件是鉑熱電阻。由于熱電阻信號(hào)需要自動(dòng)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(cè)點(diǎn)并不多，因此可以考慮在儀表設(shè)計(jì)時(shí)采用溫度變送器將熱電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA信號(hào)從而接入標(biāo)準(zhǔn)的模擬量模塊。

污水處理中壓力檢測(cè)多為泵出口處設(shè)置就地壓力表或則壓力變送器，如果需要設(shè)置壓力變送器則多選用目前應(yīng)用非常廣泛技術(shù)也很成熟的智能型壓力變送器，以便于通過配合手操器對(duì)壓力變送器進(jìn)行量程設(shè)置、調(diào)零等操作。

2.3 流量儀表

相對(duì)而言，在污水處理中流量計(jì)是非常重要的一類儀表。污水處理廠的進(jìn)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(cè)量的流量參數(shù)。另外，為了對(duì)污水處理廠的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效果進(jìn)行考核、分析，也要依靠流量測(cè)量儀表來提供必要的數(shù)據(jù)。

在污水處理廠流量測(cè)量儀表中，目前應(yīng)用較為廣泛的是電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、差壓式流量計(jì)以及明渠流量計(jì)，相關(guān)性能等參數(shù)見圖1。

2.3.1 電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)是測(cè)速式流量計(jì)，適用于具有導(dǎo)電性液體體積流量的測(cè)量。它的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，定律要點(diǎn)是導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁力線方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體受磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E。電磁流量計(jì)主要由變送器和轉(zhuǎn)換器組成。被測(cè)介質(zhì)的流量經(jīng)變送器變換成感應(yīng)電勢(shì)后，再經(jīng)轉(zhuǎn)換器把感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電流信號(hào)作為輸出，以便進(jìn)行遠(yuǎn)方指示記錄或作為控制信號(hào)。電磁流量計(jì)在測(cè)量通道內(nèi)無任何固定或可動(dòng)的節(jié)流部件，對(duì)流體無壓力損失，其輸出特性與被測(cè)液體的密度、黏度、流動(dòng)狀況無關(guān)，適用于測(cè)量污水處理中帶有固體微顆粒的流體流量。同時(shí)電磁流量計(jì)安裝的直管段要求通常為前5D、后2D(D為所選儀表的內(nèi)直徑，見圖2)，相對(duì)于差壓式流量計(jì)對(duì)于直管段的要求要短得多。正是因?yàn)殡姶帕髁坑?jì)的這些特點(diǎn)，因此它在污水處理中得到廣泛應(yīng)用。在污水處理廠的進(jìn)出水管線、污泥管線上都可以考慮設(shè)計(jì)電磁流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。需要注意的是電磁流量計(jì)對(duì)于測(cè)量液體的電導(dǎo)率和流速都有要求，需要在設(shè)計(jì)時(shí)特別注意加以考慮。

圖1 污水處理主要流量儀表對(duì)照表

圖2 電磁流量計(jì)安裝示意圖

2.3.2 超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)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(cè)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(guān)法等不同類型的超聲波流量計(jì)。

其中管道外夾式超聲流量計(jì)可以不用斷開管路安裝(不像電磁流量計(jì)那樣需要斷開管路安裝)，也不需要安裝旁通管路和閥門，測(cè)量管路口徑可以達(dá)到幾米，維護(hù)方便，可以對(duì)流體無任何影響下來進(jìn)行流量測(cè)量，因此在污水處理中的大口徑的進(jìn)出水管道流量測(cè)量中也得到較多的應(yīng)用。

在設(shè)計(jì)應(yīng)用超聲波流量計(jì)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(nèi)表面光滑且壁厚均勻，安裝管段應(yīng)避開干擾和渦流這兩種對(duì)測(cè)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(qiáng)磁場(chǎng)和震動(dòng)干擾處安裝儀表。同時(shí)也應(yīng)該滿足相應(yīng)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(jì)

污水處理中的曝氣量的測(cè)量一般選用差壓式流量計(jì)，如威力巴(VERABAR)流量計(jì)，德爾塔巴(Deltaflow)流量計(jì)。這兩種儀表都是插入式安裝，可在帶壓情況下拆卸維護(hù)檢查，不影響風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)運(yùn)行。在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意，由于威力巴和德爾塔巴流量計(jì)的差壓信號(hào)都比較小(約在幾個(gè)mmH2O到幾十個(gè)mmH2O之間)，必要時(shí)，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(hào)。另外，選擇適當(dāng)?shù)奈⒉顗鹤兯推鲗?duì)準(zhǔn)確的測(cè)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(jìn)行氣體流量測(cè)量時(shí)，需要進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償。當(dāng)工藝管道內(nèi)溫度和壓力變化不大時(shí)，在滿足測(cè)量準(zhǔn)確度的情況下，也可以采用固定的溫度、壓力值進(jìn)行補(bǔ)償。一個(gè)精度高，穩(wěn)定性好的氣體流量測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)節(jié)約電能，降低運(yùn)行成本，起作積極的作用。

2.3.4 明渠式超聲波流量計(jì)

明渠式超聲波流量計(jì)是一種在污水處理廠應(yīng)用很廣的流量計(jì)，適用于工藝流程中進(jìn)出水是明渠形式而非管道的場(chǎng)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(jì)，不僅對(duì)儀表的精度、性能、穩(wěn)定性高要求，同時(shí)對(duì)不同明渠具體堰槽的制作精度要求也非常高。因?yàn)闊o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(guān)系是Q=F(h)。

2.4 物位儀表

物位檢測(cè)儀表按照被測(cè)介質(zhì)分為液位檢測(cè)儀表和料位檢測(cè)儀表，污水處理中使用較多的是液位檢測(cè)儀表，其中又以超聲波液位計(jì)為主。這種液位計(jì)無機(jī)械可動(dòng)部分，可靠性高，安裝簡單、方便，屬于非接觸測(cè)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(cè)量。

超聲波液位計(jì)的傳感器由一對(duì)發(fā)射、接收換能器組成。發(fā)射換能器面對(duì)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(shí)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(jì)的非接觸式測(cè)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(cè)量。但在實(shí)際應(yīng)用中它會(huì)受到各種因素如安裝位置、溫度、壓力、濕度以及被測(cè)介質(zhì)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(jì)有著十分實(shí)際的意義。應(yīng)根據(jù)實(shí)際的測(cè)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(yuǎn)，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(jì)的測(cè)量范圍從0.5米到幾十米。

此外對(duì)于工藝不要求連續(xù)檢測(cè)而僅需報(bào)警或聯(lián)鎖設(shè)備動(dòng)作的池內(nèi)、活液罐等設(shè)備液位可采用液位開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)，從而控制儀表設(shè)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(zhì)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(cè)這些參數(shù)可以實(shí)時(shí)地了解和掌握污水處理的情況，并根據(jù)這些參數(shù)對(duì)工藝及設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)控制和調(diào)整，以確保污水處理的正常運(yùn)行并達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。在以往的水處理廠中大多是采用化驗(yàn)分析的方法來得到的，隨著自動(dòng)化儀表測(cè)量技術(shù)等領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，越來越多的水質(zhì)分析儀表逐漸應(yīng)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(gè)重要條件是水中溶解有一定量的氧氣，稱之為溶解氧(DO)。當(dāng)水體中含有還原性污染物時(shí)，DO量就會(huì)降低，當(dāng)DO低于4mg/l以下時(shí)，水中的生物就難以生存了。因此，溶解氧是水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)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(duì)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(hào)，來控制鼓風(fēng)機(jī)對(duì)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)中需要為溶解氧儀考慮合適的安裝位置，從而避免探頭結(jié)垢，也避免測(cè)量值波動(dòng)。

2.5.2 化學(xué)需氧量(COD)分析儀

化學(xué)需氧量(ChemicalOxygenDemand，簡稱COD)是在一定的條件下，采用一定的強(qiáng)氧化劑處理水樣時(shí)，所消耗的氧化劑量。它是表示水中還原性物質(zhì)多少的一個(gè)指標(biāo)。水中的還原性物質(zhì)有各種有機(jī)物、亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等，其中主要的還原物質(zhì)是有機(jī)物，所以COD值又往往作為衡量水中有機(jī)物質(zhì)含量多少的指標(biāo)?；瘜W(xué)需氧量越大，說明水體受有機(jī)物的污染越嚴(yán)重，因此污水處理裝置的進(jìn)出口COD值是很重要的參數(shù)。

COD測(cè)定儀主要有分光光液測(cè)定法及電化學(xué)測(cè)定兩種類型。分光光液法測(cè)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(shí)混合液中的鉻離子從四價(jià)還原為三價(jià)，液體顏色發(fā)生改變，變色的程度與水樣中有機(jī)物含量成對(duì)應(yīng)關(guān)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(zhì)的重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)，需要提供給相關(guān)主管部門供其監(jiān)督處理效果是否達(dá)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(shù)上更為成熟，為了保證正確的測(cè)量，特別是工藝要求很高的情況下，在選型設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮國外產(chǎn)品。在選型時(shí)要注意量程、精度、使用條件等主要參數(shù)，同時(shí)應(yīng)該考慮儀表耗材備件是否易購。

2.5.3 pH計(jì)

在污水進(jìn)、出口均設(shè)有pH分析儀，進(jìn)水處配置pH計(jì)的目的是方便工藝人員針對(duì)進(jìn)水水質(zhì)采取相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)手段，以滿足后續(xù)處理的要求。在出水處設(shè)置pH計(jì)的目的是反映處理的效果，方便廠部和政府部門對(duì)污水廠運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)管。

pH計(jì)的基本工作原理是用電位法測(cè)量溶液的酸堿度，插人待測(cè)溶液的測(cè)量電極與具有恒定電位的參比電極之間的電勢(shì)差與溶液pH值之間有固定的函數(shù)關(guān)系，由此通過測(cè)量電勢(shì)得出pH值。

2.5.4 污泥濃度計(jì)

污泥的濃度也是污水處理工藝中需要檢測(cè)的重要參數(shù)之一。污泥濃度計(jì)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(jìn)污泥的濃縮，一方面可以提高污泥脫水設(shè)備(采用板框壓濾機(jī))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(yùn)輸。目前，污泥濃度計(jì)的工作原理大致可分為光學(xué)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(jì)、泥位計(jì)、懸浮物濃度計(jì)、余氯計(jì)等，這些分析儀表主要也是基于光學(xué)原理或電化學(xué)原理的儀表。根據(jù)不同的處理工藝及不同的原水水質(zhì)，按需運(yùn)用于不同的控制或水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

3 儀表設(shè)計(jì)原則與注意事項(xiàng)

3.1 污水處理儀表主要設(shè)計(jì)原則

在污水處理工藝流程中，現(xiàn)場(chǎng)儀表不僅負(fù)責(zé)采集工藝參數(shù)，以確保自動(dòng)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行和控制，還是科學(xué)管理、環(huán)保監(jiān)控的重要基礎(chǔ)保證，因此在設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)盡量選用高精度、高穩(wěn)定性、免維護(hù)或低維護(hù)的智能儀表，為了生產(chǎn)過程中便于現(xiàn)場(chǎng)巡視與儀表維護(hù)，設(shè)計(jì)中可采用帶現(xiàn)場(chǎng)顯示的變送器，與此同時(shí)也應(yīng)盡量注意儀表的性價(jià)比。

在設(shè)計(jì)配置污水處理儀器儀表時(shí)，必須考慮到安全防護(hù)手段。由于污水處理環(huán)境比較惡劣，很多現(xiàn)場(chǎng)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(hù)等級(jí)可選IP68，露天的儀表選IP65，同時(shí)應(yīng)該根據(jù)儀表的具體考慮設(shè)置儀表保護(hù)箱，在北方等溫度較低地區(qū)還應(yīng)考慮保溫措施。

儀表的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮環(huán)境的適應(yīng)性.特別是傳感器如直接與污水、污泥介質(zhì)接觸，很容易腐蝕和結(jié)垢。因此應(yīng)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(shè)計(jì)中應(yīng)盡量選用不斷流拆卸式和維護(hù)周期較長的儀表，方便維護(hù)管理。

在儀表設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮節(jié)能型的儀表產(chǎn)品。儀表設(shè)計(jì)中對(duì)于特殊場(chǎng)合應(yīng)考慮儀表的防爆性能。對(duì)于處于雷區(qū)的污水處理廠，儀表變送器的電源和送信號(hào)到PLC的輸出端應(yīng)接防雷器，保證系統(tǒng)的安全可靠性。對(duì)于泥區(qū)的儀表，由于泥區(qū)的整個(gè)空氣中，有較大比例的沼氣。儀表配置應(yīng)選用本安型儀表，在進(jìn)行電器連接時(shí)應(yīng)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(shí)一定要注意防爆等級(jí)及廠家是否有防爆合格證。

3.2 污水處理中儀表設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

許多分析儀表的傳感器是電極(pH計(jì)、溶解氧等)組成的，而在實(shí)際使用中，電極易被油脂或污物覆蓋而不能測(cè)量。因此在這些分析儀的選型時(shí)，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(jī)械清洗、超聲波自動(dòng)清洗、溶液噴射清洗以及空氣噴射清洗。 在儀表設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量選用不斷流拆卸式和維護(hù)周期較長的儀表的同時(shí)，對(duì)于清洗、維護(hù)及更換時(shí)必須拆卸的管道式安裝儀表及其傳感器，應(yīng)在管道上設(shè)計(jì)安裝旁通閥，以免在其更換或發(fā)生故障時(shí)，需要停止工藝運(yùn)行。

污水處理中儀表設(shè)計(jì)需要與工藝緊密結(jié)合，選取合適的測(cè)量或取樣位置。分析儀表的安裝位置一定要選擇在活動(dòng)的區(qū)域，不能設(shè)置在死區(qū)。若設(shè)置在引出工藝管路時(shí)，這根工藝管路中介質(zhì)必須是流動(dòng)的。

4 小結(jié)

合理正確的設(shè)計(jì)和應(yīng)用自動(dòng)化儀表對(duì)于污水處理起著重要的作用。在設(shè)計(jì)污水處理中的自動(dòng)化儀表時(shí)，應(yīng)讓儀表滿足穩(wěn)定可靠，操作簡單，安裝方便，物美價(jià)廉，連續(xù)測(cè)量，反應(yīng)靈敏，互換性強(qiáng)，便于維護(hù)的要求。

污水處理中儀表設(shè)計(jì)安裝時(shí)需要注意結(jié)合工藝過程對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象和要求選用適用的儀表，具體安裝應(yīng)用時(shí)注意具體的工況條件。

污水處理中儀表投入使用后，應(yīng)注意儀表的維護(hù)，形成完善的巡檢和維護(hù)保養(yǎng)制度，從而保證儀表的準(zhǔn)確性，以利于監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

目前我國許多城市污水處理采用BOT模式的項(xiàng)目較多，為了控制項(xiàng)目的合理投資，在設(shè)計(jì)中考慮儀表可靠性等技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)也應(yīng)該充分考慮儀表選型的實(shí)用性，不應(yīng)盲目的提高儀表檔次，并且應(yīng)盡可能選用國產(chǎn)儀表和嘗試多種品牌儀表的應(yīng)用，以推進(jìn)國產(chǎn)儀表行業(yè)的前進(jìn)。

來源:《自動(dòng)化與儀器儀表》  作者:陳遵顥

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