污水處理廠儀表使用及維護的探討(圖文)
導讀：自動化儀表在現代工業生產中占據重要地位，根據污水處理工藝設計需求不同，污水行業應用儀表基本可分為三大系列：(1)物位，包括液位計、液位差計、泥位計(超聲波、雷達、靜壓)。(3)流量計，包括電磁流量計、渦街流量計、超聲波流量計。其中，中控系統設計安裝儀表28套，現投入使用21套，物位儀表：液位計、液位差計、泥位計(超聲波)。微波發射器(傳感器)電激勵以8度廣角發射超聲波脈沖直到被測物體，物體表面反射回波為此時的接收器(同一傳感器)接收，轉換成電氣信號輸出(平滑的表面回波角達到90時測量效果最好)。超聲波回波質量優劣決定測量信號的精確性，因此，不能在同一料罐內安裝多臺超聲波物位儀，且當料罐內部附近產生強烈的回波干擾(包括多次回波)或回波質量太差，如液面有大量泡沫、粉塵，以至于超聲波無法到達真實物位時，需采取固定目標抑制功能在物位盡可能低的情況下進行回波抑制。一般由電極、電纜、安裝支架、變送器四部分構成。
關鍵詞：儀表，傳感器，變送器，物位，渦街，回波
1. 前言
自動化儀表在現代工業生產中占據重要地位，根據污水處理工藝設計需求不同，污水行業應用儀表基本可分為三大系列：(1)物位，包括液位計、液位差計、泥位計(超聲波、雷達、靜壓);(2)分析儀表，包括PH、DO、濁度(SS)、COD、余氯、電導率;(3)流量計，包括電磁流量計、渦街流量計、超聲波流量計。
唐山市北郊污水處理廠是利用亞行貸款建設的河北省重點環保工程，設計規模日處理污水15萬噸，該廠工藝先進，自動化水平高，施工質量優良，榮獲2003年中國建筑工程最高獎“魯班獎”。其中，中控系統設計安裝儀表28套，現投入使用21套，物位儀表：液位計、液位差計、泥位計(超聲波);分析儀表：PH、DO、COD、余氯;流量計：電磁流量計，用于進廠污水及污泥體積流量測量。
2. 污水廠應用儀表類型
2.1物位儀
2.1.1超聲波物位
超聲波物位探測儀用于對液體及粗大顆粒或球狀固體(顆粒尺寸大于4mm/0.16in)進行非接觸性連接物位測量，污水廠內主要應用于液位、液位差及泥位的檢測，安裝地點如進水泵房、格柵間、儲泥池等，由被測介質決定。微波發射器(傳感器)電激勵以8度廣角發射超聲波脈沖直到被測物體，物體表面反射回波為此時的接收器(同一傳感器)接收，轉換成電氣信號輸出(平滑的表面回波角達到90時測量效果最好)。脈沖在發射和接收中所消耗的時間—飛躍的時間—與傳感器到物體表面的距離成正比。內有溫度傳感器同時對超聲波脈沖的傳感時間進行溫度補償。超聲波回波質量優劣決定測量信號的精確性，因此，不能在同一料罐內安裝多臺超聲波物位儀，且當料罐內部附近產生強烈的回波干擾(包括多次回波)或回波質量太差，如液面有大量泡沫、粉塵，以至于超聲波無法到達真實物位時，需采取固定目標抑制功能在物位盡可能低的情況下進行回波抑制。
超聲波穿透能力較差，需要堅實清晰的界面及較寬闊的測量平臺，精度要求較高或液面狹窄時，宜采用靜壓或雷達式物位儀進行檢測。
目前超聲波物位儀在污水廠中大量應用，回波因子的調整、接地線屏蔽等均對數值穩定性造成影響。總體來說，運行穩定，維護方便。
2.1.2靜壓式物位
靜壓式物位儀一般安裝于料罐底部承壓點，標定較困難，但具有受低密度物質的影響較小的優點。如，當污水廠進水液面堆積泡沫過厚時，超聲波物位儀發射的超聲波由泡沫表層反射，不能穿透泡沫直達真實液面，而此時泡沫壓力相對于水壓可忽略不計，宜采用靜壓式物位檢測，保證由壓力變送的液位輸出值與實際情況基本相符。現唐山市東郊污水處理廠格柵間采用羅斯蒙特生產的該系列靜壓產品。檢測。
2.1.3雷達式物位
雷達式物位儀具有精度高、穿透力強等優點。其電磁波可穿透霧氣、蒸汽、薄而大的泡沫，遠優于超聲波，精確性取決于介質的導電能力，但成本過高，惡劣工況中或被測液面狹窄時適用。
2.2分析儀表
分析儀表測量值對污水廠生產運營有重要的參考作用，其線性輸出可作為邏輯條件進行工藝自動控制。一般由電極、電纜、安裝支架、變送器四部分構成。
2.2.1 PH計
PH計在污水廠中大量用于進水酸堿度指示，如印染廠廢水的排放對PH值有較大影響。
PH計屬接觸直接測量式儀表，采用浸入式安裝，TOP68防水連接方式，根據氫離子在玻璃電極表面聚集的活躍程度產生電勢，同時測量電極與參比電極之間填充電解液并以鎢絲傳導平衡電勢，計算PH值，禁止在硫化氫或堿性過高的環境中使用(2%NaOH 80℃ approx.10—15hlifetime)，且線性輸出值與被測材質無關。
U=U0+RT/nF·ln(H+)
U——傳感器電壓
U0 ——當PH值為7時的電壓
RT/nF——輸出曲線斜率(slope=59,16mV at 25℃)
污水廠中化學成分濃度隨機變動范圍大，但持續時間短。污物可能滲透進入電導溶液，新型PH計采用異型填充物隔離測量與參比電極，以達到較好的測量穩定性，儀表壽命延長。
PH計制造技術現已比較成熟，維護方便，屬生產易耗品。玻璃電極表面損傷、老化;離子交換膜損傷，氫離子運動應由內向外交換，若反向則傷害參比電極，產生零漂，嚴重時無法校回。以上兩點應引起特別注意。此外，(1)電極探頭鍍有一層微米級厚度的金屬膜，在非測量環境中必須保持探頭濕潤(可浸泡在清水或KCL溶液中)。(2)用4%鹽酸或蒸餾水清潔電極，禁用堿溶液，油或脂肪可用酒精沖洗。(3)清洗探頭時不可用力擦拭，以防損壞電極膜。(4)一般工況下三個月標定一次，污水廠環境中若維護得當，使用一至兩年應更換探頭。
2.2.2 DO(溶解氧)儀
溶解氧數值——污水處理工藝重要指示參數。水中溶解氧含量多少決定污水生物處理過程中指示生物的生存生活條件，從而影響出水質量。
溶解氧儀傳感器由覆膜帽、電解液、金陰極、銀陽極、參比電極(部分型號配備)、連接電纜組成。介質中的氧以溶解氣體的形式產生，通過流體傳送至覆膜，基于所用材質和生產過程，只有溶解氣體能滲透覆膜，同樣地，溶解鹽和離子被保留下來，即當傳感器覆膜被覆蓋時，介質的電導率不影響測量信號。氧分子在金陰極上還原成氫氧根離子(OH-)，在陽極上，銀被氧化成銀離子(Ag+)形成一層溴化銀，金陰極釋放離子，陽極接收離子形成電流，以相應PLC模擬量采集標準輸出。正常條件下，電流與介質中氧濃度成正比。電流在測量裝置中被轉換，在LCD上顯示溶解氧濃度(mg/l)，氧的飽和指數以%SAT表示，或以hPa表示氧壓力。
2.2.3濁度(SS)
可采用90º角散射光法或透射光法在線檢測，污水廠主要安裝于初沉污泥、活性污泥、出水口等。
常規的濁度測量在無壓的采樣液中進行，當采樣液壓力釋放時，產生非常細小的氣泡干擾正常的濁度測量值，因此低濁狀態下需加裝消泡器。傳感器頭部轉刷定時對電極做自動清洗。
2.2.4 COD在線
化學需氧量是在一定條件下水體被強氧化劑重鉻酸鉀氧化的還原性物質所消耗重鉻酸鉀相對應的氧的質量濃度。檢測。COD反應水中受還原性物質污染的程度，COD的測定可采用光學法或溶液滴定法。以國標二級排放標準COD 100mg/L為例，消解液配制重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨摩爾濃度分別為0.05、0.02，需人工定時補充滴定。
2.2.5余氯
雙電極結構(PH、余氯兩個電極)，內部設計有PH補償電路。其PH電極原理構成同獨立PH計，但無溫度電極;余氯電極硝化銀膜體變白即報廢，屬易耗品。可根據氯的消耗量估算其使用壽命，常溫保存無特殊要求。
2.3流量計
2.3.1電磁流量計：
電磁流量計用于測量導電流體體積流量。北郊污水處理廠采用光華愛而美特分體式電磁流量計兩臺，在線檢測污水及未濃縮處理的污泥體積流量，調試完成后基本處于FIT AND FORGET免維護狀態，電極結構如圖1。
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Ue=β·L·v·sinα
Ue—感應電勢 L—電極距離 v—流速
根據法拉第電磁感應定律(圖2)，導電流體流經管道作切割磁力線運動時在垂直于磁場及流速的方向上產生感應電勢，當磁感應強度為常數時，感應電勢由兩個與介質接觸的電極檢出并正比于平均流速。檢測。同時為消除管道不滿給流量帶來的影響，加裝空管檢測電極。傳感器腔體填充氮氣密封。優點：電磁流量計無壓力損耗;內無可移動部件;輸出線性顯示;襯里采用聚胺苯橡膠，具有超強耐磨性。缺點：超純水電導率過低無法檢測流量。
電磁流量計電極可采用電清洗或機械清洗，由軟件自動控制。北郊污水處理廠現采用電極刮刀定時進行機械自清洗。
2.3.2渦街流量計
為保證流體剖面不受擾動，渦街流量計必須安裝在任何引起流體擾動例如縮徑、擴徑或閥的上游。當流體經過流量計擋體時，科氏力導致流體變向產生漩渦，根據漩渦個數推算流速并以介質不同得出體積流量。三向抗震，性能良好。
2.3.3超聲波流量計
適用于明渠體積流量測量，對溫度敏感，室外安裝注意遮陽。超聲波流量計在污水廠進出水處應用廣泛。
3. 維護保養
分體式儀表由傳感器、變送器兩部分構成。變送器放大板、電源板、LCD等一經損壞必須送交廠家維修;傳感器依賴于日常維護。
3.1超聲波物位
污水廠工況中非浸入式超聲波傳感器可進行電振動自清洗，定期擦拭傳感器表面，數值波動時進行標定即可。
3.2分析儀表
PH、余氯等一體式電極屬易耗品，浸入式安裝，視工況清理傳感器。年度制定采購計劃更換。
DO儀在一般工況中的維護應遵循“三個一”原則，“一周清洗，一月標定，一年換液”。污水廠視使用情況而定，電解液、覆膜帽易損易耗，需定購。
3.3電磁流量計
管道安裝，運行免維護。若條件允許，應在使用兩年后重新進行空管及滿管標定。
4. 運行問題及解決方案
4.1接地
接地在工程安裝中應引起特別注意。北京某污水廠超聲波液位計調試期間數值不穩定，無線性輸出，經查，傳感器、電纜正常，該故障由工作接地與電源接地端子連接反向引起。因此：
(1)正確連接變送器端子排工作接地及電源接地。
(2)安裝點附近必須消除強電干擾。如，不能在配電箱附近安裝變送器或傳感器。
(3)電磁流量計埋地管通常不設專用接地線，空管檢測電極、參比電極必須接地。一旦出現接地問題，則應將所有管道跨接后安全接地。
4.2 HART手操器
HART手操器是便攜式儀表標定工具，操作界面直觀友好，使用方便，特別適用于有防爆要求的工況。
(1)HART協議適用于大部分儀表標定。但廠家協議規約不相互開放，即手操器不能通用，且不同類型儀表之間不能通用。
(2)HART手操器直接接入測量回路使用，所括輸出電氣信號至PLC部分。此時手操器后端應大于250Ω，但整個回路電阻不得大于500Ω。若回路電阻大于500Ω，則摘除手操器后端電阻。
4.3溶解氧
現北郊污水處理廠以溶解氧作為工藝指示參數，東郊污水處理廠以溶氧值設計氧化溝自動運轉控制。
(1)膜式溶解氧儀初期成本高維護成本低，北郊污水處理廠現有六臺投入使用;固體式溶解氧儀維護費用高昂，如北京高碑店污水廠、順義污水廠，電石損壞后儀表報廢。
(2)工藝選擇安裝點不同影響數值可參考性。以北郊污水處理廠氧化溝工藝為例，邊槽安裝選擇兩轉刷中間點距轉刷約10m，轉刷浸水300mm，溶解氧支架浸水1.5m。轉刷啟動后快速作用于溶氧輸出，數值曲線以60º角攀升;轉刷關閉后數值陡降，硝化反硝化交替作用，氧化溝溶氧狀態反應瞬時值而非一般狀態，且由于安裝深度導致采樣值偏低。
(3)預處理運行問題導致日常維護困難。北郊污水處理廠粗格柵距40mm，細格柵距10mm，柵距相對較寬，濾除效果差;且原設計以時間控制格柵啟停，由于設備機械故障非正常運轉，后續設備如溶氧探頭、連接桿常被污物纏繞，造成維護困難。
(4)安裝選點應考慮便于日常維護操作。
4.4流量計脈動流
類似加料蠕動泵產生的脈動流，潛水泵脈動流使流量計累積出現偏移，此時需要平衡凈流量，開啟EPD重新標定。
4.5超聲波回波干擾
(1)安裝點附近不能出現強電磁干擾，保證安全接地。
(2)因超聲波以8°角散射發送，其安裝位置距離池壁至少20—30cm。
(3)水面漂浮物干擾回波，調整回波因子或設置固定目標抑制。
5.結束語
綜上所述，儀表的合理利用與嚴格控制工藝參數及設備運轉相輔相承。建立完備的儀表使用維護機制、技術歸檔制度，提高專職人員業務工作素質，可有效促進污水廠節能降耗，保證出水達標排放，生產步入良性發展。
參考文獻：
Endress+HauserProduct Manual,2003
顧夏聲等，水處理微生物學，北京，中國建筑工業出版社，2002
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