0 引言
污水處理工程一般包含污水預(yù)處理系統(tǒng)、生化處理系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)三部分。污水預(yù)處理系統(tǒng)主要由進(jìn)水泵、粗細(xì)格柵、砂水分離器等構(gòu)成;生化處理系統(tǒng)是污水處理的核心,一般含沉淀、絮凝、厭氧、缺氧、好氧等工藝流程;污泥處理系統(tǒng)由污泥濃縮池、污泥脫水機(jī)等組成,包括污泥勻質(zhì)、濃縮、脫水、處置四道基本工序。
污水處理工程涉及液位(差)、流量、壓力、溫度、濃度(含PH、溶解氧等)、濁度等多種工藝參數(shù)的測(cè)量。其中液位測(cè)量占很大比重,在各個(gè)工藝階段幾乎都有液位檢測(cè)點(diǎn)。測(cè)量介質(zhì)包含水和溶液兩種。溶液是指用于改善污水水質(zhì)的溶液如:酸、堿等,一般純?nèi)芤河趦?chǔ)罐中貯存,混合溶液存于帶攪拌器的混凝土池內(nèi)。毋庸多言,水作為污水處理的對(duì)象,對(duì)其液位的檢測(cè)數(shù)量是最多的。相對(duì)其它工藝流程,污水處理工程的水位測(cè)量有它自身的特點(diǎn):
1)測(cè)量介質(zhì)一般是含泥沙、油污等多種無機(jī)、有機(jī)污染物的污水,大多存于室外敞口池中;
2)生化處理系統(tǒng)使用氣浮工藝的水面上多存在泡沫;
3)調(diào)節(jié)池、濃縮池等多設(shè)有攪拌器。相對(duì)于其它種類的測(cè)量儀表,適合污水處理工程使用的液位儀類型眾多。有接觸和非接觸測(cè)量兩類,涉及包括差壓式、浮力式、電學(xué)式、聲學(xué)式等多種測(cè)量原理的液位計(jì)。這對(duì)儀表的選擇提供了很大空間,同時(shí)也帶來了合理選型的難度。本文以實(shí)際使用普遍,數(shù)量多的磁翻板液位計(jì)、投入式液位計(jì)、超聲波液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)為例,結(jié)合原理,總結(jié)實(shí)際工作中液位計(jì)選型、安裝、使用和維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)。
1 磁翻板液位計(jì)
1.1 測(cè)量原理
磁翻板液位計(jì)主要基于浮力和磁力原理。帶有磁體的浮子(簡稱磁性浮子)在被測(cè)介質(zhì)中的位置受浮力作用影響。液位的變化導(dǎo)致磁性浮子位置的變化、磁性浮子和磁翻柱(也成為磁翻板)的靜磁力耦合作用導(dǎo)致磁翻柱翻轉(zhuǎn)一定角度(磁翻柱表面涂敷不同的顏色),進(jìn)而反映容器內(nèi)液位的情況。
1.2優(yōu)缺點(diǎn)及注意事項(xiàng)
1)顯示清晰、讀數(shù)直觀,方便現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。
2)一般選用帶遠(yuǎn)傳功能的磁翻板液位計(jì),不需多組液位計(jì)組合,即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和操作室監(jiān)控,設(shè)備開孔少。
3)測(cè)量介質(zhì)臟污時(shí),易堵。根據(jù)介質(zhì)情況,應(yīng)定期清洗主導(dǎo)管,清除管內(nèi)沉積雜質(zhì)。建議配套排污閥方便檢修。若測(cè)量介質(zhì)含腐蝕性時(shí),須選用耐腐蝕的產(chǎn)品。
4)如圖1示,通常情況下,工藝與儀表專業(yè)的設(shè)計(jì)、維護(hù)以法蘭為界,因此,須注意液位計(jì)法蘭與工藝接管法蘭配對(duì)。另外,液位計(jì)根部閥V1、V2屬工藝選型或由儲(chǔ)罐配套。為保證液位計(jì)檢修時(shí),不影響生產(chǎn),V1、V2必須選用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品,故在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)或采購時(shí),儀表專業(yè)須向工藝專業(yè)提出要求。
1.3使用位置
在污水處理工程中多選用側(cè)裝式的磁翻板液位計(jì),常用于需現(xiàn)場(chǎng)和操作室兩地監(jiān)控的位置,如酸罐、堿罐、部分藥罐液位檢測(cè)。
2投入式液位計(jì)
2.1測(cè)量原理
基于所測(cè)液體靜壓與該液體高度成正比的原理,采用多晶硅、陶瓷或電容壓力傳感器,將靜壓轉(zhuǎn)成電信號(hào)。一般由直接投入液體中的傳感器、用于信號(hào)放大、校正、補(bǔ)償、結(jié)果顯示的變送器和導(dǎo)氣或連接電纜(傳感器與變送器連接)三部分組成。
2.2優(yōu)缺點(diǎn)及注意事項(xiàng)
1)結(jié)構(gòu)簡單,價(jià)格較便宜。
2)傳感器直接投入被測(cè)液體內(nèi)測(cè)量,因此不受介質(zhì)起泡影響。
3)由于傳感器與變送器間為柔性連接,儀表貯存及運(yùn)輸方便,尤其在大量程的液位測(cè)量中,其優(yōu)勢(shì)更突出。安裝方便,只須將傳感器直接投入被測(cè)液體,即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量。
4)水流沖擊、摩擦振動(dòng)(尤其是與液位變化同方向的振動(dòng))等因素會(huì)改變投入式傳感器在液體中的位置,進(jìn)而影響測(cè)量值,所以最好將液位計(jì)安裝于水流相對(duì)平穩(wěn)的地點(diǎn)。受現(xiàn)場(chǎng)條件制約,無法避免時(shí),最好將傳感器置于隔離管中安裝或選擇其它種類的液位計(jì)。圖2為加裝隔離管的投入式液位計(jì)在某調(diào)節(jié)池中的應(yīng)用示例,使用隔離管避免了因攪拌器工作引起的水流沖擊,保證了測(cè)量的正確率。
5)使用于水質(zhì)過差的環(huán)境時(shí),傳感器套孔易被污泥堵塞,導(dǎo)致測(cè)量值失真,需酌情定期清洗維護(hù)。為減少套孔被污泥堵塞的概率,建議將其安裝于離池底大于100mm的位置,并使用隔離管。
6)使用壽命較短。使用一段時(shí)間后,易出現(xiàn)零點(diǎn)或量程漂移,現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)有難度。
2.3使用位置
雖然投入式液位計(jì)存在使用壽命較短,傳感器易堵等缺點(diǎn),但由于它在價(jià)格和安裝維護(hù)方面的優(yōu)點(diǎn),尤其是價(jià)格方面,一般僅千元左右,相對(duì)于后文提到的超聲波、雷達(dá)液位計(jì)一般需萬元左右,有較大優(yōu)勢(shì),目前仍是污水處理工程測(cè)量敞口容器液位使用較多的液位計(jì)之一。
在上清液集水池、清水池、濾池等水質(zhì)相對(duì)較好的工藝流程中使用時(shí),壽命較長,幾乎免維護(hù)�？梢允褂迷谒|(zhì)差的環(huán)境中,但不適合池底淤泥層過厚的池內(nèi)使用。加裝隔離管后可應(yīng)用于部分帶攪拌器的調(diào)節(jié)池、濃縮池等。
3超聲波液位計(jì)
3.1測(cè)量原理
超聲波液位計(jì)是利用回波測(cè)距原理的非接觸式儀表�；夭y(cè)距原理又稱行程時(shí)間或傳播時(shí)間(TOF,Time ofFlight)測(cè)量原理。它是通過一個(gè)可以發(fā)射能量波(一般為脈沖信號(hào))的裝置發(fā)射能量波,能量波遇到障礙物反射,由一個(gè)接收裝置接收反射信號(hào)。根據(jù)測(cè)量能量波運(yùn)動(dòng)過程的時(shí)間差來確定物位變化情況。由電子裝置對(duì)能量波信號(hào)進(jìn)行處理,最終轉(zhuǎn)化成與物位相關(guān)的電信號(hào)。利用超聲波作為能量波的液位計(jì)即是超聲波液位計(jì)。其測(cè)量原理如圖3示。液位高度計(jì)算公式如下:
其中,C為超聲波在空氣中的傳播速度;t為超聲波由液位計(jì)到水面往返一次的時(shí)間。由公式可見,液位高度受超聲波傳播速度的影響。而超聲波是利用氣體(絕大多數(shù)情況下是空氣)作為傳播介質(zhì),空氣的壓力(真空度)、溫度、濕度、氣流等變化會(huì)改變超聲波傳播速度。例如,超聲波速度與溫度的近似公式為:
C= C0+ 0.607× T
式中,C0為零度時(shí)的聲波速度332m/s;T為實(shí)際溫度(℃)。
可見,溫度變化會(huì)產(chǎn)生液位測(cè)量誤差。超聲波液位計(jì)的超聲放射及接收裝置均安裝于同一探頭中,這就決定了只能在發(fā)射引起的傳感器余振基本消失后,接收裝置才能檢測(cè)反射回波。另外,超聲發(fā)射是以脈沖方式進(jìn)行,而脈沖具有一定的時(shí)間寬度,因此,在超聲發(fā)射到余振基本消失的這段時(shí)間t'內(nèi),液位計(jì)不能正常工作,這段時(shí)間對(duì)應(yīng)的液位
B稱為盲區(qū),如圖3示,被測(cè)的最高液位如進(jìn)入盲區(qū),儀表將不能正確檢測(cè)。盲區(qū)大小取決于發(fā)射裝置的功率。一般而言,發(fā)射裝置功率越大,發(fā)射頻率就越低,余振衰減時(shí)間越長,盲區(qū)也就越大。
3.2優(yōu)缺點(diǎn)及注意事項(xiàng)
1)具有工作可靠、精度高、使用周期長、免維護(hù)的特點(diǎn),并具有相對(duì)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。
2)在污水處理工程中,多可選用一體式液位計(jì),安裝簡便。
3)回波反射產(chǎn)生的干擾回波和假回波,可通過軟件來排除,但有效回波強(qiáng)度也同時(shí)被衰減。因此,設(shè)計(jì)選型時(shí),要考慮衰減因素,選擇量程要留有一定的余量。
4)為了盡量減少干擾回波,安裝位置要盡可能選擇液面平穩(wěn)的位置,同時(shí)遠(yuǎn)離扶梯、檢修通道、進(jìn)水口、出水口、攪拌器,盡可能與池壁保持較遠(yuǎn)的距離。在探頭規(guī)定的波束發(fā)射角下,錐形波束在最低測(cè)量液面上的投影,不與容器壁及其它能反射聲波的構(gòu)件接觸。在避開盲區(qū)的前提下,盡量貼近最高液面安裝,以減少池壁回波的干擾。為獲得盡可能強(qiáng)的回波,要保證探頭與被測(cè)界面垂直。
5)首次投運(yùn),須對(duì)儀表進(jìn)行使用位置、介質(zhì)特性、工藝條件等內(nèi)容的設(shè)定,完成空程、滿量程校正。利用配套軟件進(jìn)行回波曲線檢查,抑制干擾回波。建議在有條件的情況下,在池壁上分別標(biāo)注液位滿量程的20%、50%、95%、三點(diǎn),以方便今后維護(hù)和校驗(yàn)。
6)為避免因壓力、溫度等特性變化而產(chǎn)生的液位誤差,應(yīng)選擇有溫度補(bǔ)償?shù)漠a(chǎn)品。
7)泡沫是聲波反射不充分的表面,會(huì)吸收一部分或是全部的聲波脈沖能量,減少或是完全消除回波信號(hào)。因此,在被測(cè)液面存在泡沫的場(chǎng)合,不能使用。但在泡沫較輕,盲區(qū)允許的情況下,可通過加大液位計(jì)的功率,來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。
3.3使用位置
超聲波液位計(jì)不能使用在測(cè)量工況變化劇烈或真空的場(chǎng)合,但污水處理工程一般不存在上述情況,這一優(yōu)勢(shì)使超聲波液位計(jì)在污水處理工程中得以廣泛應(yīng)用。
除了不能使用在有大量泡沫、液位波動(dòng)劇烈的地方外,幾乎可在污水處理的各個(gè)工藝流程中廣泛使用,用于測(cè)量水池液位、液位差等。
4雷達(dá)液位計(jì)
4.1測(cè)量原理
超聲波、雷達(dá)液位計(jì)都是利用回波測(cè)距原理的儀表。利用電磁波作為能量波的液位計(jì)即是雷達(dá)液位計(jì),又稱微波液位計(jì)。
雷達(dá)液位計(jì)按結(jié)構(gòu)可分為天線式和導(dǎo)波式。天線式通過天線發(fā)射和接收電磁波,其結(jié)構(gòu)與超聲波液位計(jì)最為相似,都屬于非接觸式儀表。導(dǎo)波式是微波液位計(jì)的一種變型,英文名稱是Time DomainReflectometry(時(shí)域反射法)或簡稱TDR,也俗稱導(dǎo)波雷達(dá),通常采用脈沖波方式工作。與微波液位計(jì)不同點(diǎn)在于微波脈沖不是通過空間傳播,而是通過一根(或兩根)從液位上方伸入、直達(dá)容器底的導(dǎo)波體傳播。導(dǎo)波體可以是金屬硬桿或柔性金屬纜繩。微波脈沖沿桿或纜的外側(cè)向下傳播,在被測(cè)液面上被反射,回波被天線接收,由發(fā)射脈沖與回波脈沖的時(shí)間差即可計(jì)算出傳播距離。
低頻雷達(dá)具有較大的波束角和較長的波長,使之在有液面擾動(dòng)或攪拌的情況下能提供最好的回波曲線。但其較大的波束角制約了使用范圍。為彌補(bǔ)這一缺陷,在實(shí)際產(chǎn)品中,低頻雷達(dá)多與導(dǎo)波管結(jié)合。也就是說,一般導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)多使用低頻雷達(dá)。
4.2優(yōu)缺點(diǎn)及注意事項(xiàng)
由于雷達(dá)液位計(jì)與超聲波液位計(jì)在測(cè)量原理上相同,本文3.2中1～ 5同樣適用于雷達(dá)液位計(jì)。但由于雷達(dá)液位計(jì)的特殊性,和超聲波液位計(jì)相比較,還有以下特點(diǎn):
1)由于微波(電磁波)傳播不依賴介質(zhì),所以雷達(dá)液位計(jì)不受介質(zhì)特性如壓力、溫度、真空度等影響,所以測(cè)量精度較超聲波液位計(jì)高�？梢允褂迷诠r變化較大或有蒸汽等超聲液位計(jì)不能正常工作的場(chǎng)合。
2)微波(電磁波)以光速傳播,使得雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量更靈敏,刷新速度更快。
3)表1示出了不同特性的泡沫,對(duì)微波、超聲波信號(hào)的不同影響。由于污水處理工程液位測(cè)量所涉幾乎全是濕性泡沫,所以雷達(dá)液位計(jì)可代替超聲波液位計(jì)在液面有泡沫的場(chǎng)合使用。
4)使用導(dǎo)波雷達(dá),可在帶攪拌、液面擾動(dòng)等復(fù)雜工況或安裝空間有限的場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)測(cè)量。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)安裝在有攪拌器的液體中,若液體流速過快,建議將導(dǎo)波管末端固定,以減少導(dǎo)波管受力。
5)部分產(chǎn)品配套有智能軟件,可實(shí)現(xiàn)不規(guī)則池底的液位測(cè)量。
6)雷達(dá)液位計(jì)比超聲波液位計(jì)價(jià)格稍貴。
4.3使用位置
由于雷達(dá)液位計(jì)在有泡沫、帶攪拌的測(cè)量場(chǎng)合具有優(yōu)勢(shì),它彌補(bǔ)了超聲波液位計(jì)在上述方面的不足�？梢哉f,雷達(dá)液位計(jì)適合在污水處理的各個(gè)工藝流程中使用,測(cè)量水池液位、液位差。
5結(jié)語
液位儀表是污水處理工程不可缺少的重要儀表。它種類繁多,根據(jù)介質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)條件的不同,各類液位計(jì)各具優(yōu)勢(shì),形成一個(gè)多元化的局面。要找到適合的產(chǎn)品,只有在液位計(jì)選型、安裝時(shí),根據(jù)各液位計(jì)的特點(diǎn),從測(cè)量介質(zhì)、安裝位置、儀表精度、價(jià)格、使用壽命、維護(hù)成本等多方面綜合考慮。隨著勞動(dòng)力和生產(chǎn)成本的不斷提高,儀表高精度、免維護(hù)性在儀表選型中所占的比重也隨之不斷增加。因此,在儀表采購成本允許的情況下,建議盡量選擇精度佳、免維護(hù)的儀表。相對(duì)于磁翻板液位計(jì)和投入式液位計(jì)而言,超聲波、雷達(dá)液位計(jì)更符合上述要求。隨著電子技術(shù)及制作工藝的不斷提高,超聲波、雷達(dá)液位計(jì)的價(jià)格會(huì)不斷下降,性能會(huì)不斷提高,數(shù)量會(huì)不斷增多。
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