0 引言
污水處理工程一般包含污水預處理系統、生化處理系統、污泥處理系統三部分。污水預處理系統主要由進水泵、粗細格柵、砂水分離器等構成;生化處理系統是污水處理的核心,一般含沉淀、絮凝、厭氧、缺氧、好氧等工藝流程;污泥處理系統由污泥濃縮池、污泥脫水機等組成,包括污泥勻質、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的測量。其中液位測量占很大比重,在各個工藝階段幾乎都有液位檢測點。測量介質包含水和溶液兩種。溶液是指用于改善污水水質的溶液如:酸、堿等,一般純溶液于儲罐中貯存,混合溶液存于帶攪拌器的混凝土池內。毋庸多言,水作為污水處理的對象,對其液位的檢測數量是最多的。相對其它工藝流程,污水處理工程的水位測量有它自身的特點:
1)測量介質一般是含泥沙、油污等多種無機、有機污染物的污水,大多存于室外敞口池中;
2)生化處理系統使用氣浮工藝的水面上多存在泡沫;
3)調節池、濃縮池等多設有攪拌器。相對于其它種類的測量儀表,適合污水處理工程使用的液位儀類型眾多。有接觸和非接觸測量兩類,涉及包括差壓式、浮力式、電學式、聲學式等多種測量原理的液位計。這對儀表的選擇提供了很大空間,同時也帶來了合理選型的難度。本文以實際使用普遍,數量多的磁翻板液位計、投入式液位計、超聲波液位計和雷達液位計為例,結合原理,總結實際工作中液位計選型、安裝、使用和維護的經驗。
1 磁翻板液位計
1.1 測量原理
磁翻板液位計主要基于浮力和磁力原理。帶有磁體的浮子(簡稱磁性浮子)在被測介質中的位置受浮力作用影響。液位的變化導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致磁翻柱翻轉一定角度(磁翻柱表面涂敷不同的顏色),進而反映容器內液位的情況。
1.2優缺點及注意事項
1)顯示清晰、讀數直觀,方便現場監控。
2)一般選用帶遠傳功能的磁翻板液位計,不需多組液位計組合,即可同時實現現場和操作室監控,設備開孔少。
3)測量介質臟污時,易堵。根據介質情況,應定期清洗主導管,清除管內沉積雜質。建議配套排污閥方便檢修。若測量介質含腐蝕性時,須選用耐腐蝕的產品。
4)如圖1示,通常情況下,工藝與儀表專業的設計、維護以法蘭為界,因此,須注意液位計法蘭與工藝接管法蘭配對。另外,液位計根部閥V1、V2屬工藝選型或由儲罐配套。為保證液位計檢修時,不影響生產,V1、V2必須選用優質產品,故在儲罐設計或采購時,儀表專業須向工藝專業提出要求。
1.3使用位置
在污水處理工程中多選用側裝式的磁翻板液位計,常用于需現場和操作室兩地監控的位置,如酸罐、堿罐、部分藥罐液位檢測。
2投入式液位計
2.1測量原理
基于所測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,將靜壓轉成電信號。一般由直接投入液體中的傳感器、用于信號放大、校正、補償、結果顯示的變送器和導氣或連接電纜(傳感器與變送器連接)三部分組成。
2.2優缺點及注意事項
1)結構簡單,價格較便宜。
2)傳感器直接投入被測液體內測量,因此不受介質起泡影響。
3)由于傳感器與變送器間為柔性連接,儀表貯存及運輸方便,尤其在大量程的液位測量中,其優勢更突出。安裝方便,只須將傳感器直接投入被測液體,即可實現測量。
4)水流沖擊、摩擦振動(尤其是與液位變化同方向的振動)等因素會改變投入式傳感器在液體中的位置,進而影響測量值,所以最好將液位計安裝于水流相對平穩的地點。受現場條件制約,無法避免時,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。圖2為加裝隔離管的投入式液位計在某調節池中的應用示例,使用隔離管避免了因攪拌器工作引起的水流沖擊,保證了測量的正確率。
5)使用于水質過差的環境時,傳感器套孔易被污泥堵塞,導致測量值失真,需酌情定期清洗維護。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。使用一段時間后,易出現零點或量程漂移,現場校準有難度。
2.3使用位置
雖然投入式液位計存在使用壽命較短,傳感器易堵等缺點,但由于它在價格和安裝維護方面的優點,尤其是價格方面,一般僅千元左右,相對于后文提到的超聲波、雷達液位計一般需萬元左右,有較大優勢,目前仍是污水處理工程測量敞口容器液位使用較多的液位計之一。
在上清液集水池、清水池、濾池等水質相對較好的工藝流程中使用時,壽命較長,幾乎免維護�？梢允褂迷谒|差的環境中,但不適合池底淤泥層過厚的池內使用。加裝隔離管后可應用于部分帶攪拌器的調節池、濃縮池等。
3超聲波液位計
3.1測量原理
超聲波液位計是利用回波測距原理的非接觸式儀表�；夭y距原理又稱行程時間或傳播時間(TOF,Time ofFlight)測量原理。它是通過一個可以發射能量波(一般為脈沖信號)的裝置發射能量波,能量波遇到障礙物反射,由一個接收裝置接收反射信號。根據測量能量波運動過程的時間差來確定物位變化情況。由電子裝置對能量波信號進行處理,最終轉化成與物位相關的電信號。利用超聲波作為能量波的液位計即是超聲波液位計。其測量原理如圖3示。液位高度計算公式如下:
其中,C為超聲波在空氣中的傳播速度;t為超聲波由液位計到水面往返一次的時間。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(絕大多數情況下是空氣)作為傳播介質,空氣的壓力(真空度)、溫度、濕度、氣流等變化會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為零度時的聲波速度332m/s;T為實際溫度(℃)。
可見,溫度變化會產生液位測量誤差。超聲波液位計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射引起的傳感器余振基本消失后,接收裝置才能檢測反射回波。另外,超聲發射是以脈沖方式進行,而脈沖具有一定的時間寬度,因此,在超聲發射到余振基本消失的這段時間t'內,液位計不能正常工作,這段時間對應的液位
B稱為盲區,如圖3示,被測的最高液位如進入盲區,儀表將不能正確檢測。盲區大小取決于發射裝置的功率。一般而言,發射裝置功率越大,發射頻率就越低,余振衰減時間越長,盲區也就越大。
3.2優缺點及注意事項
1)具有工作可靠、精度高、使用周期長、免維護的特點,并具有相對的價格優勢。
2)在污水處理工程中,多可選用一體式液位計,安裝簡便。
3)回波反射產生的干擾回波和假回波,可通過軟件來排除,但有效回波強度也同時被衰減。因此,設計選型時,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的位置,同時遠離扶梯、檢修通道、進水口、出水口、攪拌器,盡可能與池壁保持較遠的距離。在探頭規定的波束發射角下,錐形波束在最低測量液面上的投影,不與容器壁及其它能反射聲波的構件接觸。在避開盲區的前提下,盡量貼近最高液面安裝,以減少池壁回波的干擾。為獲得盡可能強的回波,要保證探頭與被測界面垂直。
5)首次投運,須對儀表進行使用位置、介質特性、工藝條件等內容的設定,完成空程、滿量程校正。利用配套軟件進行回波曲線檢查,抑制干擾回波。建議在有條件的情況下,在池壁上分別標注液位滿量程的20%、50%、95%、三點,以方便今后維護和校驗。
6)為避免因壓力、溫度等特性變化而產生的液位誤差,應選擇有溫度補償的產品。
7)泡沫是聲波反射不充分的表面,會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。因此,在被測液面存在泡沫的場合,不能使用。但在泡沫較輕,盲區允許的情況下,可通過加大液位計的功率,來實現測量。
3.3使用位置
超聲波液位計不能使用在測量工況變化劇烈或真空的場合,但污水處理工程一般不存在上述情況,這一優勢使超聲波液位計在污水處理工程中得以廣泛應用。
除了不能使用在有大量泡沫、液位波動劇烈的地方外,幾乎可在污水處理的各個工藝流程中廣泛使用,用于測量水池液位、液位差等。
4雷達液位計
4.1測量原理
超聲波、雷達液位計都是利用回波測距原理的儀表。利用電磁波作為能量波的液位計即是雷達液位計,又稱微波液位計。
雷達液位計按結構可分為天線式和導波式。天線式通過天線發射和接收電磁波,其結構與超聲波液位計最為相似,都屬于非接觸式儀表。導波式是微波液位計的一種變型,英文名稱是Time DomainReflectometry(時域反射法)或簡稱TDR,也俗稱導波雷達,通常采用脈沖波方式工作。與微波液位計不同點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、直達容器底的導波體傳播。導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向下傳播,在被測液面上被反射,回波被天線接收,由發射脈沖與回波脈沖的時間差即可計算出傳播距離。
低頻雷達具有較大的波束角和較長的波長,使之在有液面擾動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。為彌補這一缺陷,在實際產品中,低頻雷達多與導波管結合。也就是說,一般導波雷達液位計多使用低頻雷達。
4.2優缺點及注意事項
由于雷達液位計與超聲波液位計在測量原理上相同,本文3.2中1～ 5同樣適用于雷達液位計。但由于雷達液位計的特殊性,和超聲波液位計相比較,還有以下特點:
1)由于微波(電磁波)傳播不依賴介質,所以雷達液位計不受介質特性如壓力、溫度、真空度等影響,所以測量精度較超聲波液位計高�？梢允褂迷诠r變化較大或有蒸汽等超聲液位計不能正常工作的場合。
2)微波(電磁波)以光速傳播,使得雷達液位計測量更靈敏,刷新速度更快。
3)表1示出了不同特性的泡沫,對微波、超聲波信號的不同影響。由于污水處理工程液位測量所涉幾乎全是濕性泡沫,所以雷達液位計可代替超聲波液位計在液面有泡沫的場合使用。
4)使用導波雷達,可在帶攪拌、液面擾動等復雜工況或安裝空間有限的場合實現測量。導波雷達液位計安裝在有攪拌器的液體中,若液體流速過快,建議將導波管末端固定,以減少導波管受力。
5)部分產品配套有智能軟件,可實現不規則池底的液位測量。
6)雷達液位計比超聲波液位計價格稍貴。
4.3使用位置
由于雷達液位計在有泡沫、帶攪拌的測量場合具有優勢,它彌補了超聲波液位計在上述方面的不足�？梢哉f,雷達液位計適合在污水處理的各個工藝流程中使用,測量水池液位、液位差。
5結語
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,根據介質和現場條件的不同,各類液位計各具優勢,形成一個多元化的局面。要找到適合的產品,只有在液位計選型、安裝時,根據各液位計的特點,從測量介質、安裝位置、儀表精度、價格、使用壽命、維護成本等多方面綜合考慮。隨著勞動力和生產成本的不斷提高,儀表高精度、免維護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、免維護的儀表。相對于磁翻板液位計和投入式液位計而言,超聲波、雷達液位計更符合上述要求。隨著電子技術及制作工藝的不斷提高,超聲波、雷達液位計的價格會不斷下降,性能會不斷提高,數量會不斷增多。
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