0 引言
随着我国的经济快速发展与工业化程度增加，对于水资源的污染也在加剧，尤其是城市污水与工业污水的排放量增加致使水质污染日趋严重。国家对于水资源的保护日益重视，加大了对城市污水与工业污水的治理力度，对于达到各种污水处理工艺过程的最佳效果、处理设备的正常运行、准确监测污水处理的水质、水量等都提出了更高的要求，这就对污水处理中的自动化仪表的设计与应用提出了新的要求。
1 自动化仪表在污水处理中的重要性
在现代化污水处理过程中，无论采用何种工艺，其工艺过程都存在大量需要检测的参数，因此目前大型生活污水处理厂或者工艺污水处理厂一般都设有液位、液位差、流量、压力、pH值、温度、溶解氧、污泥浓度、氧化还原电位、污泥界面、在线BOD、在线COD、在线氨氮、在线总磷等自动化仪表。通过这些检测仪表获取的各种工艺检测参数从而对工艺过程中的各种工艺设备进行控制，协调供需之间、系统各组成部分之间、各污水处理工艺之间的关系，以便使各种设备与设施得到更充分、合理的使用。其中工艺过程中的一些重要工艺参数例如溶氧值、曝气量等都是保证工艺自动控制的重要保证，通过这些仪表检测值来自动调节和控制工艺设备的合理运行。这些自动化仪表不仅对于污水处理工艺过程起着不可替代的指导作用，同时也可以多工艺处理过程进行监控报警，保障生产和设备安全，而且还起着向相关管理部门提过检测指标的重要作用。综上所述，可以看到自动化仪表对于污水处理过程起着重要的作用，是计算机控制的前提条件和自动化控制的基础。
2 主要仪表设计与应用
2.1 污水处理常用仪表分类
在污水处理中的自动化仪表主要分为热工仪表和成分分析仪表。热工仪表主要包括温度、压力、液位、流量这些物理量检测仪表，热工仪表大致都由测量元件(传感器)部分、中问传送部分和显示部分(包括变换成其他信号)构成。成分分析仪表在污水处理过程中常常称之为水质分析仪表，例如溶解氧仪、在线BOD仪、在线COD仪等。这部分仪表的主要特点是专用性强，形式多样化，但每种成分分析仪的适用范围往往都限于某种介质成分分析。
2.2 温度与压力仪表
在厌氧消化过程中为保证其正常良好反应，介质温度需要保持在一定的温度范围内，因此需要设置温度检测点，通常设计的典型热敏元件是铂热电阻。由于热电阻信号需要自动控制系统配套专用热电阻模块，而水处理过程中的温度监测点并不多，因此可以考虑在仪表设计时采用温度变送器将热电阻信号转换为4～20mA信号从而接入标准的模拟量模块。
污水处理中压力检测多为泵出口处设置就地压力表或则压力变送器，如果需要设置压力变送器则多选用目前应用非常广泛技术也很成熟的智能型压力变送器，以便于通过配合手操器对压力变送器进行量程设置、调零等操作。
2.3 流量仪表
相对而言，在污水处理中流量计是非常重要的一类仪表。污水处理厂的进出水水量、回流污泥量、曝气量以及消化池产气量等都是工艺生产所必须测量的流量参数。另外，为了对污水处理厂的运行经济效果进行考核、分析，也要依靠流量测量仪表来提供必要的数据。
在污水处理厂流量测量仪表中，目前应用较为广泛的是电磁流量计、超声波流量计、差压式流量计以及明渠流量计，相关性能等参数见图1。
2.3.1 电磁流量计
电磁流量计是测速式流量计，适用于具有导电性液体体积流量的测量。它的工作原理是基于法拉第电磁感应定律，定律要点是导体在磁场中切割磁力线方向运动时，导体受磁场感应产生感应电势E。电磁流量计主要由变送器和转换器组成。被测介质的流量经变送器变换成感应电势后，再经转换器把感应电势信号转换成为电流信号作为输出，以便进行远方指示记录或作为控制信号。电磁流量计在测量通道内无任何固定或可动的节流部件，对流体无压力损失，其输出特性与被测液体的密度、黏度、流动状况无关，适用于测量污水处理中带有固体微颗粒的流体流量。同时电磁流量计安装的直管段要求通常为前5D、后2D(D为所选仪表的内直径，见图2)，相对于差压式流量计对于直管段的要求要短得多。正是因为电磁流量计的这些特点，因此它在污水处理中得到广泛应用。在污水处理厂的进出水管线、污泥管线上都可以考虑设计电磁流量计进行测量。需要注意的是电磁流量计对于测量液体的电导率和流速都有要求，需要在设计时特别注意加以考虑。
图1 污水处理主要流量仪表对照表
图2 电磁流量计安装示意图
2.3.2 超声波流量计
超声波流量计按其安装形式一般分为外夹式和管段式、插入式，根据其检测的方式，又可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。
其中管道外夹式超声流量计可以不用断开管路安装(不像电磁流量计那样需要断开管路安装)，也不需要安装旁通管路和阀门，测量管路口径可以达到几米，维护方便，可以对流体无任何影响下来进行流量测量，因此在污水处理中的大口径的进出水管道流量测量中也得到较多的应用。
在设计应用超声波流量计中尤其需要注意选择合适的安装位置，所选安装管道圆度好，内表面光滑且壁厚均匀，安装管段应避开干扰和涡流这两种对测量精度影响较大的情况，避免安装在水泵、变频器附近，即有强磁场和震动干扰处安装仪表。同时也应该满足相应的直管段要求(上游10倍管径，下游5倍管径)。
2.3.3 差压式流量计
污水处理中的曝气量的测量一般选用差压式流量计，如威力巴(VERABAR)流量计，德尔塔巴(Deltaflow)流量计。这两种仪表都是插入式安装，可在带压情况下拆卸维护检查，不影响风机和压缩机运行。在设计时需要注意，由于威力巴和德尔塔巴流量计的差压信号都比较小(约在几个mmH2O到几十个mmH2O之间)，必要时，在保证满足前后直管段要求的情况下，可采取渐缩管道的方法，提高流速，增大差压信号。另外，选择适当的微差压变送器对准确的测量也是十分必要的，建议选用高精度的(0.5%)微差压变送器。在进行气体流量测量时，需要进行温度和压力补偿。当工艺管道内温度和压力变化不大时，在满足测量准确度的情况下，也可以采用固定的温度、压力值进行补偿。一个精度高，稳定性好的气体流量测量系统，对鼓风曝气系统节约电能，降低运行成本，起作积极的作用。
2.3.4 明渠式超声波流量计
明渠式超声波流量计是一种在污水处理厂应用很广的流量计，适用于工艺流程中进出水是明渠形式而非管道的场合。在污水厂中常用的明渠巴歇儿水槽、三角堰、梯形槽、矩形槽等。
选用明渠流量计，不仅对仪表的精度、性能、稳定性高要求，同时对不同明渠具体堰槽的制作精度要求也非常高。因为无论采用哪一种堰槽，最终流量Q的大小由水位的高度h来确定的。其函数关系是Q=F(h)。
2.4 物位仪表
物位检测仪表按照被测介质分为液位检测仪表和料位检测仪表，污水处理中使用较多的是液位检测仪表，其中又以超声波液位计为主。这种液位计无机械可动部分，可靠性高，安装简单、方便，属于非接触测量，且不受液体的粘度、密度等影响，因此多用于药池、排泥水池等的液位测量。
超声波液位计的传感器由一对发射、接收换能器组成。发射换能器面对液面发射超声波脉冲，超声波脉冲从液面上反射回来，被接收换能器接收。根据发射至接收的时间可确定传感器与液面之间的距离，即可换算成液位。其精确度为±0.5%。根据超声波液位计的非接触式测量原理，因此从理论上来讲，它适用于污水处理工艺过程中的液位测量。但在实际应用中它会受到各种因素如安装位置、温度、压力、湿度以及被测介质表面的泡沫、浪涌等的影响。因此，正确选择和使用超声波液位计有着十分实际的意义。应根据实际的测量范围来选择合适的仪表。根据超声波特性，频率越低，传输距离越远，但声波的指向性就越差;频率越高，指向性越好，但传输距离越小。目前超声波液位计的测量范围从0.5米到几十米。
此外对于工艺不要求连续检测而仅需报警或联锁设备动作的池内、活液罐等设备液位可采用液位开关进行检测，从而控制仪表设备的投资。
2.5 分析仪表
在污水处理过程中，有许多反映水质的重要参数如：溶解氧(DO)、pH、污泥浓度、浊度、SS悬浮物等。在线检测这些参数可以实时地了解和掌握污水处理的情况，并根据这些参数对工艺及设备的运行进行自动控制和调整，以确保污水处理的正常运行并达到排放标准。在以往的水处理厂中大多是采用化验分析的方法来得到的，随着自动化仪表测量技术等领域技术的发展，越来越多的水质分析仪表逐渐应用于污水处理。
2.5.1 溶解氧仪
水中的微生物等得以生存的一个重要条件是水中溶解有一定量的氧气，称之为溶解氧(DO)。当水体中含有还原性污染物时，DO量就会降低，当DO低于4mg/l以下时，水中的生物就难以生存了。因此，溶解氧是水质监测的重要指标之一。水中的含氧量可以充分显示水自净的程度和可流入水的污水量。而对于生物处理来说，更需了解曝气池中的含氧量，根据该氧量信号，来控制鼓风机对曝气池的供氧量。
溶氧仪主要由传感器和变送器两部分组成。若从传感器的结构形式上分，主要有两种：覆膜电极和无膜电极。这两种电极都由阴极、阳极和电解液组成。在设计中需要为溶解氧仪考虑合适的安装位置，从而避免探头结垢，也避免测量值波动。
2.5.2 化学需氧量(COD)分析仪
化学需氧量(ChemicalOxygenDemand，简称COD)是在一定的条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时，所消耗的氧化剂量。它是表示水中还原性物质多少的一个指标。水中的还原性物质有各种有机物、亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等，其中主要的还原物质是有机物，所以COD值又往往作为衡量水中有机物质含量多少的指标。化学需氧量越大，说明水体受有机物的污染越严重，因此污水处理装置的进出口COD值是很重要的参数。
COD测定仪主要有分光光液测定法及电化学测定两种类型。分光光液法测定COD值的仪器，工作原理是水样、重铬酸钾、催化剂及浓硫酸的混合液在消解池加热到一定温度时混合液中的铬离子从四价还原为三价，液体颜色发生改变，变色的程度与水样中有机物含量成对应关系，仪器通过比色换算显示出COD值。
COD值是反映污水处理厂出水水质的重要监测指标，需要提供给相关主管部门供其监督处理效果是否达到国家规定的排放要求。由于COD分析仪是属于比较精密的分析仪器，国外在研制生产以及技术上更为成熟，为了保证正确的测量，特别是工艺要求很高的情况下，在选型设计时可以考虑国外产品。在选型时要注意量程、精度、使用条件等主要参数，同时应该考虑仪表耗材备件是否易购。
2.5.3 pH计
在污水进、出口均设有pH分析仪，进水处配置pH计的目的是方便工艺人员针对进水水质采取相应的控制调节手段，以满足后续处理的要求。在出水处设置pH计的目的是反映处理的效果，方便厂部和政府部门对污水厂运行状态监管。
pH计的基本工作原理是用电位法测量溶液的酸碱度，插人待测溶液的测量电极与具有恒定电位的参比电极之间的电势差与溶液pH值之间有固定的函数关系，由此通过测量电势得出pH值。
2.5.4 污泥浓度计
污泥的浓度也是污水处理工艺中需要检测的重要参数之一。污泥浓度计一般多用于污泥处理工段，多为管道安装。根据污泥浓度来控制絮凝剂的投加量，目的是促进污泥的浓缩，一方面可以提高污泥脱水设备(采用板框压滤机)的效率，节约能耗，另外使脱水后的污泥品比较干而便于运输。目前，污泥浓度计的工作原理大致可分为光学型、辐射型和超声波三种。
2.5.5 其它
在市政污水与工业污水处理中在线分析仪表还有浊度计、泥位计、悬浮物浓度计、余氯计等，这些分析仪表主要也是基于光学原理或电化学原理的仪表。根据不同的处理工艺及不同的原水水质，按需运用于不同的控制或水质监测。
3 仪表设计原则与注意事项
3.1 污水处理仪表主要设计原则
在污水处理工艺流程中，现场仪表不仅负责采集工艺参数，以确保自动控制系统正常运行和控制，还是科学管理、环保监控的重要基础保证，因此在设计选型时应尽量选用高精度、高稳定性、免维护或低维护的智能仪表，为了生产过程中便于现场巡视与仪表维护，设计中可采用带现场显示的变送器，与此同时也应尽量注意仪表的性价比。
在设计配置污水处理仪器仪表时，必须考虑到安全防护手段。由于污水处理环境比较恶劣，很多现场仪表在井下或则露天环境，更有些浸泡在污水里。井下仪表和浸泡在污水里的仪表防护等级可选IP68，露天的仪表选IP65，同时应该根据仪表的具体考虑设置仪表保护箱，在北方等温度较低地区还应考虑保温措施。
仪表的设计应考虑环境的适应性.特别是传感器如直接与污水、污泥介质接触，很容易腐蚀和结垢。因此应尽量选择非接触式的、无阻塞隔膜式、电磁式和可清洗式的传感器(如超声波、电磁式等)。
在仪表设计中应尽量选用不断流拆卸式和维护周期较长的仪表，方便维护管理。
在仪表设计中优先考虑节能型的仪表产品。仪表设计中对于特殊场合应考虑仪表的防爆性能。对于处于雷区的污水处理厂，仪表变送器的电源和送信号到PLC的输出端应接防雷器，保证系统的安全可靠性。对于泥区的仪表，由于泥区的整个空气中，有较大比例的沼气。仪表配置应选用本安型仪表，在进行电器连接时应与安全栅组成本安防爆系统。而且安全栅和电源置于安全区。安全栅在选型时一定要注意防爆等级及厂家是否有防爆合格证。
3.2 污水处理中仪表设计中的注意事项
许多分析仪表的传感器是电极(pH计、溶解氧等)组成的，而在实际使用中，电极易被油脂或污物覆盖而不能测量。因此在这些分析仪的选型时，必须充分考虑电极的清洗问题。目前，清洗方式有人工定期清洗，或机械清洗、超声波自动清洗、溶液喷射清洗以及空气喷射清洗。 在仪表设计中应尽量选用不断流拆卸式和维护周期较长的仪表的同时，对于清洗、维护及更换时必须拆卸的管道式安装仪表及其传感器，应在管道上设计安装旁通阀，以免在其更换或发生故障时，需要停止工艺运行。
污水处理中仪表设计需要与工艺紧密结合，选取合适的测量或取样位置。分析仪表的安装位置一定要选择在活动的区域，不能设置在死区。若设置在引出工艺管路时，这根工艺管路中介质必须是流动的。
4 小结
合理正确的设计和应用自动化仪表对于污水处理起着重要的作用。在设计污水处理中的自动化仪表时，应让仪表满足稳定可靠，操作简单，安装方便，物美价廉，连续测量，反应灵敏，互换性强，便于维护的要求。
污水处理中仪表设计安装时需要注意结合工艺过程对不同的检测对象和要求选用适用的仪表，具体安装应用时注意具体的工况条件。
污水处理中仪表投入使用后，应注意仪表的维护，形成完善的巡检和维护保养制度，从而保证仪表的准确性，以利于监控系统的正常运行。
目前我国许多城市污水处理采用BOT模式的项目较多，为了控制项目的合理投资，在设计中考虑仪表可靠性等技术指标的同时也应该充分考虑仪表选型的实用性，不应盲目的提高仪表档次，并且应尽可能选用国产仪表和尝试多种品牌仪表的应用，以推进国产仪表行业的前进。
原标题：污水处理中自动化仪表设计与应用
