石油化工水處理工藝中自動(dòng)檢測分析儀表探討

劉智超(中海油氣(泰州)石化有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

石油化工生產(chǎn)中，會(huì)產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水，為響應(yīng)國家環(huán)保的政策要求，必須對工業(yè)廢水進(jìn)行處理達(dá)標(biāo)后方可排放，減輕工業(yè)廢水對生態(tài)環(huán)境的危害和影響。隨著科學(xué)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，在線檢測分析儀表在水處理工藝中的應(yīng)用具有自動(dòng)化特點(diǎn)，不僅檢測功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛，而且效率高、響應(yīng)快，方便維護(hù)管理。針對常規(guī)的在線檢測分析儀表在石油化工水處理工藝中的應(yīng)用進(jìn)行技術(shù)探討。

1 水處理中檢測分析儀表的主要類型

水處理工藝的波動(dòng)會(huì)對水中的流量、液位、酸堿度、濃度、溫度、壓力造成影響。為了及時(shí)掌握上述參數(shù)的變化，相應(yīng)研制出流量計(jì)、液位計(jì)、pH測定儀、濃度測定儀、溫度計(jì)、壓力計(jì)等。測量參數(shù)不同，工作原理也不同，但在儀表的組成上具有共同點(diǎn)，大多數(shù)是由傳感器、變送器、顯示器等部分組成[1]。

2 自動(dòng)檢測分析儀表在石油化工水處理中的應(yīng)用

2.1 流量計(jì)

流量計(jì)用于測量被測介質(zhì)的流量，簡單來說就是測量明渠或管道內(nèi)的流體流量。按照工作原理，常見的流量計(jì)分為差壓式、液面式、超聲波式、電磁式等類型。以電磁流量計(jì)為例，采用電磁感應(yīng)原理，根據(jù)導(dǎo)

電流體通過外加磁場時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢測定流量，可知電磁流量計(jì)的精度高、無壓損、水路形式優(yōu)；測量時(shí)不受流體密度、黏度、溫度、壓力、電導(dǎo)率變化的影響；根據(jù)電磁流量計(jì)工作環(huán)境，選擇合理的傳感器襯里和電極材料，確保襯里和電極材料具有較強(qiáng)的耐腐蝕性和耐磨損性。污水處理工藝中，污水調(diào)節(jié)罐入口管道處使用電磁流量計(jì)時(shí)，需定期清理電磁流量計(jì)兩端的磁極，確保磁極不被污水中的雜質(zhì)附著上，便可測量出進(jìn)入污水調(diào)節(jié)罐的流量。規(guī)范安裝電磁流量計(jì)后，操作人員根據(jù)污水調(diào)節(jié)罐入口流量變化值，從而判斷處理了多少污水的總量。而且，電磁流量計(jì)具有安裝使用簡單、后期維護(hù)工作量較小等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 液位計(jì)

液體在容器中的高度是液位，測量液位的儀器就是液位計(jì)。根據(jù)不同原理，常見的液位計(jì)分為差壓式、靜壓式、吹氣式、浮子式、超聲波式等類型，性能比較如表1所示。

表1 不同類型液位計(jì)的性能比較

以超聲波式液位計(jì)為例，測量中由傳感器發(fā)出超聲波脈沖，聲波達(dá)到液體表面后反射，接收器接受反射信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過計(jì)算聲波發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算液位值。超聲波式液位計(jì)測定液位時(shí)精度良好，不接觸液體表面、測量范圍廣，幾乎適用于各種液體；具有干擾回波的抑止功能，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能保證測量數(shù)據(jù)的真實(shí)性；且超聲波式液位計(jì)價(jià)格低、體積小、重量輕、使用壽命長，具有較高的性價(jià)比。但需注意的是超聲波式液位計(jì)有盲區(qū)，安裝時(shí)必須計(jì)算預(yù)留出傳感器安裝位置與測量液體之間的距離。水處理工藝中，在調(diào)節(jié)罐頂部安裝超聲波式液位計(jì)，能對水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將測定數(shù)據(jù)傳輸至DCS控制器上，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理和存儲(chǔ)，方便操作人員根據(jù)測定結(jié)果調(diào)整工藝參數(shù)。

2.3 pH測定儀

pH計(jì)用來測定水溶液的酸堿度，pH計(jì)測量是以電極電位法為原理的在線pH測定儀，由檢測器和變送器兩部分構(gòu)成。原理是當(dāng)被測溶液流過檢測器時(shí)，兩電極和被測溶液形成化學(xué)原電池。原電池的兩個(gè)電極間產(chǎn)生電動(dòng)勢，該電勢的大小和被測溶液的pH成對數(shù)關(guān)系，計(jì)算氫離子濃度的負(fù)對數(shù)，即可得到pH值。不同級(jí)別pH測定儀，測試準(zhǔn)確度也有差異。

pH測定儀使用時(shí)電極是關(guān)鍵，技術(shù)要點(diǎn)如下：(1)電極插座保持干燥清潔，不能接觸有害氣體或水溶液；(2)不測量時(shí)，需防止儀器損壞；(3)新電極或長時(shí)間不用的電極，用前在蒸餾水中浸泡，減小電極內(nèi)阻；(4)測量時(shí)，將電極球泡全部浸入到水中。水處理工藝中，一般pH測定儀浸入式安裝，例如安裝在氧化池的出口溢流槽內(nèi)，此處檢測點(diǎn)的pH值具有代表性，而且水流平穩(wěn)，能得到更為準(zhǔn)確的測定結(jié)果。

2.4 濃度測定儀

以污泥濃度計(jì)為例，能測定污水廢水中的懸浮物濃度，不論是對活性污泥進(jìn)行評估，還是處理過程的不同階段，亦或是凈化處理后的廢水，均能得到準(zhǔn)確的測定結(jié)果。污泥濃度計(jì)的原理是：傳感器發(fā)射紅外光源，污水吸收、反射、散射后，僅有一部分光線到達(dá)檢測器上，計(jì)算光源的透射率即可得到污泥濃度。

污泥濃度計(jì)有變送器和傳感器兩部分組成。其中，傳感器可安裝在池內(nèi)、排水管、壓力管道中，因具有自動(dòng)補(bǔ)償功能，可消除污染引起的干擾；具有空氣清洗功能，根據(jù)設(shè)定時(shí)間自動(dòng)定時(shí)清洗，可降低維護(hù)工作量。水處理工藝中，曝氣池內(nèi)的污泥濃度是一個(gè)重要參數(shù)，直接影響污水處理效果。傳統(tǒng)測量方法的誤差較大，難以對污泥濃度進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確控制。應(yīng)用較為廣泛的哈希污泥濃度計(jì)LXV.328.99.100 02防爆型浸入式探頭在測量時(shí)，將其安裝在曝氣池、沉淀池、濃縮池、回流渠等部位?；陔p光源八光束相互補(bǔ)償技術(shù)下，采用波長860 nm的紅外脈沖光線，兩個(gè)光源同時(shí)工作能保證測量準(zhǔn)確穩(wěn)定，還能消除光窗粘污造成的測量誤差、以及排除鏡面污染、溫度和水中顏色的干擾；精確度達(dá)到±0.01FNU/NTU，不僅提高了測量可靠性，而且減少了維護(hù)工作量。

2.5 溶解氧測定儀

溶解氧測定儀的工作原理是：水中的氧透過隔膜后被工作電極還原，產(chǎn)生的擴(kuò)散電流和氧濃度成正比，測定電流經(jīng)計(jì)算即可得到溶解氧的濃度。該儀器攜帶和使用方便，完全防水；運(yùn)行時(shí)功耗低，且功能齊全，符合GLP要求。另外，目前使用的溶解氧測定儀可存儲(chǔ)800組數(shù)據(jù)，包括樣品號(hào)、日期、溫度、溶解氧測定結(jié)果等，存儲(chǔ)間隔時(shí)間在5～60 s之間可調(diào)，安全性高、不易丟失。

在水處理工藝中，基于活性污泥法進(jìn)行OOC改良后，在曝氣池內(nèi)圈出好氧區(qū)，通過增加污水中的氧含量使污染物通過活化泥漿被分解出來，達(dá)到污水凈化的目的。安裝溶解氧測定儀時(shí)必須安裝規(guī)范，其測量范圍是0.05～10.00 mg/L，即可對水中的溶解氧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將結(jié)果傳輸至控制系統(tǒng)中心。在PLC的程序設(shè)定中，當(dāng)實(shí)測濃度值低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出指令，鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)向曝氣池內(nèi)充氧；當(dāng)實(shí)測濃度值超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出指令，鼓風(fēng)機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行。在曝氣池內(nèi)，精準(zhǔn)控制水中溶解氧的濃度，既能滿足好氧菌群的需求，提高菌群的生化能力；又能降低能耗，延長設(shè)備的使用壽命。

3 手工監(jiān)測和自動(dòng)監(jiān)測的結(jié)果比較

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

為了比較手工監(jiān)測和自動(dòng)監(jiān)測的結(jié)果，突出自動(dòng)檢測分析儀表的優(yōu)勢。本研究選取某石油化工企業(yè)的6個(gè)廢水排放點(diǎn)作為采樣點(diǎn)，在每個(gè)采樣點(diǎn)，同一指標(biāo)使用3臺(tái)型號(hào)相同的設(shè)備采集數(shù)據(jù)，即每個(gè)指標(biāo)有18組數(shù)據(jù)。監(jiān)測指標(biāo)包括氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)、酸堿度(pH)。

自動(dòng)監(jiān)測時(shí)，使用在線監(jiān)測儀進(jìn)行布點(diǎn)檢測，滿足《水污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)(CODCr、NH3- N等)安裝技術(shù)規(guī)范》要求。手工監(jiān)測時(shí)，每月隨機(jī)選取4天，對采集的樣本進(jìn)行檢測，要求送檢時(shí)間6 h以內(nèi)。分別采用納氏試劑分光光度法、鉬酸銨分光光度法、重鉻酸鹽法、玻璃電極法，嚴(yán)格按照規(guī)范要求操作。同時(shí)，設(shè)置空白平行測試、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測試等質(zhì)控方案，以保證手工監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 操作方法

3.2.1 實(shí)驗(yàn)要求

第一，自動(dòng)監(jiān)測時(shí)，外界溫度、濕度、電流、電壓等因素均會(huì)影響設(shè)備監(jiān)測結(jié)果，對此在采集點(diǎn)采取恒溫、恒濕、防電頻干擾等措施。第二，在反應(yīng)溫度上，結(jié)合實(shí)測結(jié)果設(shè)置在58～62 ℃之間。第三，合理設(shè)計(jì)不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，以NH3-N為例，比對實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，選用11個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行檢驗(yàn)，反應(yīng)溫度的穩(wěn)定性好、副反應(yīng)少，采集的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。第四，在每個(gè)采樣點(diǎn)，每月進(jìn)行4次采樣手工監(jiān)測，并和相同時(shí)間段的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。第五，自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備均具有自我校準(zhǔn)功能，標(biāo)準(zhǔn)曲線至少標(biāo)定6個(gè)點(diǎn)，相關(guān)系數(shù)R≥0.999。

3.2.2 相對誤差計(jì)算

每次采樣時(shí)，手工監(jiān)測和自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)為一組，每個(gè)采樣點(diǎn)能得到48組數(shù)據(jù)，計(jì)算兩者的相對誤差(RE)方法如公式(1)所示：

式中：X1為自動(dòng)監(jiān)測結(jié)果；X2為手工監(jiān)測結(jié)果。RE值越接近0，說明相對誤差越??；RE值越接近1，說明相對誤差越大。

3.3 結(jié)果分析

進(jìn)行為期1年的監(jiān)測，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并計(jì)算相對誤差，分析可知：(1)pH數(shù)據(jù)的RE值均為10%以內(nèi)，NH3-N、TP、COD數(shù)據(jù)的RE值在15%以內(nèi)占比分別是84.73%、91.32%、90.28%；(2)分析自動(dòng)監(jiān)測結(jié)果誤差原因可能有：引入的反應(yīng)試劑多，反應(yīng)條件復(fù)雜，反應(yīng)時(shí)間長；污水廢水的預(yù)處理不到位；儀器設(shè)備本身存在精度問題等；(3)依據(jù)《國控地表水自動(dòng)監(jiān)測治理管理規(guī)定》，自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備測定的NH3-N、TP、COD、pH指標(biāo)，相對誤差控制在±15%以內(nèi)即為合格，因此本次實(shí)驗(yàn)證實(shí)自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備得到的測定結(jié)果具有可靠性，如表2所示。

表2 手工監(jiān)測和自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的相對誤差比較

在石油化工企業(yè)的廢水排放點(diǎn)采樣，對NH3-N、TP、COD、pH四項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行手工監(jiān)測和自動(dòng)監(jiān)測，結(jié)果顯示對比合格率分別是84.73%、91.32%、90.28%、100%，滿足規(guī)范中的要求，說明自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備得到的測定結(jié)果具有可靠性。

4 自動(dòng)檢測分析儀表的發(fā)展方向

隨著生物、化學(xué)、信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，自動(dòng)檢測分析儀表的發(fā)展方向是：(1)高精度。自動(dòng)檢測分析儀表體積小，要想提高測量精度，主要從以下方面入手：一是更新微型計(jì)算機(jī)，二是升級(jí)軟件和程序，三是采取抗干擾措施。(2)網(wǎng)絡(luò)化。在信息技術(shù)的支持下，自動(dòng)檢測分析逐漸形成網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，將水處理的每一個(gè)環(huán)節(jié)整合起來，并且融入到企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營管理中。(3)智能化。自動(dòng)檢測分析儀表的智能化，體現(xiàn)在運(yùn)行速度快、體型更小，不僅能提高工作效率，而且人機(jī)互動(dòng)性不斷改善，更符合實(shí)際檢測工作的要求[2]。

5 結(jié)語

綜上所述，石油化工企業(yè)在水處理工藝中通過對比手工監(jiān)測和自動(dòng)監(jiān)測結(jié)果，表明自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備得到的測定結(jié)果具有可靠性。未來，自動(dòng)檢測分析儀表向著高精度、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展，在石油化工行業(yè)的應(yīng)用前景廣闊，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的發(fā)展目標(biāo)。