化工污水的腐蚀性主要源于其含有的各类化学介质,不同成分的腐蚀机理存在明显差异,具体如下:
1) 酸碱性物质腐蚀。在化工污水处理过程中,根据污水特性添加相应的药剂来调节水质的PH值,添加药剂包括强酸或者强碱,以上药剂均存在腐蚀性,尤其是对金属材质仪表的腐蚀更加明显。如强酸添加到污水中会产生氢离子并与仪表金属部件发生反应,造成仪表传感器探头或者法兰等部位产生腐蚀,对仪表的测量精准度和使用寿命产生不利的影响。
2) 盐类物质腐蚀。精细化工产生的废水往往含有特定污染因子,以氯化物为例,污水中氯化物产生的氯离子能够与仪表金属部件产生反应生成可溶性化合物,如果污水中氯化物质量浓度超过5gL时,316L材质也会出线局部点蚀,这种情况下直接接触污水的仪表部件需采用更耐腐蚀的金属材质,比如钛。
3) 还原性气体腐蚀。污水处理过程中会产生硫化氢(HS)并释放到大气中,pH值低于6时HS解离产生的硫离子会与金属反应生成硫化物,进而导致仪表金属部件腐蚀;当pH值降至左右时,HS解离比例超90%,金属腐蚀速率呈指数增长,严重威胁设备安全。
4) 有机介质腐蚀。部分化工污水中含有有机溶剂,如甲醇、乙醇、苯系物等,这些物质会对仪表的密封件、电缆护套等非金属部件产生溶胀、老化作用。
化工污水处理中常见的爆炸性物质主要包括:
1) 可燃性、有毒性气体。化工污水在调节池厌氧单元等处理过程中极易产生可燃、有毒气体如HS,甲烷和氢气等,当可燃气体含量在爆炸范围内接触到点火源会发生爆炸,而有毒气体会造成人员中毒危害。
2) 挥发性有机物。部分行业废水在处理过程中会含有挥发性有机物(VOCs),例如苯或者甲在一定浓度下逸出到空气中,与大气混合后遇点火源易产生爆炸风险。
3) 粉尘与气溶胶。某些如农药废水等化工污水在处理过程中会产生可燃性粉尘,在密闭空内达到一定浓度时,遇点火源易引发粉尘爆炸。
根据污水处理工艺流程的特点结合规范要求,将厌氧反应器、调节池和事故池等区域划分为爆炸危险区域的2区或1区,这些区域中的仪表需符合相应的防爆等级。
在线分析仪表的类型及特点如下:
1) pH分析仪。仪表的电极材质一般为玻璃或复合材料电极,电极直接接触污水,根据不同的
使用环境,安装方式分为插人式和流通式。
2) 溶解氧仪。采用荧光法测量污水溶解氧含量,电极护套(POM)易受污水中腐蚀性因子的污
染,需定期清洗维护,插入式安装。
3) COD分析仪。采用重铬酸钾氧化法或紫外吸收法测量化学需氧量(COD),通过仪器内置
的泵体,自动完成样品抽取、预处理和分析,无需人工干预,一般安装在分析小屋内。
流量仪表的类型及特点如下:
1) 电磁流量计。基于电磁感应原理测量导电液体流量,测量管内衬和电极直接接触污水,内衬材质需耐腐,如聚四氟乙烯、橡胶;电极材质需抗点蚀,如316L、哈氏合金,适用于含酸、碱、盐类的污水。
2) 涡街流量计。通过检测漩涡频率测量流量,传感器探头暴露在流场中,易受高速流体中的颗粒磨损和腐蚀,在不含大量杂质的污水管线上成用较多。
3) 外贴式超声流量计。非接触式测量,探头安装在管道外整,不与介质直接接触,防压力较小,但对管道材质和壁厚有要求，适用于腐蚀性极强但不便安装插入式仪表的场合。
液位仪表的类型及特点如下:
1) 超声液位计。在调节池、生化池等池体中使用较多,仪表探头通过发射超声波测量液位.由于探头长期在密封盖板下，比较容易受污水中腐蚀性气体影响,所以探头材质需考虑防腐。
2) 雷达液位计，在污水或者药剂储罐中使用较多,仪表基于微波反射原理工作,不锈钢、聚四氟乙烯等天线材质需考虑抗腐蚀。
压力仪表的类型及特点如下:
1) 压力变送器。分为普通型和隔膜型,化工污水中多采用隔膜型,通过隔膜隔离腐蚀性介质哈氏合金、陶瓷等隔膜材质需耐腐。
2 )差压变送器。其膜盒和导压管易受介质腐蚀和堵塞,在含颗粒、高黏度污水中需谨慎选用。
材质选型包括金属材质、非金属材质和复合材料,注意事项如下:
1) 金属材质。不同污水处理工况下需选用不同的金属材质,在pH值正常(如6~9)或者腐蚀因子浓度较低的污水处理中,304和316L不锈钢应用较多;若pH值不稳定或者废水中含有特定腐蚀性因子,如氯离子、氟离子或溴离子,则仪表接触污水的部件要选用更耐腐蚀的材质,如哈氏合金或钛材等特种合金。
2) 非金属材质。非金属材料中,聚四氟乙烯应对酸碱等强腐蚀介质效果较好,在化工污水处理过程中,电磁流量计的内衬或阀门内衬材质常选用聚四氟乙烯。氟橡胶耐高温酸碱,且弹性密封性较好,一般用于变送器密封垫圈。在含颗粒的强腐蚀性污水中,如煤化工废渣废水,陶瓷材料的耐磨性能比较出众,常作为控制阀内衬或测温套管,但陶瓷材质较脆易损,安装时需要特别小心。
3) 复合材料。玻璃纤维增强塑料(FRP)兼具非金属材料的耐腐蚀性和一定的机械强度,常用于制作大型仪表的外壳或测量管。
结构设计包括密封结构、表面处理和隔离设计,注意事项如下:
1）密封结构。仪表本身的密封结构是影响仪表性能的关键因素。常见的密封形式有填料密封和机被密封,填料密封通过填充柔性材料形成径向密封结构:机械密封可分为单端面密封或双端面密封同时辅助非金属材料密封圈保障仪表密封结构。其他常见的密封形式有垫片密封、O型圈密封、衬里密封等。
2）表面处理。仪表外露部分的处理方式也是仪表抗腐蚀性能好坏的关键因素。常见的处理方式是外露部件添加涂层,涂层分为金属涂层和非金属涂层、通过涂层在表面形成保护膜,有效增加仪表在腐蚀性环境中的使用寿命。
3）隔离设计。仪表内部可通过物理隔离将传感器核心元件与腐蚀性介质直接隔离,如:隔膜式压力变送器采用焊接式金属隔膜或烧结陶瓷隔膜,通过硅油填充的毛细管传递压力信号,使传感器芯片完全避开污水中污染因子的侵蚀。
安装方式及注意事项有以下几方面:
1) 避免死角与湍流。仪表安装位置应避开管道弯头、阀门等湍流区域,防止介质冲刷导致局部腐蚀。电磁流量计的安装直管段需满足前10D后5D的要求,以减少流速不均对电极的磨损。
2) 倾斜安装与排放设计。在含HS的厌氧池污水测量中,导压管应采用耐腐蚀材料,并且以1:10~1:100倾斜的坡度来安装,在导压管靠近仪表侧最低处设置排污阀,确保冷凝液及硫化物沉积物通过自流方式至排污阀,定期排放积液,进步降低腐蚀风险。
3) 定期冲洗与维护。用于易结垢、易腐蚀介质的仪表设置冲洗,选用洁净水或中性溶液定期冲洗,防止介质附着导致的腐蚀加剧。
根据爆炸危险区域划分及介质特性,仪表选择相适应的防爆型式:
1) 隔爆型(Exd)。隔爆型仪表主要用于1区、2区的爆炸性环境中,通过优化仪表外壳构造使隔爆外壳能承受内部爆炸性混合物爆炸产生的压力,并阻止爆炸性气体传播到外壳周围,以避免引发更大的事故。
2) 本安型(Exia/ib)。适用于0区、1区、2区通过限制电路能量(U≤36V,1<30mA)避免产生火花,安全性更高。在污水处理厂的防爆仪表中，本安型变送器因布线灵活、成本适中,应用最为广泛。
3) 增安型(Exe)。适用于2区,通过提高设的绝缘、温度控制等措施增强安全性,常用于仪表接线盒、端子箱等辅助设备。该类仪表能有效地消院仪表在正常工作条件下产生的火花或高温。
布线与接地设计需注意以下几点;
1) 电缆选型与敷设。爆炸危险区域内的仪表电缆需选用阻燃型屏蔽电缆,护套材质选用耐油
耐腐的聚氯乙烯或交联聚乙烯。电缆敷设需穿锌钢管,管接头采用防爆活接头,且钢管之间、钢管与仪表之间需傲好电气连接,确保整个系统的防爆性能。
2) 接地系统设计。在爆炸危险区域内,防仪表的外壳、接线箱和电缆屏蔽层均做可靠接地仪表接地与电气保护接地系统共用统一的接地网,接地电阻不大于4Ω。
3) 防爆接线。防爆仪表的接线需在防爆接线盒内进行,接线端子需采用铜质材料,确保良好的导电性。导线与端子之间需可靠连接,防止松动产生火花。在接线过程中,需注意保持电缆的蔽层与接地端子可靠连接,以防止电磁干扰。
1) 认证要求。在防爆仪表的选用上,仪表的防爆认证是基础。比如:国内的CNEx认证,在防爆证书上标注的防爆型式和等级,必须与实际使用的环境条件一致。如仪表用在1区,通过ExcICT4认证,其中ⅡC代表它能适应的气体组别T4则是温度组别,意味着仪表表面的最高温度不能超过135℃,只有这样才能确保在1区的环境下不会成为潜在的点火源。
2) 维护规范。定期检查防爆仪表的密封面紧固件是否完好,如隔爆型仪表的法兰盖螺栓齐全且均匀拧紧,防止间隙超标导致防爆失效，同时,需定期对防爆仪表进行绝缘测试和防爆性能检查,确保其在长期运行中保持防爆性能。
调节池和事故池是化工污水处理的首道工序,污水在此进行水质水量调节,含有多种腐蚀性介质和挥发性有机物,属于2区爆炸危险区域。
1) 液位测量。选用本安型超声液位计,其探头采用聚四氟乙烯材质以耐受污水中的酸碱蚀。安装时,将液位计安装在调节池顶部,与池保持0.8m以上距离,避免距离障碍物过近影响测量精度。
2) 流量测量。采用电磁流量计,传感器选用316不锈钢或哈氏合金C电极,内衬为聚四氟乙娇,满足2区要求。安装位置选择前10D后5D直管段、减少流速不均对电极的损。
3) pH测量。采用流通池式安装,通常与COD等进水分析仪共用取样装置,电极选用玻璃或复合材料,配套自动清洗装置或人工定期维护清洗,防止悬浮物附着。
厌氧反应器是产生甲烷等可燃性气体的主要区域.属于1区爆炸危险区域,同时污水中可能含有硫化物·腐蚀性较强。
1) 甲烷浓度测量。采用隔爆型气体检测仪，传感器采用催化燃烧原理,外壳材质为316L,检测仪安装在反应器装置泄漏点上方,距离泄漏点水平距离不大于10m,如泄漏点位于局部通风不良处,则距离泄漏点水平距离不大于5m。
2) 硫化氢浓度测量。采用隔爆型气体检测仪,传感器采用电化学原理,外壳材质为316L,由于HS的密度大于空气的密度,因此检测仪安装在反应器装置泄漏点下方,距离泄漏点水平距离不大于4m,如泄漏点位于局部通风不良处,则距离泄漏点水平距离不大于2m。
3) pH测量。选用插入式pH计,探头材质采用玻璃或者复合材料,保护套为聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯。为防止悬浮物在探头上的沉积,配套自动清洗装置或人工定期维护清洗,确保测量准确性。
4) 压力测量。采用压力变送器,隔膜材质为316L或哈氏合金C,导压管选用316L日以1:10~1:100倾斜的连续坡度来安装,底部设排放阀,定期排放积液,防止沉积堵塞。
曝气池通过曝气装置向污水中充氧,促进微生物对有机物的降解,该区域可能存在挥发性有机物污水中含有一定量的活性污泥,具有磨损和腐蚀性。
1) 溶解氧测量。采用覆膜式溶解氧仪,传感器膜片选用耐油脂腐蚀的氟橡胶,安装在曝气均
匀的区域,避开曝气头正上方,配套自动清洗或定期人工清洗,防止污泥覆盖膜片。
2) 氧化还原电位计(ORP)测量。仪表测量电极采用耐氧化腐蚀的金/钛材质,保护套为耐损的聚醚醚酮或陶瓷,仪表安装位置一般避开搅拌机位置,减少水流扰动对测量的影响。
3) 污泥浓度测量。常用的测量方式是采用超声波污泥浓度计,探头材质为3161,安装在池壁中部,配套空气吹扫装置,清除表面污泥。
沉淀池用于固液分离,污水中的腐蚀性物质相对较低,但仍存在一定的挥发性有机物。
1) 污泥界面测量。选用雷达液位计,天线采用不锈钢材质(表面喷涂PTFE涂层),防止污泥附着和腐蚀。安装在沉淀池顶部中央位置,波束角不大于 10’,确保测量范围覆盖整个池体。
2) 浊度测量。采用在线浊度仪,测量池材质为纤维增强塑料,安装在沉淀池出口处测量窗口设自动擦拭装置,防止悬浮物附着影响透光率。
3) 出水流量测量。采用超声流量计(Ex ia II BT4),探头安装在管道外壁(DN300以上钢管)无需与介质接触,避免腐蚀风险,测量精度通过定期与电磁流量计比对校准。
面对化工废水处理环境的复杂性和多变性，仪表的抗腐蚀性能和防爆性能是保障人身安全和生产安全的关键性因素。在实际设计过程中应充分了解污水中的污染因子和环境中爆炸风险来源,才能对仪表的材质、密封结构和防爆形式等多方面进行更有针对性地选型,确保仪表的精度、使用寿命和安全性三者都满足工艺及现场环境要求,未来随着工艺流程和仪表研发的不断进步,这一标准还将不断提升。