胡 平

（1.中鋼礦院（馬鞍山）智能應(yīng)急科技有限公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

隨著礦山水污染問題的日益嚴(yán)重，礦山企業(yè)對于水資源環(huán)境保護的重視程度也越來越高，廢水處理已經(jīng)成為礦山建設(shè)的重要部分。針對銅山銅礦井下廢水酸性、懸浮物、重金屬、COD 超標(biāo)的水質(zhì)特點，采用石灰中和混凝沉淀-次氯酸鈉氧化組合工藝進行井下廢水處理。該工藝屬于物理化學(xué)法處理廢水，處理效果高效且穩(wěn)定，已廣泛應(yīng)用于金屬礦山井下廢水處理工程。為了提高井下廢水處理效率和降低能耗，采用PLC 控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)工藝參數(shù)的精確控制，克服廢水處理過程非線性和大滯后問題，提高廢水處理過程的自動化水平和控制效果。

1 銅山銅礦井下廢水處理概述

我國現(xiàn)階段對礦山廢水處理的方法有自然降解法、混凝沉淀法、酸堿中和法、吸附法、化學(xué)氧化法和生物法［1-2］。銅山銅礦井下廢水包含井下充填廢水、井下涌水和生產(chǎn)廢水。井下廢水為酸性廢水，化學(xué)需氧量、硫化物、氨氮、重金屬等物質(zhì)超標(biāo)，每天廢水量為6 000 t。井下廢水處理工藝采用石灰中和混凝沉淀-次氯酸鈉氧化的組合工藝，廢水通過井下中段泵站提升泵輸送進入調(diào)節(jié)池預(yù)處理，采用曝氣調(diào)節(jié)水質(zhì)水量。調(diào)節(jié)池出水輸送至快速混合罐，快速混合罐出水自流入中和罐，通過添加石灰乳調(diào)節(jié)pH 值生成重金屬不溶物。中和罐出水自流入絮凝反應(yīng)罐，通過添加PAM 絮凝劑生成大體積絮凝物。絮凝反應(yīng)罐出水流入輻流式沉淀池，絮凝物在池內(nèi)沉淀分離。輻流式沉淀池出水自流入應(yīng)急反應(yīng)池，當(dāng)出水pH 值超標(biāo)時，進行應(yīng)急投加草酸調(diào)整。應(yīng)急反應(yīng)池出水自流入排放水池，出水達標(biāo)排放或作為回水循環(huán)利用。中和罐的石灰乳投加過程中加入沉淀池的污泥回流，該工藝和傳統(tǒng)的石灰中和法相比，能提高底泥的濃度14%～20%，排泥體積大幅縮小，減輕后續(xù)污泥處置工作，有利于延長設(shè)備使用壽命和提高設(shè)備效率。

-257 m中段井下廢水中的COD、Zn含量較高，預(yù)處理系統(tǒng)采用曝氣氧化的方法去除部分COD，通過投加石灰乳和PAM 絮凝劑沉淀去除廢水中的COD、Zn、Pb 和Cu，最后通過添加次氯酸鈉進一步氧化殘余COD。-658 m 中段廢水水質(zhì)較好，主要是pH 和懸浮物超標(biāo)，投加石灰乳和PAM 絮凝劑沉淀即可達標(biāo)排放。兩中段井下廢水分開處理有利于減少藥劑投加量，廢水處理過程產(chǎn)生的沉淀污泥由污泥泵輸送至現(xiàn)有尾砂輸送系統(tǒng)。井下廢水處理工藝流程見圖1。

2 井下廢水處理控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

井下廢水處理控制系統(tǒng)由1 個S7-300 PLC 控制主站、1 個遠程IO 控制分站和中央控制室組成［3］?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為3 層，分別是設(shè)備層、控制層和信息管理層。各層之間通過硬件網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)各層相互隔離，保證各層獨立運行?？刂茖硬捎萌哂喙I(yè)以太環(huán)網(wǎng)Profinet，實現(xiàn)與信息管理層和設(shè)備層的數(shù)據(jù)連接，冗余的結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了數(shù)據(jù)通訊的安全和高效。

設(shè)備層有工藝參數(shù)監(jiān)測儀表和設(shè)備監(jiān)測儀表，包括流量計、液位計、水質(zhì)在線檢測儀、電流變送器等，對工藝流程參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進行實時檢測顯示。流量計選用電磁流量計，安裝在調(diào)節(jié)池管道、快混罐管道、沉淀池回流管道和外排放水管道。液位計采用超聲波液位計，安裝在調(diào)節(jié)池、中和罐和外排池。水質(zhì)檢測儀表包括pH 計、COD 檢測儀、NH3-N 檢測儀和重金屬總銅檢測儀，安裝在調(diào)節(jié)池和外排池。現(xiàn)場檢測儀表具備通訊功能，PLC 控制器可以通過Modbus通訊協(xié)議采集儀表檢測數(shù)據(jù)。

控制層有PLC 主站、遠程IO 分站和工業(yè)控制計算機，各站通過冗余工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)全工藝流程的監(jiān)測和優(yōu)化控制。PLC 主站配有CPU 模塊、16 路數(shù)字量輸入模塊、32 路數(shù)字量輸出模塊、8 路模擬量輸入模塊、8 路模擬量輸出模塊、交換機模塊、UPS 電源等，用于現(xiàn)場設(shè)備和儀表的數(shù)據(jù)采集和控制。遠程IO 分站配有Modbus 通訊模塊，用于藥劑制備裝置和在線檢測儀表通訊。中控室設(shè)置2臺工業(yè)控制計算機，分別為操作員站和工程師站。工程師站主要實現(xiàn)控制系統(tǒng)組態(tài)畫面和軟件編程，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行存儲，并預(yù)留與信息管理層的數(shù)據(jù)傳輸接口。操作員站主要用于廢水處理過程的監(jiān)視和操作，實現(xiàn)工藝流程設(shè)備的遠程啟停、工藝參數(shù)的自動調(diào)整等功能。工程師站安裝組態(tài)軟件Wincc 開發(fā)版和編程軟件Step7，操作員站安裝組態(tài)軟件Wincc運行版。系統(tǒng)監(jiān)控畫面見圖2。

信息管理層有網(wǎng)管級交換機、光纖收發(fā)器、Web服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以與控制層工程師站計算機數(shù)據(jù)通訊。信息管理層通過礦區(qū)光纖網(wǎng)絡(luò)有效實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)共享，與企業(yè)信息網(wǎng)無縫連接進行遠程Web 瀏覽，進行遠程生產(chǎn)監(jiān)控和管理，實現(xiàn)礦山的信息管理一體化。

2.2 功能設(shè)計

2.2.1 監(jiān)測功能

（1）對廢水處理過程的主要工藝參數(shù)由電磁流量計、液位計、水質(zhì)在線檢測儀表進行在線檢測，PLC控制器對儀表信號進行線性量化及數(shù)字濾波處理。對pH值、COD、氨氮和重金屬總銅含量等水質(zhì)重要參數(shù)采用趨勢圖方式進行記錄，包括實時趨勢和歷史趨勢。系統(tǒng)通過歷史趨勢圖來查詢數(shù)據(jù)記錄，用于分析工藝流程控制效果。

（2）在監(jiān)控圖畫面中按工藝流程動態(tài)顯示工藝設(shè)備、管道、閥門的狀態(tài)，并在流程相應(yīng)位置顯示流量、液位、pH 值等生產(chǎn)參數(shù)實際值。對鼓風(fēng)機、污泥泵、攪拌機、提升泵等主要設(shè)備的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)視，顯示其運行狀態(tài)和電流。當(dāng)設(shè)備跳停和工藝參數(shù)超限時，畫面顯示報警信息提示操作人員。

2.2.2 控制功能

（1）根據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)和工藝流程要求，對廢水處理工藝設(shè)備進行遠程啟停和聯(lián)鎖保護控制。每臺電氣設(shè)備均設(shè)就地手動控制、計算機遠程手動控制、計算機遠程自動控制3 種操作方式。在系統(tǒng)遠程自動控制和遠程手動控制過程中，對操作人員可能出現(xiàn)的誤操作，控制軟件提醒操作人員確認(rèn)是否操作，并采取相應(yīng)的補救措施。

（2）當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)異常時，控制系統(tǒng)根據(jù)在線運行設(shè)備的狀態(tài)自動決策是否進行備用設(shè)備切換，或發(fā)出報警提示操作人員進行人工處理。根據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù)要求，控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)石灰乳、次氯酸鈉和PAM絮凝劑添加量，保證廢水處理流程穩(wěn)定高效。

2.2.3 管理功能

系統(tǒng)具有I/O 硬件診斷、軟件診斷、組態(tài)畫面和數(shù)據(jù)庫的編輯及修改功能。對于pH值、COD、氨氮和重金屬總銅含量等水質(zhì)參數(shù)、處理廢水累計量數(shù)據(jù)自動生成報表并打印。事故報警信息按發(fā)生時間、優(yōu)先級、故障點位置分別顯示在組態(tài)畫面中的報警欄上，報警信息保存在數(shù)據(jù)庫中便于查詢。系統(tǒng)按人員權(quán)限進行分級授權(quán)管理，操作人員根據(jù)授權(quán)進行相應(yīng)的操作，防止無關(guān)人員修改參數(shù)設(shè)置。

2.2.4 通訊功能

系統(tǒng)與選廠自動化系統(tǒng)通過光纖工業(yè)以太網(wǎng)相互通訊，進行數(shù)據(jù)交換避免形成信息孤島。系統(tǒng)與PAM 藥劑制備裝置、出水COD、NH3-N 在線檢測儀表等現(xiàn)場成套設(shè)備采用Modbus 通訊協(xié)議，實時采集設(shè)備數(shù)據(jù)。廢水處理流程畫面、生產(chǎn)工藝參數(shù)等相關(guān)信息實時上傳，為礦業(yè)公司生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)信息。

3 主要控制方法

3.1 pH值控制

pH 值控制分為自動和手動2 種方式。控制方式處于自動狀態(tài)時，系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)定值自動調(diào)節(jié)pH值，不需要人為進行干預(yù)?？刂品绞教幱谑謩訝顟B(tài)時，操作人員通過調(diào)節(jié)石灰泵和草酸泵的頻率，控制石灰乳和草酸的投加量來調(diào)節(jié)pH值。

由于pH 控制過程非線性和大滯后問題，常規(guī)PID 控制調(diào)節(jié)參數(shù)整定工作量大，很難達到精確的控制效果。采用模糊控制和PID控制結(jié)合，將現(xiàn)場專家的操作經(jīng)驗作為知識庫，運用模糊控制理論的方法建立模糊規(guī)則庫進行模糊推理［4-5］。模糊控制將偏差e和偏差率Δe作為輸入，對PID 參數(shù)的修正值ΔKp、ΔKi和ΔKd作為輸出，實現(xiàn)PID 參數(shù)Kp、Ki和Kd自動調(diào)節(jié)修正，提高pH 控制精度。模糊PID 控制器的偏差值e和偏差率Δe論域為［-3，3］，量化等級為{-3，-2，-1，0，1，2，3}。模糊PID控制器見圖3。

中和罐的pH 值一般設(shè)置在8，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)pH保持在7.9～8.1。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)石灰泵的頻率改變中和罐的石灰乳投加量，從而調(diào)整中和罐水質(zhì)pH 值。由于石灰乳管道容易堵塞，系統(tǒng)設(shè)置石灰泵最低頻率，防止管道石灰沉積影響生產(chǎn)。pH 調(diào)節(jié)池的出水pH 值限值設(shè)置為6～9，在此范圍內(nèi)的水質(zhì)達到排放要求。當(dāng)調(diào)節(jié)池pH 值大于9 時，系統(tǒng)開始自動投加草酸，使出水pH值達到排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 調(diào)節(jié)池曝氣量控制

調(diào)節(jié)池的主要作用是調(diào)節(jié)水量和水質(zhì)，既可以存儲井下廢水，又可以調(diào)節(jié)廢水的氨氮濃度。由于進入調(diào)節(jié)池的廢水含有一定的懸浮物，通過曝氣防止調(diào)節(jié)池中懸浮物沉淀，有效利用調(diào)節(jié)池容積，并改善廢水的可生化性。

曝氣是直接影響硝化反應(yīng)的重要因素，調(diào)節(jié)池的合理曝氣量會帶來極佳的水處理效果。如果曝氣量過小，水中溶解氧不足導(dǎo)致硝化不足，出水COD 和氨氮含量超標(biāo)。如果曝氣量過大，會導(dǎo)致高度硝化，活性污泥上浮加速污泥老化，并造成不必要的能源浪費。調(diào)節(jié)池曝氣量控制參數(shù)主要是調(diào)節(jié)池溶解氧值，一般設(shè)置為0.5～2 mg/L。系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機頻率來控制曝氣量，使調(diào)節(jié)池的溶解氧值在設(shè)置范圍內(nèi)，這樣可以間接控制調(diào)節(jié)池硝化反應(yīng)速率，充分利用調(diào)節(jié)池容積，有效降低出水COD和氨氮濃度。

3.3 絮凝劑制備與投加控制

PAM 絮凝劑制備裝置主要包括定量送粉系統(tǒng)、溶解水系統(tǒng)、攪拌儲存系統(tǒng)。定量送粉系統(tǒng)由螺旋給料機、物位開關(guān)和料斗組成。系統(tǒng)通過物位開關(guān)檢測料斗干粉量，并根據(jù)溶解水流量的變化控制螺旋給料機自動調(diào)節(jié)干粉的投加量，從而保證配制溶液濃度不變。溶解水系統(tǒng)包括電磁流量計、水壓調(diào)節(jié)閥和電動開關(guān)閥。系統(tǒng)通過控制水壓調(diào)節(jié)閥保證溶解水壓力穩(wěn)定，當(dāng)流量計檢測累計溶解水量達到要求時，電磁閥切斷水路。攪拌儲存系統(tǒng)由儲存箱、槳葉攪拌器和三級液位開關(guān)組成。儲存箱分3個槽，分別為配制、熟化和儲存，各槽之間設(shè)有擋板和槳葉攪拌器。當(dāng)系統(tǒng)工作時攪拌器啟動攪拌，保證絮凝劑充分稀釋熟化。儲存槽設(shè)置液位開關(guān)，低液位時系統(tǒng)自動啟動制備。PAM 絮凝劑溶液制備完成后，2臺槳葉攪拌器以間隙方式工作。配制PAM 絮凝劑溶液范圍為0～3 000 L/h，濃度為0.1%～0.5%。

絮凝劑投加控制是廢水處理的重要環(huán)節(jié)，如果控制不好，既不能達到預(yù)定的水質(zhì)處理要求，又導(dǎo)致藥劑的浪費。絮凝劑PAM 投入水中后生成氫氧化物，初始濁度會升高，隨著絮凝體的形成濁度開始下降，因此初始濁度為最大值時的投藥量為絮凝最佳投藥量。系統(tǒng)通過自動調(diào)整絮凝劑投加螺桿泵頻率實現(xiàn)絮凝劑PAM 定量添加，保證絮凝沉淀反應(yīng)的高效穩(wěn)定。

3.4 設(shè)備聯(lián)鎖

（1）進水閥聯(lián)鎖。井下廢水提升的進水閥和調(diào)節(jié)池的液位進行聯(lián)鎖。進水閥開啟時間設(shè)定在晚間電價低谷時間段，井下中段泵站提升泵啟動，提升廢水至調(diào)節(jié)池預(yù)處理，可以降低用電成本達到節(jié)能增效的目的。

（2）出水閥聯(lián)鎖。當(dāng)出水pH 值在6～9，COD 含量低于60 mg/L，NH3-N 含量低于8 mg/L，重金屬總銅含量低于0.5 mg/L 時，達到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，出水閥才能開啟。當(dāng)其中一項指標(biāo)不達標(biāo)時，出水閥自動關(guān)閉防止廢水外排污染環(huán)境。

（3）流程設(shè)備工藝聯(lián)鎖。當(dāng)調(diào)節(jié)池液位低于設(shè)定值時，石灰螺桿泵、廢水提升泵、快混罐攪拌機、中和罐攪拌機、絮凝罐攪拌機和污泥回流泵將自動停止。只有點擊解鎖按鈕，聯(lián)鎖狀態(tài)解除時才能啟停這些設(shè)備。

4 視頻監(jiān)控

通過對廢水處理作業(yè)區(qū)的視頻圖像監(jiān)控，操作人員可以隨時了解現(xiàn)場的情況，便于及時發(fā)現(xiàn)問題和處理問題。在某些作業(yè)區(qū)因工作環(huán)境有害人體健康，需要無人作業(yè)或人員巡檢作業(yè)危險性較大，使用高清攝像機進行遠程監(jiān)視。視頻監(jiān)控系統(tǒng)是對廢水處理控制系統(tǒng)有效的輔助，減少操作人員和巡檢人員的勞動強度，在加強管理的同時提高了工作效率。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由圖像采集、信號傳輸、系統(tǒng)控制、圖像顯示和存儲等組成。視頻圖像采集部分由10個高清網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像機組成，共計10個監(jiān)控點。監(jiān)控點主要分布在調(diào)節(jié)池、中和罐、沉淀池、加藥間等關(guān)鍵位置。所有攝像機信號匯集到各監(jiān)控節(jié)點后，通過光纖接口將監(jiān)控點的視頻信號傳輸至中控室，接入硬盤錄像機進行集中監(jiān)控和錄像。硬盤錄像機采用16路硬盤錄像機，安裝2 塊8 T 硬盤可存儲錄像時間為1 個月。視頻監(jiān)控系統(tǒng)支持手機、電腦等多終端查看，實現(xiàn)隨時隨地遠程了解現(xiàn)場情況。

5 結(jié)論

銅山銅礦井下廢水處理控制系統(tǒng)采用PLC 作為控制器，應(yīng)用模糊PID 控制、優(yōu)化控制等多種控制方法，且采用石灰中和混凝沉淀-次氯酸鈉氧化組合處理工藝，實現(xiàn)廢水處理集中操作控制。系統(tǒng)根據(jù)水質(zhì)參數(shù)自動調(diào)整藥劑投加量，管理方式簡單，運行控制準(zhǔn)確。投入使用后運行結(jié)果顯示：該系統(tǒng)廢水處理工藝靈活，抗沖擊負(fù)荷能力強，降低了操作人員勞動強度，提高了廢水處理效率和各項指標(biāo)，出水達到國家排放標(biāo)準(zhǔn)滿足礦山環(huán)保要求。