某銅礦井下廢水處理控制系統的設計與應用

胡 平

（1.中鋼礦院（馬鞍山）智能應急科技有限公司；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重，礦山企業對于水資源環境保護的重視程度也越來越高，廢水處理已經成為礦山建設的重要部分。針對銅山銅礦井下廢水酸性、懸浮物、重金屬、COD 超標的水質特點，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法處理廢水，處理效果高效且穩定，已廣泛應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 控制系統可以實現工藝參數的精確控制，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、井下涌水和生產廢水。井下廢水為酸性廢水，化學需氧量、硫化物、氨氮、重金屬等物質超標，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節池預處理，采用曝氣調節水質水量。調節池出水輸送至快速混合罐，快速混合罐出水自流入中和罐，通過添加石灰乳調節pH 值生成重金屬不溶物。中和罐出水自流入絮凝反應罐，通過添加PAM 絮凝劑生成大體積絮凝物。絮凝反應罐出水流入輻流式沉淀池，絮凝物在池內沉淀分離。輻流式沉淀池出水自流入應急反應池，當出水pH 值超標時，進行應急投加草酸調整。應急反應池出水自流入排放水池，出水達標排放或作為回水循環利用。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，減輕后續污泥處置工作，有利于延長設備使用壽命和提高設備效率。

-257 m中段井下廢水中的COD、Zn含量較高，預處理系統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 中段廢水水質較好，主要是pH 和懸浮物超標，投加石灰乳和PAM 絮凝劑沉淀即可達標排放。兩中段井下廢水分開處理有利于減少藥劑投加量，廢水處理過程產生的沉淀污泥由污泥泵輸送至現有尾砂輸送系統。井下廢水處理工藝流程見圖1。

2 井下廢水處理控制系統

2.1 系統結構設計

井下廢水處理控制系統由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］。控制系統的結構分為3 層，分別是設備層、控制層和信息管理層。各層之間通過硬件網關來實現各層相互隔離，保證各層獨立運行。控制層采用冗余工業以太環網Profinet，實現與信息管理層和設備層的數據連接，冗余的結構設計保證了數據通訊的安全和高效。

設備層有工藝參數監測儀表和設備監測儀表，包括流量計、液位計、水質在線檢測儀、電流變送器等，對工藝流程參數和設備狀態進行實時檢測顯示。流量計選用電磁流量計，安裝在調節池管道、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，安裝在調節池、中和罐和外排池。水質檢測儀表包括pH 計、COD 檢測儀、NH3-N 檢測儀和重金屬總銅檢測儀，安裝在調節池和外排池。現場檢測儀表具備通訊功能，PLC 控制器可以通過Modbus通訊協議采集儀表檢測數據。

控制層有PLC 主站、遠程IO 分站和工業控制計算機，各站通過冗余工業以太環網進行數據通訊，實現全工藝流程的監測和優化控制。PLC 主站配有CPU 模塊、16 路數字量輸入模塊、32 路數字量輸出模塊、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，用于現場設備和儀表的數據采集和控制。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。中控室設置2臺工業控制計算機，分別為操作員站和工程師站。工程師站主要實現控制系統組態畫面和軟件編程，對生產數據進行存儲，并預留與信息管理層的數據傳輸接口。操作員站主要用于廢水處理過程的監視和操作，實現工藝流程設備的遠程啟停、工藝參數的自動調整等功能。工程師站安裝組態軟件Wincc 開發版和編程軟件Step7，操作員站安裝組態軟件Wincc運行版。系統監控畫面見圖2。

信息管理層有網管級交換機、光纖收發器、Web服務器等網絡設備，可以與控制層工程師站計算機數據通訊。信息管理層通過礦區光纖網絡有效實現企業內部數據共享，與企業信息網無縫連接進行遠程Web 瀏覽，進行遠程生產監控和管理，實現礦山的信息管理一體化。

2.2 功能設計

2.2.1 監測功能

（1）對廢水處理過程的主要工藝參數由電磁流量計、液位計、水質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字濾波處理。對pH值、COD、氨氮和重金屬總銅含量等水質重要參數采用趨勢圖方式進行記錄，包括實時趨勢和歷史趨勢。系統通過歷史趨勢圖來查詢數據記錄，用于分析工藝流程控制效果。

（2）在監控圖畫面中按工藝流程動態顯示工藝設備、管道、閥門的狀態，并在流程相應位置顯示流量、液位、pH 值等生產參數實際值。對鼓風機、污泥泵、攪拌機、提升泵等主要設備的工作狀態進行實時監視，顯示其運行狀態和電流。當設備跳停和工藝參數超限時，畫面顯示報警信息提示操作人員。

2.2.2 控制功能

（1）根據設備運行狀態和工藝流程要求，對廢水處理工藝設備進行遠程啟停和聯鎖保護控制。每臺電氣設備均設就地手動控制、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的誤操作，控制軟件提醒操作人員確認是否操作，并采取相應的補救措施。

（2）當生產設備出現異常時，控制系統根據在線運行設備的狀態自動決策是否進行備用設備切換，或發出報警提示操作人員進行人工處理。根據設定的工藝參數要求，控制系統自動調節石灰乳、次氯酸鈉和PAM絮凝劑添加量，保證廢水處理流程穩定高效。

2.2.3 管理功能

系統具有I/O 硬件診斷、軟件診斷、組態畫面和數據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參數、處理廢水累計量數據自動生成報表并打印。事故報警信息按發生時間、優先級、故障點位置分別顯示在組態畫面中的報警欄上，報警信息保存在數據庫中便于查詢。系統按人員權限進行分級授權管理，操作人員根據授權進行相應的操作，防止無關人員修改參數設置。

2.2.4 通訊功能

系統與選廠自動化系統通過光纖工業以太網相互通訊，進行數據交換避免形成信息孤島。系統與PAM 藥劑制備裝置、出水COD、NH3-N 在線檢測儀表等現場成套設備采用Modbus 通訊協議，實時采集設備數據。廢水處理流程畫面、生產工藝參數等相關信息實時上傳，為礦業公司生產調度管理系統提供數據信息。

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時，系統將根據設定值自動調節pH值，不需要人為進行干預。控制方式處于手動狀態時，操作人員通過調節石灰泵和草酸泵的頻率，控制石灰乳和草酸的投加量來調節pH值。

由于pH 控制過程非線性和大滯后問題，常規PID 控制調節參數整定工作量大，很難達到精確的控制效果。采用模糊控制和PID控制結合，將現場專家的操作經驗作為知識庫，運用模糊控制理論的方法建立模糊規則庫進行模糊推理［4-5］。模糊控制將偏差e和偏差率Δe作為輸入，對PID 參數的修正值ΔKp、ΔKi和ΔKd作為輸出，實現PID 參數Kp、Ki和Kd自動調節修正，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 值一般設置在8，系統自動調節pH保持在7.9～8.1。系統通過調節石灰泵的頻率改變中和罐的石灰乳投加量，從而調整中和罐水質pH 值。由于石灰乳管道容易堵塞，系統設置石灰泵最低頻率，防止管道石灰沉積影響生產。pH 調節池的出水pH 值限值設置為6～9，在此范圍內的水質達到排放要求。當調節池pH 值大于9 時，系統開始自動投加草酸，使出水pH值達到排放標準。

3.2 調節池曝氣量控制

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

曝氣是直接影響硝化反應的重要因素，調節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，水中溶解氧不足導致硝化不足，出水COD 和氨氮含量超標。如果曝氣量過大，會導致高度硝化，活性污泥上浮加速污泥老化，并造成不必要的能源浪費。調節池曝氣量控制參數主要是調節池溶解氧值，一般設置為0.5～2 mg/L。系統自動調節鼓風機頻率來控制曝氣量，使調節池的溶解氧值在設置范圍內，這樣可以間接控制調節池硝化反應速率，充分利用調節池容積，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、溶解水系統、攪拌儲存系統。定量送粉系統由螺旋給料機、物位開關和料斗組成。系統通過物位開關檢測料斗干粉量，并根據溶解水流量的變化控制螺旋給料機自動調節干粉的投加量，從而保證配制溶液濃度不變。溶解水系統包括電磁流量計、水壓調節閥和電動開關閥。系統通過控制水壓調節閥保證溶解水壓力穩定，當流量計檢測累計溶解水量達到要求時，電磁閥切斷水路。攪拌儲存系統由儲存箱、槳葉攪拌器和三級液位開關組成。儲存箱分3個槽，分別為配制、熟化和儲存，各槽之間設有擋板和槳葉攪拌器。當系統工作時攪拌器啟動攪拌，保證絮凝劑充分稀釋熟化。儲存槽設置液位開關，低液位時系統自動啟動制備。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節，如果控制不好，既不能達到預定的水質處理要求，又導致藥劑的浪費。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。系統通過自動調整絮凝劑投加螺桿泵頻率實現絮凝劑PAM 定量添加，保證絮凝沉淀反應的高效穩定。

3.4 設備聯鎖

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

（2）出水閥聯鎖。當出水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，達到國家排放標準，出水閥才能開啟。當其中一項指標不達標時，出水閥自動關閉防止廢水外排污染環境。

（3）流程設備工藝聯鎖。當調節池液位低于設定值時，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，聯鎖狀態解除時才能啟停這些設備。

4 視頻監控

通過對廢水處理作業區的視頻圖像監控，操作人員可以隨時了解現場的情況，便于及時發現問題和處理問題。在某些作業區因工作環境有害人體健康，需要無人作業或人員巡檢作業危險性較大，使用高清攝像機進行遠程監視。視頻監控系統是對廢水處理控制系統有效的輔助，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。

視頻監控系統由圖像采集、信號傳輸、系統控制、圖像顯示和存儲等組成。視頻圖像采集部分由10個高清網絡數字攝像機組成，共計10個監控點。監控點主要分布在調節池、中和罐、沉淀池、加藥間等關鍵位置。所有攝像機信號匯集到各監控節點后，通過光纖接口將監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。視頻監控系統支持手機、電腦等多終端查看，實現隨時隨地遠程了解現場情況。

5 結論

銅山銅礦井下廢水處理控制系統采用PLC 作為控制器，應用模糊PID 控制、優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，實現廢水處理集中操作控制。系統根據水質參數自動調整藥劑投加量，管理方式簡單，運行控制準確。投入使用后運行結果顯示：該系統廢水處理工藝靈活，抗沖擊負荷能力強，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，出水達到國家排放標準滿足礦山環保要求。