某铜矿井下废水处理控制系统的设计与应用

胡 平

（1.中钢矿院（马鞍山）智能应急科技有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司）

随着矿山水污染问题的日益严重，矿山企业对于水资源环境保护的重视程度也越来越高，废水处理已经成为矿山建设的重要部分。针对铜山铜矿井下废水酸性、悬浮物、重金属、COD 超标的水质特点，采用石灰中和混凝沉淀-次氯酸钠氧化组合工艺进行井下废水处理。该工艺属于物理化学法处理废水，处理效果高效且稳定，已广泛应用于金属矿山井下废水处理工程。为了提高井下废水处理效率和降低能耗，采用PLC 控制系统可以实现工艺参数的精确控制，克服废水处理过程非线性和大滞后问题，提高废水处理过程的自动化水平和控制效果。

1 铜山铜矿井下废水处理概述

我国现阶段对矿山废水处理的方法有自然降解法、混凝沉淀法、酸碱中和法、吸附法、化学氧化法和生物法［1-2］。铜山铜矿井下废水包含井下充填废水、井下涌水和生产废水。井下废水为酸性废水，化学需氧量、硫化物、氨氮、重金属等物质超标，每天废水量为6 000 t。井下废水处理工艺采用石灰中和混凝沉淀-次氯酸钠氧化的组合工艺，废水通过井下中段泵站提升泵输送进入调节池预处理，采用曝气调节水质水量。调节池出水输送至快速混合罐，快速混合罐出水自流入中和罐，通过添加石灰乳调节pH 值生成重金属不溶物。中和罐出水自流入絮凝反应罐，通过添加PAM 絮凝剂生成大体积絮凝物。絮凝反应罐出水流入辐流式沉淀池，絮凝物在池内沉淀分离。辐流式沉淀池出水自流入应急反应池，当出水pH 值超标时，进行应急投加草酸调整。应急反应池出水自流入排放水池，出水达标排放或作为回水循环利用。中和罐的石灰乳投加过程中加入沉淀池的污泥回流，该工艺和传统的石灰中和法相比，能提高底泥的浓度14%～20%，排泥体积大幅缩小，减轻后续污泥处置工作，有利于延长设备使用寿命和提高设备效率。

-257 m中段井下废水中的COD、Zn含量较高，预处理系统采用曝气氧化的方法去除部分COD，通过投加石灰乳和PAM 絮凝剂沉淀去除废水中的COD、Zn、Pb 和Cu，最后通过添加次氯酸钠进一步氧化残余COD。-658 m 中段废水水质较好，主要是pH 和悬浮物超标，投加石灰乳和PAM 絮凝剂沉淀即可达标排放。两中段井下废水分开处理有利于减少药剂投加量，废水处理过程产生的沉淀污泥由污泥泵输送至现有尾砂输送系统。井下废水处理工艺流程见图1。

2 井下废水处理控制系统

2.1 系统结构设计

井下废水处理控制系统由1 个S7-300 PLC 控制主站、1 个远程IO 控制分站和中央控制室组成［3］。控制系统的结构分为3 层，分别是设备层、控制层和信息管理层。各层之间通过硬件网关来实现各层相互隔离，保证各层独立运行。控制层采用冗余工业以太环网Profinet，实现与信息管理层和设备层的数据连接，冗余的结构设计保证了数据通讯的安全和高效。

设备层有工艺参数监测仪表和设备监测仪表，包括流量计、液位计、水质在线检测仪、电流变送器等，对工艺流程参数和设备状态进行实时检测显示。流量计选用电磁流量计，安装在调节池管道、快混罐管道、沉淀池回流管道和外排放水管道。液位计采用超声波液位计，安装在调节池、中和罐和外排池。水质检测仪表包括pH 计、COD 检测仪、NH3-N 检测仪和重金属总铜检测仪，安装在调节池和外排池。现场检测仪表具备通讯功能，PLC 控制器可以通过Modbus通讯协议采集仪表检测数据。

控制层有PLC 主站、远程IO 分站和工业控制计算机，各站通过冗余工业以太环网进行数据通讯，实现全工艺流程的监测和优化控制。PLC 主站配有CPU 模块、16 路数字量输入模块、32 路数字量输出模块、8 路模拟量输入模块、8 路模拟量输出模块、交换机模块、UPS 电源等，用于现场设备和仪表的数据采集和控制。远程IO 分站配有Modbus 通讯模块，用于药剂制备装置和在线检测仪表通讯。中控室设置2台工业控制计算机，分别为操作员站和工程师站。工程师站主要实现控制系统组态画面和软件编程，对生产数据进行存储，并预留与信息管理层的数据传输接口。操作员站主要用于废水处理过程的监视和操作，实现工艺流程设备的远程启停、工艺参数的自动调整等功能。工程师站安装组态软件Wincc 开发版和编程软件Step7，操作员站安装组态软件Wincc运行版。系统监控画面见图2。

信息管理层有网管级交换机、光纤收发器、Web服务器等网络设备，可以与控制层工程师站计算机数据通讯。信息管理层通过矿区光纤网络有效实现企业内部数据共享，与企业信息网无缝连接进行远程Web 浏览，进行远程生产监控和管理，实现矿山的信息管理一体化。

2.2 功能设计

2.2.1 监测功能

（1）对废水处理过程的主要工艺参数由电磁流量计、液位计、水质在线检测仪表进行在线检测，PLC控制器对仪表信号进行线性量化及数字滤波处理。对pH值、COD、氨氮和重金属总铜含量等水质重要参数采用趋势图方式进行记录，包括实时趋势和历史趋势。系统通过历史趋势图来查询数据记录，用于分析工艺流程控制效果。

（2）在监控图画面中按工艺流程动态显示工艺设备、管道、阀门的状态，并在流程相应位置显示流量、液位、pH 值等生产参数实际值。对鼓风机、污泥泵、搅拌机、提升泵等主要设备的工作状态进行实时监视，显示其运行状态和电流。当设备跳停和工艺参数超限时，画面显示报警信息提示操作人员。

2.2.2 控制功能

（1）根据设备运行状态和工艺流程要求，对废水处理工艺设备进行远程启停和联锁保护控制。每台电气设备均设就地手动控制、计算机远程手动控制、计算机远程自动控制3 种操作方式。在系统远程自动控制和远程手动控制过程中，对操作人员可能出现的误操作，控制软件提醒操作人员确认是否操作，并采取相应的补救措施。

（2）当生产设备出现异常时，控制系统根据在线运行设备的状态自动决策是否进行备用设备切换，或发出报警提示操作人员进行人工处理。根据设定的工艺参数要求，控制系统自动调节石灰乳、次氯酸钠和PAM絮凝剂添加量，保证废水处理流程稳定高效。

2.2.3 管理功能

系统具有I/O 硬件诊断、软件诊断、组态画面和数据库的编辑及修改功能。对于pH值、COD、氨氮和重金属总铜含量等水质参数、处理废水累计量数据自动生成报表并打印。事故报警信息按发生时间、优先级、故障点位置分别显示在组态画面中的报警栏上，报警信息保存在数据库中便于查询。系统按人员权限进行分级授权管理，操作人员根据授权进行相应的操作，防止无关人员修改参数设置。

2.2.4 通讯功能

系统与选厂自动化系统通过光纤工业以太网相互通讯，进行数据交换避免形成信息孤岛。系统与PAM 药剂制备装置、出水COD、NH3-N 在线检测仪表等现场成套设备采用Modbus 通讯协议，实时采集设备数据。废水处理流程画面、生产工艺参数等相关信息实时上传，为矿业公司生产调度管理系统提供数据信息。

3 主要控制方法

3.1 pH值控制

pH 值控制分为自动和手动2 种方式。控制方式处于自动状态时，系统将根据设定值自动调节pH值，不需要人为进行干预。控制方式处于手动状态时，操作人员通过调节石灰泵和草酸泵的频率，控制石灰乳和草酸的投加量来调节pH值。

由于pH 控制过程非线性和大滞后问题，常规PID 控制调节参数整定工作量大，很难达到精确的控制效果。采用模糊控制和PID控制结合，将现场专家的操作经验作为知识库，运用模糊控制理论的方法建立模糊规则库进行模糊推理［4-5］。模糊控制将偏差e和偏差率Δe作为输入，对PID 参数的修正值ΔKp、ΔKi和ΔKd作为输出，实现PID 参数Kp、Ki和Kd自动调节修正，提高pH 控制精度。模糊PID 控制器的偏差值e和偏差率Δe论域为［-3，3］，量化等级为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。模糊PID控制器见图3。

中和罐的pH 值一般设置在8，系统自动调节pH保持在7.9～8.1。系统通过调节石灰泵的频率改变中和罐的石灰乳投加量，从而调整中和罐水质pH 值。由于石灰乳管道容易堵塞，系统设置石灰泵最低频率，防止管道石灰沉积影响生产。pH 调节池的出水pH 值限值设置为6～9，在此范围内的水质达到排放要求。当调节池pH 值大于9 时，系统开始自动投加草酸，使出水pH值达到排放标准。

3.2 调节池曝气量控制

调节池的主要作用是调节水量和水质，既可以存储井下废水，又可以调节废水的氨氮浓度。由于进入调节池的废水含有一定的悬浮物，通过曝气防止调节池中悬浮物沉淀，有效利用调节池容积，并改善废水的可生化性。

曝气是直接影响硝化反应的重要因素，调节池的合理曝气量会带来极佳的水处理效果。如果曝气量过小，水中溶解氧不足导致硝化不足，出水COD 和氨氮含量超标。如果曝气量过大，会导致高度硝化，活性污泥上浮加速污泥老化，并造成不必要的能源浪费。调节池曝气量控制参数主要是调节池溶解氧值，一般设置为0.5～2 mg/L。系统自动调节鼓风机频率来控制曝气量，使调节池的溶解氧值在设置范围内，这样可以间接控制调节池硝化反应速率，充分利用调节池容积，有效降低出水COD和氨氮浓度。

3.3 絮凝剂制备与投加控制

PAM 絮凝剂制备装置主要包括定量送粉系统、溶解水系统、搅拌储存系统。定量送粉系统由螺旋给料机、物位开关和料斗组成。系统通过物位开关检测料斗干粉量，并根据溶解水流量的变化控制螺旋给料机自动调节干粉的投加量，从而保证配制溶液浓度不变。溶解水系统包括电磁流量计、水压调节阀和电动开关阀。系统通过控制水压调节阀保证溶解水压力稳定，当流量计检测累计溶解水量达到要求时，电磁阀切断水路。搅拌储存系统由储存箱、桨叶搅拌器和三级液位开关组成。储存箱分3个槽，分别为配制、熟化和储存，各槽之间设有挡板和桨叶搅拌器。当系统工作时搅拌器启动搅拌，保证絮凝剂充分稀释熟化。储存槽设置液位开关，低液位时系统自动启动制备。PAM 絮凝剂溶液制备完成后，2台桨叶搅拌器以间隙方式工作。配制PAM 絮凝剂溶液范围为0～3 000 L/h，浓度为0.1%～0.5%。

絮凝剂投加控制是废水处理的重要环节，如果控制不好，既不能达到预定的水质处理要求，又导致药剂的浪费。絮凝剂PAM 投入水中后生成氢氧化物，初始浊度会升高，随着絮凝体的形成浊度开始下降，因此初始浊度为最大值时的投药量为絮凝最佳投药量。系统通过自动调整絮凝剂投加螺杆泵频率实现絮凝剂PAM 定量添加，保证絮凝沉淀反应的高效稳定。

3.4 设备联锁

（1）进水阀联锁。井下废水提升的进水阀和调节池的液位进行联锁。进水阀开启时间设定在晚间电价低谷时间段，井下中段泵站提升泵启动，提升废水至调节池预处理，可以降低用电成本达到节能增效的目的。

（2）出水阀联锁。当出水pH 值在6～9，COD 含量低于60 mg/L，NH3-N 含量低于8 mg/L，重金属总铜含量低于0.5 mg/L 时，达到国家排放标准，出水阀才能开启。当其中一项指标不达标时，出水阀自动关闭防止废水外排污染环境。

（3）流程设备工艺联锁。当调节池液位低于设定值时，石灰螺杆泵、废水提升泵、快混罐搅拌机、中和罐搅拌机、絮凝罐搅拌机和污泥回流泵将自动停止。只有点击解锁按钮，联锁状态解除时才能启停这些设备。

4 视频监控

通过对废水处理作业区的视频图像监控，操作人员可以随时了解现场的情况，便于及时发现问题和处理问题。在某些作业区因工作环境有害人体健康，需要无人作业或人员巡检作业危险性较大，使用高清摄像机进行远程监视。视频监控系统是对废水处理控制系统有效的辅助，减少操作人员和巡检人员的劳动强度，在加强管理的同时提高了工作效率。

视频监控系统由图像采集、信号传输、系统控制、图像显示和存储等组成。视频图像采集部分由10个高清网络数字摄像机组成，共计10个监控点。监控点主要分布在调节池、中和罐、沉淀池、加药间等关键位置。所有摄像机信号汇集到各监控节点后，通过光纤接口将监控点的视频信号传输至中控室，接入硬盘录像机进行集中监控和录像。硬盘录像机采用16路硬盘录像机，安装2 块8 T 硬盘可存储录像时间为1 个月。视频监控系统支持手机、电脑等多终端查看，实现随时随地远程了解现场情况。

5 结论

铜山铜矿井下废水处理控制系统采用PLC 作为控制器，应用模糊PID 控制、优化控制等多种控制方法，且采用石灰中和混凝沉淀-次氯酸钠氧化组合处理工艺，实现废水处理集中操作控制。系统根据水质参数自动调整药剂投加量，管理方式简单，运行控制准确。投入使用后运行结果显示：该系统废水处理工艺灵活，抗冲击负荷能力强，降低了操作人员劳动强度，提高了废水处理效率和各项指标，出水达到国家排放标准满足矿山环保要求。