礦井水處理自動化控制系統(tǒng)的研究運用

陳上華

(福建省連城錳礦有限責(zé)任公司，福建 龍巖 364000)

0 前 言

礦井水處理是礦井生產(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié)，事關(guān)礦井環(huán)境保護工作，建設(shè)礦井水自動化處理系統(tǒng)可以提升水質(zhì)處理的穩(wěn)定性、可靠性、及時性。

某礦井水文地質(zhì)類型中等，+380 m水平以上的涌水通過主平峒自流排出，+380 m以下的涌水采用水泵二級接力排水方式排出。+380 m水平以上自流排出的水量日常約100 m3/h,雨季時可達(dá)400 m3/h；井下二級排水排至地面的水量日常約500 m3/h，高峰時期達(dá)1 000 m3/h。井下未排水時，礦井水處理站日常進站水量約100 m3/h；井下排水時，進站水量約600 m3/h，雨季高峰時段進站水量約1 400 m3/h。礦井于2019年擴建礦井水處理站，設(shè)計水處理能力1 000 m3/h，峰值處理能力1 500 m3/h，處理站設(shè)置有容量1 000 m3的調(diào)節(jié)池和容量2 000 m3預(yù)曝反應(yīng)池，具備儲水調(diào)節(jié)流量功能，預(yù)曝反應(yīng)池之后的處理環(huán)節(jié)由兩路獨立的處理系統(tǒng)組成，日常并聯(lián)投入，當(dāng)一路需要檢修時，另一路可正常使用。

1 礦井水處理流程

根據(jù)該礦井的水質(zhì)情況，礦井排水主要需要處理水的酸堿度、懸浮物SS、COD(化學(xué)需氧量)、重金屬錳等，主要的處理工藝流程見圖1。

圖1 礦井水處理流程

該套處理系統(tǒng)工藝環(huán)節(jié)較多，需要同時協(xié)調(diào)控制提升水泵、環(huán)保石灰水投放、曝氣反應(yīng)空壓機、絮凝劑(PAM)加藥機、助凝劑(PAC)加藥機、攪拌機、污泥泵、污泥隔膜泵(空壓機)、錳砂罐水泵、榨泥機等設(shè)備，人工操作無法滿足系統(tǒng)運行需要，需要建設(shè)一套自動化控制系統(tǒng)。

2 水處理控制邏輯

該套礦井水自動化處理系統(tǒng)，集控主機采用S7-200 SMART作為主邏輯控制器，配套擴展多個數(shù)字量和模擬量模塊，水質(zhì)綜合采集裝置數(shù)據(jù)利用工業(yè)以太網(wǎng)與各子系統(tǒng)通信，根據(jù)子系統(tǒng)的各類信號，控制各子系統(tǒng)運行。

2.1 提升泵控制

由于地勢高差，礦井主平峒自流水進入礦井水處理站調(diào)節(jié)池后，需要通過提升泵抽排至預(yù)曝反應(yīng)池。系統(tǒng)共設(shè)置3臺額定流量400 m3/h的提升水泵，水池設(shè)置超聲波水位傳感器，利用S7-200 SMART的 CLOCK時鐘指令、上升沿指令、INC遞增指令和CMP

圖2 提升泵控制界面

2.2 石灰投加泵控制

系統(tǒng)設(shè)置2套Ca(OH)2攪拌系統(tǒng)，攪拌后的環(huán)保石灰溶液通過石灰投加泵利用專用管路抽放至調(diào)節(jié)池和中和反應(yīng)池，中和反應(yīng)池的pH變送器將pH數(shù)據(jù)傳輸至PLC。石灰液投放主要根據(jù)中和反應(yīng)池檢測的pH，控制石灰投加泵開停，其中一臺設(shè)置6.7

圖3 石灰加藥泵控制界面

2.3 絮凝劑和助凝劑加藥機控制

系統(tǒng)設(shè)置絮凝劑和助凝劑加藥機各3臺，其中1號機和2號機投放至中和反應(yīng)池，3號機投放至壓榨機。根據(jù)礦井水處理設(shè)計手冊，絮凝劑按照5～10 g/t投放，助凝劑按照20～50 g/t投放，控制信號來自中和反應(yīng)池與斜槽板沉淀池連通管的電子流量計，預(yù)曝池有進水時，電子流量計流量最小流量為400 m3/h(一臺提升泵水量)，最大設(shè)計處理流量為1 500 m3/h，絮凝劑和助凝劑的投放量在設(shè)計范圍內(nèi)，因此只要電子流量計有流量，絮凝劑和助凝劑就默認(rèn)開啟投放，無流量時關(guān)閉。

2.4 曝氣空壓機變頻器控制

曝氣空壓機采用羅茨風(fēng)機，出口設(shè)置有壓力傳感器，變頻器根據(jù)出口壓力自動調(diào)節(jié)頻率，系統(tǒng)設(shè)置上限頻率即可。

2.5 中和反應(yīng)池攪拌機控制

中和反應(yīng)池的攪拌機與兩路處理系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，當(dāng)其中一路檢修時，該路攪拌機自動停止，控制信號來自電子流量計。

2.6 榨泥系統(tǒng)控制

榨泥系統(tǒng)由污泥池、抽污泥泵、空壓機、隔膜泵、管路、板框壓榨機、污泥輸送皮帶等構(gòu)成，榨泥系統(tǒng)各設(shè)備收到壓榨信號后，聯(lián)動運行，污泥泵將淤泥從沉淀池抽至淤泥池沉淀，沉淀達(dá)到設(shè)定時間后，空壓機啟動控制隔膜泵將淤泥壓送至板框壓榨機，完成壓榨后，運泥皮帶開啟，壓榨機自動打開壓板，泥板掉落至運泥皮帶運出。壓榨信號為人工壓榨和定時壓榨，水量和水質(zhì)穩(wěn)定時，可根據(jù)泥量設(shè)置定時時長，汛期水質(zhì)水量不穩(wěn)定時，可結(jié)合人工發(fā)送榨泥指令。

2.7 錳砂罐系統(tǒng)水泵控制

錳砂罐是一種用于處理水中重金屬錳的一體化錳過濾設(shè)備，系統(tǒng)檢測到沉淀池出口處的中間水池水質(zhì)錳含量達(dá)到設(shè)定量時，中間水池處的水泵開啟，將中間水池的水注入錳砂罐過濾，降低水中錳含量，該礦其中一臺設(shè)置2.5

2.8 綜合控制

處理站出水口處，設(shè)置有綜合采集裝置，采集出口流量、COD、pH、懸浮物SS、總錳含量信號，用于定時記錄瞬時流量、當(dāng)日總流量、歷史累計總流量、超標(biāo)信息等，各類參數(shù)超標(biāo)時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，并驅(qū)動子系統(tǒng)投入使用；COD數(shù)據(jù)超過設(shè)定值時，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)pH為7.0～8.5，其余所有加藥子系統(tǒng)均按最大能力投入，及時降低COD數(shù)值。

3 水質(zhì)處理原則設(shè)定及緊急情況處置

根據(jù)水質(zhì)處理的原理，pH為7.0～8.5時，助凝劑和絮凝劑的混凝效果最佳，可有效降低懸浮物SS及COD，因此水質(zhì)處理設(shè)定為pH、重金屬處置優(yōu)先。在進水量大大超過峰值處置能力時，處理站工作人員應(yīng)優(yōu)先將精力放在pH的控制上，利用調(diào)節(jié)池和預(yù)曝反應(yīng)池的儲水調(diào)節(jié)功能，調(diào)整中間反應(yīng)池出水閥門，增加處理時間，同時人工開啟石灰溶液投加系統(tǒng)，提升環(huán)保石灰溶液的濃度，并及時人工開啟錳砂罐水泵，避免發(fā)生重大環(huán)保事故。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

與人工操作相比有5個優(yōu)勢：①系統(tǒng)集中控制，避免了就地控制設(shè)備分散多處無法及時操作的問題；②根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)水質(zhì)，排放水質(zhì)穩(wěn)定、可靠，確保達(dá)標(biāo)排放；③避免設(shè)備無效開機，節(jié)約電耗；④加藥量適度，避免過度加藥，造成水質(zhì)超標(biāo)；⑤水質(zhì)自動化處理，大大降低工作人員的勞動強度和精神強度。

5 系統(tǒng)軟硬件的完善、改進及維護

該礦井水處理站運行以來，進行了多次的改進和完善。①軟件方面，增加了羅茨風(fēng)機定時切換開機及切換延時、中間池提升泵定時切換、攪拌機故障反饋、加藥機故障反饋功能；②硬件方面，增設(shè)一套壓泥用空壓機、調(diào)節(jié)池浮球開關(guān)。自動化控制系統(tǒng)的維護方面，pH傳感器、懸浮物傳感器、COD傳感器等傳感器需要定期清洗校正。系統(tǒng)還存在數(shù)據(jù)記錄分析功能不足、無預(yù)警功能，缺乏定期保養(yǎng)提醒、壓泥系統(tǒng)自動反沖洗等功能，可進一步改進，提升系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

6 結(jié) 語

在礦井水處理過程中，利用水處理自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了水質(zhì)穩(wěn)定、可靠達(dá)標(biāo)排放，同時兼顧了經(jīng)濟性，降低了操作人員的勞動強度，技術(shù)人員應(yīng)在日常處理過程中搜集各類數(shù)據(jù)，積累經(jīng)驗，將自動化控制系統(tǒng)各類參數(shù)設(shè)置在最佳值，充分發(fā)揮該水處理自動化控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。