礦井水處理自動化控制系統的研究運用

陳上華

(福建省連城錳礦有限責任公司，福建 龍巖 364000)

0 前 言

礦井水處理是礦井生產中的一個重要環節，事關礦井環境保護工作，建設礦井水自動化處理系統可以提升水質處理的穩定性、可靠性、及時性。

某礦井水文地質類型中等，+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，設計水處理能力1 000 m3/h，峰值處理能力1 500 m3/h，處理站設置有容量1 000 m3的調節池和容量2 000 m3預曝反應池，具備儲水調節流量功能，預曝反應池之后的處理環節由兩路獨立的處理系統組成，日常并聯投入，當一路需要檢修時，另一路可正常使用。

1 礦井水處理流程

根據該礦井的水質情況，礦井排水主要需要處理水的酸堿度、懸浮物SS、COD(化學需氧量)、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

該套處理系統工藝環節較多，需要同時協調控制提升水泵、環保石灰水投放、曝氣反應空壓機、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、榨泥機等設備，人工操作無法滿足系統運行需要，需要建設一套自動化控制系統。

2 水處理控制邏輯

該套礦井水自動化處理系統，集控主機采用S7-200 SMART作為主邏輯控制器，配套擴展多個數字量和模擬量模塊，水質綜合采集裝置數據利用工業以太網與各子系統通信，根據子系統的各類信號，控制各子系統運行。

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節池后，需要通過提升泵抽排至預曝反應池。系統共設置3臺額定流量400 m3/h的提升水泵，水池設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

系統設置2套Ca(OH)2攪拌系統，攪拌后的環保石灰溶液通過石灰投加泵利用專用管路抽放至調節池和中和反應池，中和反應池的pH變送器將pH數據傳輸至PLC。石灰液投放主要根據中和反應池檢測的pH，控制石灰投加泵開停，其中一臺設置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

系統設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池，3號機投放至壓榨機。根據礦井水處理設計手冊，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池與斜槽板沉淀池連通管的電子流量計，預曝池有進水時，電子流量計流量最小流量為400 m3/h(一臺提升泵水量)，最大設計處理流量為1 500 m3/h，絮凝劑和助凝劑的投放量在設計范圍內，因此只要電子流量計有流量，絮凝劑和助凝劑就默認開啟投放，無流量時關閉。

2.4 曝氣空壓機變頻器控制

曝氣空壓機采用羅茨風機，出口設置有壓力傳感器，變頻器根據出口壓力自動調節頻率，系統設置上限頻率即可。

2.5 中和反應池攪拌機控制

中和反應池的攪拌機與兩路處理系統關聯，當其中一路檢修時，該路攪拌機自動停止，控制信號來自電子流量計。

2.6 榨泥系統控制

榨泥系統由污泥池、抽污泥泵、空壓機、隔膜泵、管路、板框壓榨機、污泥輸送皮帶等構成，榨泥系統各設備收到壓榨信號后，聯動運行，污泥泵將淤泥從沉淀池抽至淤泥池沉淀，沉淀達到設定時間后，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，水量和水質穩定時，可根據泥量設置定時時長，汛期水質水量不穩定時，可結合人工發送榨泥指令。

2.7 錳砂罐系統水泵控制

錳砂罐是一種用于處理水中重金屬錳的一體化錳過濾設備，系統檢測到沉淀池出口處的中間水池水質錳含量達到設定量時，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，該礦其中一臺設置2.5

2.8 綜合控制

處理站出水口處，設置有綜合采集裝置，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、當日總流量、歷史累計總流量、超標信息等，各類參數超標時，系統發出報警信號，并驅動子系統投入使用；COD數據超過設定值時，系統自動調節pH為7.0～8.5，其余所有加藥子系統均按最大能力投入，及時降低COD數值。

3 水質處理原則設定及緊急情況處置

根據水質處理的原理，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，因此水質處理設定為pH、重金屬處置優先。在進水量大大超過峰值處置能力時，處理站工作人員應優先將精力放在pH的控制上，利用調節池和預曝反應池的儲水調節功能，調整中間反應池出水閥門，增加處理時間，同時人工開啟石灰溶液投加系統，提升環保石灰溶液的濃度，并及時人工開啟錳砂罐水泵，避免發生重大環保事故。

4 系統優勢

與人工操作相比有5個優勢：①系統集中控制，避免了就地控制設備分散多處無法及時操作的問題；②根據實時監測數據自動調節水質，排放水質穩定、可靠，確保達標排放；③避免設備無效開機，節約電耗；④加藥量適度，避免過度加藥，造成水質超標；⑤水質自動化處理，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，增設一套壓泥用空壓機、調節池浮球開關。自動化控制系統的維護方面，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。系統還存在數據記錄分析功能不足、無預警功能，缺乏定期保養提醒、壓泥系統自動反沖洗等功能，可進一步改進，提升系統運行穩定性。

6 結 語

在礦井水處理過程中，利用水處理自動化控制系統，實現了水質穩定、可靠達標排放，同時兼顧了經濟性，降低了操作人員的勞動強度，技術人員應在日常處理過程中搜集各類數據，積累經驗，將自動化控制系統各類參數設置在最佳值，充分發揮該水處理自動化控制系統的優越性。