秦二廠首個非放生產廢水控制系統調試及優化

王雁翎，劉思琦

（中核核電運行管理有限公司 維修四處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

近幾年，近岸海域污染也表現為水體的富營養化，含氮、磷的廢水（如生活污水）未經處理直排入海引發水土富營養化，污染近岸海域，后產生一系列的生態問題[1]，降低近岸海域污染物入海量迫在眉睫。為深入貫徹落實《浙江省近岸海域污染防治實施方案》，秦二廠根據浙江省環保廳《關于開展入海排污口規范化整治提升工作的通知》的要求，新增了非放生產廢水處理系統，將秦二廠原排入雨排系統的非放生產廢水進行雨廢分流改造，設置獨立生產廢水排水管線，并將上述非放生產廢水進行收集，通過該系統對非放生產廢水進行集中自動處理，使非放生產廢水排放滿足浙江省《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》[2]。

PLC可以為各種自動化設備提供非常可靠的控制應用，在進行控制的時候能夠提出比較可靠和完善的解決方法[3]。該系統以PLC為控制核心，實現對設備狀態的集中監視，并對相關設備進行自動控制，滿足了自動處理非放生產廢水的需求，降低了非放生產廢水中的化學需氧量、氨氮、總氮和總磷含量。

1 非放生產廢水處理系統簡介

該系統收集上游廢水至廢水收集箱A及廢水收集箱B，通過水質監測設備自動檢測廢水水質，再通過酸堿調節裝置、次氯酸鈉加藥裝置、除磷裝置對廢水進行自動處理。水質處理檢測達標后，由排水泵自動排放。該系統的設備概況如圖1所示。

圖1 生產廢水處理系統設備概況圖Fig.1 Overview of production wastewater treatment system equipment

2 控制系統組成

2.1 系統概述

該系統采用西門子PLC SMART 200進行控制，根據編制的程序以及采得的數據信息進行邏輯運算，并將運算結果通過信號輸出到執行機構來控制系統設備的運行。系統首先通過水質監測設備自動檢測廢水收集箱內廢水水質，再將檢測結果傳輸給PLC進行分析處理。當檢測結果PH值不合格時，經過PLC自動計算后，從YA原酸、堿罐取鹽酸或氫氧化鈉，一次精準加藥調節廢水PH值；再判斷廢水中的氨氮含量是否合格，如氨氮含量不合格，則從次氯酸鈉儲罐自動精準投加次氯酸鈉；然后，判斷廢水中的總磷含量是否合格。如總磷含量不合格，則自動精準投加氯化鈣，期間產生的少量絮凝物使用活性炭過濾器吸附去除。在以上步驟中，如廢水內PH值、氨氮含量或總磷含量檢測結果合格，則跳過相應加藥步序。在排放前，系統再次檢測廢水水質，PH、氨氮、總氮、總磷、COD 五項均符合排放標準后自動排放。如檢測結果為水質不合格，則自動繼續加藥步序，直至水質合格后排放。硬件系統架構及處理流程如圖2、圖3所示。

圖2 生產廢水系統架構圖Fig.2 Architecture diagram of production wastewater system

圖3 廢水處理流程圖Fig.3 Wastewater treatment flow chart

2.2 系統邏輯

2.2.1 PH調節控制邏輯

1）若檢測所得PH值大于9，PLC計算酸加藥時長如公式（1）所示：

其中：10-（X-7）為廢水PH中和至7所需的鹽酸量（mol/L）；X為檢測所得PH值；36.5為鹽酸摩爾質量；C為鹽酸濃度（31%）；H1為廢水收集箱實際液位；H為廢水收集箱高液位（10m）；V為廢水收集箱容積（500m3）；Q為酸加藥泵流量（500L/h）。

簡化后邏輯計算酸加藥時長如公式（2）所示：

計算完畢后開啟酸加藥泵，到達計算時長后關閉酸加藥泵。廢水收集箱出口設有PH表，實時監測廢水PH值。當PH值到達8時，若酸加藥泵還未停止，則強制停泵。

2）若檢測所得PH值小于6，邏輯計算堿加藥時長如公式（3）所示：

其中：10-（X-7）為廢水PH中和至7所需的NAOH量（mol/L）；X為檢測所得PH值；40為NAOH摩爾質量；C為NAOH濃度32%（業主提供數據）；H1為廢水收集箱實際液位；H為廢水收集箱高液位（10m）；V為廢水收集箱容積（500m3）；Q為堿加藥泵流量（500L/h）。

簡化后邏輯計算堿加藥時長如公式（4）所示：

計算完畢后開啟堿加藥泵，到達計算時長后關閉堿加藥泵。廢水收集箱出口設有PH表，實時監測廢水PH值。當PH值到達7時，若堿加藥泵還未停止，則強制停泵。

2.2.2 氨氮處理控制邏輯

若廢水中氨氮含量不合格，PLC計算次氯酸鈉加藥停止液位如公式（5）所示：

其中：L（NaClO）為次氯酸鈉加藥停止液位；L為次氯酸鈉加藥起始液位；K為次氯酸鈉處理氨氮藥量比（8.2）；m為廢水中氨氮濃度（mg/L）；H1為廢水收集箱實際液位；H為廢水收集箱高液位（10m）；V為廢水收集箱容積（500m3）；B為可在上位機設置的系數；S為次氯酸鈉儲罐圓面積。

簡化后邏輯計算次氯酸鈉加藥停止液位如公式（6）所示：

計算完畢后開啟次氯酸鈉加藥泵，到達次氯酸鈉加藥停止液位后，關閉次氯酸鈉加藥泵。廢水收集箱出口設有余氯表，實時監測廢水中余氯含量。當廢水中余氯含量＞100mg/L時，若次氯酸鈉加藥泵還未停止，則強制停泵。

2.2.3 總磷處理控制邏輯

若廢水中總磷含量不合格，則開啟氯化鈣加藥泵，氯化鈣加藥泵開啟5min后停止。然后，開啟活性炭過濾器入口/出口電動閥，關閉活性炭過濾器旁通閥，使用活性炭過濾器吸附去除除磷過程中產生的少量絮凝物。1h后，再關閉活性炭過濾器入口/出口電動閥，開啟活性炭過濾器旁通閥，除磷流程結束。

2.2.4 排放邏輯

化學除磷結束后，系統再次自動進行水質檢測。當水質數據可用且合格后，開啟廢水收集箱排放閥及排水泵，將合格的廢水排放至SEL或CC跌落井。如檢測結果為水質不合格，則自動繼續加藥步序，直至水質合格后排放。

3 調試及優化

3.1 采樣工藝流程及其控制程序的優化

3.1.1 水質監測儀表

水質監測儀表包含氨氮表、總氮表、總磷表、COD表及PH表，當在線監測間取樣泵開啟后，PH表可實時監測廢水PH值，其它儀表無實時監測功能，最長需1.33h后得到檢測結果。其它儀表做樣方式分為手動與自動兩種，自動做樣又有整點做樣、間隔做樣及觸發做樣3種模式。整點做樣與間隔做樣都是儀表在固定時間自動做樣，觸發做樣功能是當PLC向儀表發送開始取樣信號后，儀表開始做樣。對樣水的分析由儀表自帶程序控制，檢測結果通過4mA～20mA信號傳輸至PLC。在下一次檢測完畢前，儀表保持上次檢測結果輸出。

3.1.2 水質監測儀表控制優化

在原設計中，全部水質監測儀表都與PH表一樣，僅有AI輸入信號，僅接收儀表傳輸至PLC的檢測結果，無對儀表的控制信號。因此，儀表只能采用整點做樣或間隔做樣兩種模式，而這兩種模式無法滿足該系統自動處理需求。在PLC程序內新增了水質監測儀表控制邏輯，當廢水收集箱水循環結束后，在線監測間取樣泵開啟，沖洗取樣管線5min。然后，以在線監測間取樣泵開啟5min作為觸發條件，發送開始取樣信號，控制儀表開始做樣。同時在線監測間取樣泵停止。

3.1.3 氨氮、總氮含量檢測工藝的優化

根據現場實際工況，非放生產廢水處理前氨氮含量最高達584mg/L，總氮含量最高達584ppm，而氨氮與總氮的排放標準分別僅有1.5mg/L與10ppm。

如使用同一儀表檢測處理前/后的廢水，由于儀表量程過大，會導致處理后廢水內的氨氮和總氮含量檢測誤差過大，無法準確檢測實際水質，極大可能會造成誤排放。因此，對原采樣工藝進行修改，新增一臺氨氮表、一臺總氮表。

但與此同時，又有新的問題出現。由于儀表本身的誤差，兩個不同量程儀表檢測同一樣水時結果差異較大，而在檢測之前，系統無法判斷廢水收集箱內廢水的氨氮、總氮含量，無法直接選用其中一臺儀表的檢測數據。因此，在系統控制邏輯中又新增了氨氮、總氮含量檢測結果判定邏輯。

在修改控制邏輯之前，先對儀表的輸出進行了確認。當儀表檢測結果超量程時，輸出電流＞20mA；當檢測結果未超量程時，輸出電流≤20mA。基于此，將氨氮、總氮含量檢測結果判定邏輯設計為：

首先，對低量程儀表檢測結果進行判斷，如PLC接收到的電流信號未超過20mA，則選取低量程儀表的檢測結果作為廢水收集箱內廢水實際氨氮/總氮含量。如低量程儀表送至PLC的電流信號超過20mA，則選取高量程儀表的檢測結果作為廢水收集箱內廢水實際氨氮/總氮含量。

3.1.4 水質監測儀表數據準確性問題及優化方式

該系統最初設計的采樣工藝流程為取樣一次，根據水質監測儀表分析數據，進行下一步加藥流程。但根據經驗，在實際運行過程中，可能會遇到以下問題：

① 儀表故障不分析：儀表觸發做樣功能失效或儀表做樣、分析系統故障停止等，會導致儀表不正常做樣，始終輸出上一次的檢測結果。當PLC程序運行至獲取水質數據步序時，獲取到的就是與實際水質數據不一致的上一次檢測結果。

② 儀表做樣、分析功能異常：儀表做樣、分析功能異常可能會造成檢測結果出現偏差，與實際水質數據不符。

③ 儀表數據轉化模塊異常：儀表數據轉化模塊異常會造成儀表輸出的信號與實際檢測結果不符，導致PLC接收到錯誤的水質數據。

除上述問題之外，還有其他問題，如：儀表老化等可能影響水質數據準確性的問題，導致儀表檢測結果與實際偏差較大。當獲取的水質數據高于實際值時，會導致加藥過程中鹽酸、氫氧化鈉、次氯酸鈉、氯化鈣的浪費。而當獲取的水質數據低于實際值時，可能會導致一次加藥量偏少需多次重復取樣加藥流程，浪費時間及資源，還可能會造成超標廢水的誤排放。因此在實施過程中，優化了其控制程序，修改如下：

每次取樣步序均執行兩次檢測，PLC對接收到的兩次水質數據進行可用性分析。可用性分析公式如公式（7）所示：

其中，A為第一次檢測結果，B為第二次檢測結果。儀表允許誤差為10%，邏輯設定當-0.001≤C≤0.001或C＞0.2或C＜-0.2，即當兩次水質數據幾乎無變化（排除信號波動的影響）或偏差＞20%時，判定水質監測儀表功能異常，水質數據不可用，需暫停系統人工干預。其他情況則判定水質監測儀表功能正常，繼續執行下一步序（加藥處理或排放）。

在實際調試過程中，又發現修改后的控制程序仍有問題。當廢水收集箱內水質數據低于排放標準較多，即實際水質檢測結果過小時，會出現上述計算中的C＞20%現象，但經過實驗，出現該現象時的檢測結果即使加上最大誤差，也仍低于排放標準，系統沒有必要在這種情況下重復取樣流程。因此，又對水質監測儀表可用性分析做了如下調整：

PLC程序內新增了判斷條件，當同一樣水的兩次檢測結果都低于排放標準的1/3，同時滿足-0.001≤C≤0.001時，判定該數據可用，執行下一步流程。

修改過后，系統運行效率大大提高，減少了非必要的取樣次數，大大降低了時間及資源成本。

3.2 取樣功能優化

在原設計中，該系統為全自動運行。如出現異常情況，系統將停止運行，直至系統恢復正常，才能繼續進入自動處理流程處理廢水。

為保證在水質監測儀表功能異常，且短時間內無法恢復正常時仍能處理非放生產廢水，實施期間在該系統的控制邏輯內增加了手動取樣功能。當水質監測儀表功能異常時，可以啟用該功能，將人工取樣結果輸入至PLC，然后繼續自動加藥步序。在自動加藥步序結束后，需再次輸入人工取樣結果，PLC自動判斷水質數據是否合格，合格則自動排放，不合格則繼續加藥流程，直至水質合格后自動排放。

3.3 加藥控制邏輯優化

在原設計中，PH調節控制邏輯不是計算過后精準加藥，而是在PH表檢測到廢水收集箱內PH值到達排放標準后，停止加藥。但根據經驗，在PH值為6～8之間時，加藥量對PH調節影響極大。PH表檢測到PH值滿足排放標準到加藥停止需要一定時間，由于現場工況復雜，該時間在每次處理時都可能不同，系統難以準確加藥，會造成加藥過量或多次加藥情況。因此，將PH調節控制邏輯優化為了前文所述的一次精準加藥模式，可以降低酸、堿的浪費的同時，亦節約了時間成本。

原設計中，氨氮處理控制邏輯是在固定時間內通過控制次氯酸鈉加藥泵頻率來控制次氯酸鈉加藥量，整套次氯酸鈉加藥流程所需時間為2.5h，耗時過長，且加藥過程中受到的影響因素過多，加藥準確度不高。因此，將氨氮處理控制邏輯優化為了前文所述的一次精準加藥模式。優化后的氨氮處理功能的效率更高，亦降低了次氯酸鈉的浪費。

3.4 其他優化

一鍵處理功能優化：新增了一鍵循環、一鍵取樣功能，使得運行人員可以在全自動處理流程之外手動執行部分程序塊。一鍵循環功能可以在滿足循環條件的情況下一直循環，直至按下一鍵取樣按鈕。一鍵取樣功能則是在滿足條件的情況下自動開始取樣分析，取樣成功后自動進入下一步加藥流程。

在原設計中，室外取樣管線采用了透明橡膠管。根據以往經驗，在室外無遮擋環境下，透明橡膠管極易老化，一旦破損，會影響系統正常運行。因此在實施過程中，將橡膠管更換為了不銹鋼管。

調試期間，在上位機畫面新增了設備狀態監測列表，便于判斷整個系統的狀態。

4 經驗反饋

在調試過程中，發生了在線監測間內PH表數據波動問題。經檢查，發現電纜屏蔽層接地線松動。電纜屏蔽層一端接地的目的就是利用抑制電勢電位差達到消除電磁干擾的效果[4]，如電纜屏蔽層接地不可靠，會導致該PH表信號受到干擾，產生波動現象。接地線重新緊固后，PH表波動現象消失。

在調試過程中發現水質監測間回水管未安裝止回閥，止回閥是指依靠介質本身流動而自動開閉閥瓣，允許介質單向流動的閥門[5]，未安裝止回閥會導致回水管內介質回流。同時，現場溢流管與回水管匯流后的管徑過小，導致水質監測儀表取樣口壓力過高。以上兩者都會影響儀表正常工作，影響水質數據的準確性。在回水管上安裝止回閥，將溢流管與回水管匯流后的管徑擴大后，水質監測儀表取樣恢復正常。

5 總結

該系統采用PLC控制，自動檢測及處理非放生產廢水，使其PH值，氨氮、總氮、總磷、COD含量合格后排放，降低了秦山地區海域水質的富營養化。在項目實施過程中做了多次優化，對采樣工藝、加藥邏輯、現場設備及安裝等都有所調整，使系統滿足不同工況下的運行需求，亦減少了資源浪費，節約了時間成本。

系統目前已預留通訊接口，可以在之后與智慧水務系統進行數據互通，便于集中管理。除此之外，系統也還有可以優化的方向，如優化氨氮、總氮含量檢測結果判定邏輯，更換液位計型號以達到準確測量廢水收集箱低液位的目的，將PLC柜轉移至更可靠的廠房放置等。

系統歷經設計、準備、調試4個月，目前已正式移交運行。系統運行良好，在核電領域是首次實施，是核電領域對于近岸海域污染防治的首次嘗試，該系統的成功經驗對核電領域其他機組具有借鑒意義。