基于泥浆法酸性污水处理的自动控制系统设计.pdf

6 6 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年第6 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s m1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 7 ．0 6 ．0 1 7 基于泥浆法酸性污水处理的自动控制系统设计 范凌霄，李强，刘利敏，连晓圆，李阳 北矿机电科技有限责任公司，北京1 0 0 1 6 0 摘要酸性矿山污水已经严重的危害了人类赖以生存的环境。本文设计了一款基于泥浆法酸性污水处理的自动控制 系统，该系统不仅实现了电石乳投放、絮凝剂加入、废水流量等自动化控制。同时采用了中和反应搅拌系统，提高了控制系统 的准确率。根据实验测试结果显示，设计的控制系统处理的某矿区的酸性废水能够达到国际一级排放标准，同时还可以有效 地降低运营成本。 关键词泥浆法；矿山；污水处理 中图分类号T D 9 2 8 ．6 ；T D 9 2 8 ．9文献标志码A 文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 7 0 6 - 0 0 6 6 - 0 5 D e s i g no fA u t o m a t i cC o n t r o lS y s t e mo nA c i dW a s t e w a t e r T r e a t m e n tT e c h n o l o g yb a s e do nM u dM e t h o d F A N GL i n g x i a o ，L IQ i a n g ，L I UL i m i n ，L I A NX i a o y u a n ，L I 地增 B G R I M MM a c h i n e r ya n dE l e c t r i c sT e c h n o l o g yC o ．，L t d ．，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t A c i dm i n ed r a i n a g eh a ss e r i o u s l ye n d a n g e r e dt h ee n v i r o n m e n tf o rh u m a ns u r v i v a l 。I nt h i sp a p e r ， a na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do nm u da c i d , w a s t e w a t e rt r e a t m e n ti sd e s i g n e d ．T h es y s t e mn o to n l yr e a l i z e st h e a u t o m a t i cc o n t r o lo fc a l c i u mc a r b i d em i l k ，f l o c c u l a n ta d d i t i o n ，w a s t ew a t e rf l o w ，e t c ．．A tt h es a m et i m e ，t h e n e u t r a l i z a t i o nr e a c t i o nm i x i n g s y s t e mi sa d o p t e dt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ec o n t r o ls y s t e m ．A c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t a lt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mo fa c i dw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti nam i n i n ga r e ac a n r e a c ht h ei n t e r n a t i o n a ll e v e le m i s s i o ns t a n d a r d ，b u ta l s od i r e c t l yr e d u c et h eo p e r a t i n gc o s t s ． K e yw o r d s m u dm e t h o d ；m i n e ；s e w a g et r e a t m e n t 虽然矿产资源促进了我国经济以及人们生活水 平的提升，但是矿产不合理的开采不仅对自然环境 造成严重的破坏，而且开采过程中排放的酸、碱性等 污水已经严重的危害了人类赖以生存的环境。矿山 排放的酸陛污水不仅具有较大的酸度，而且污水中 还含大量的铜、铅、锌、镉等重金属离子，如果未经过 合理的处理就进行排放至下游民用水域中，将会严 重污染水资源环境，同时使人们的用水安全造成严 重的危害。因此，国家环境保护部门以及国家各级 政府均认为矿山酸性矿山污水是所有采矿企业需要 解决的首要目标。 国内某矿区目前采用的是高浓度泥浆法工艺进 行污水处理，整个污水处理流程中很多工段都是采 用人工操作，工作量大，人力成本高，且工人的技术 水平参差不齐，很难保证工艺指标的稳定性，因此厂 区决定对污水处理系统进行自动化系统改造，降低 人力成本，同时提高污水处理效率。 l 泥浆法酸性废水处理工艺 目前，采矿企业废水处理一般采用石灰中和法、 高浓度泥浆法及堆浸喷淋处理工艺⋯。该矿区采用 的是高浓度泥浆法，首先将循环底泥与石灰进行混 和处理，然后将生产物通入反应池中与废水进行中 和反应旧1 ，反应后进人浓密池，浓密池中的底泥在添 加一定浓度的石灰后，返回到反应池中进行循环处 理。现场的污水处理工艺流程如图l 所示。 2 泥浆法自动化控制系统组成和功能 设计 在改造前，厂区的污水处理系统中的电石乳的 投放量、絮凝剂量等计量控制手段全凭人工根据系 统测试的液位、P H 值、s s 值、流量等数据进行控制。 收稿日期2 0 1 7 - 0 3 ．1 6修回日期2 0 1 7 - 0 9 - 2 4 作者简介范凌霄 1 9 8 3 一 ，男，山东烟台人，工程师，主要从事选矿自动化方面的工作。 万方数据 2 0 1 7 年第6 期范凌霄等基于泥浆法酸性污水处理的自动控制系统设计6 7 该矿区日处理酸性污水量达到15 0 0m 3 ，如果完成 依靠人工进行操作，则需要投入非常大的人力成本。 此外，由于污水处理程序过程繁琐，操作人员经常会 废水 曝气 出现误操作现象，使处理的污水达不到排放的标准， 污染环境。 絮凝 图1高浓度泥浆法处理工艺流程 F i g ．1 T h ep r o c e s sf l o wo fh i i g hd e n s i t ys l u d g e 该矿区进行自动化控制改造后，采用的污水处 理工艺控制流程如图2 所示。由设计图可以看出， 整个矿区的污水处理系统完全实现了自动化运转。 设计的自动化控制系统可以根据液位、P H 值、s s 值、 2 ．1 控制系统总体结构 生产回用 t 渣外运 流量等数据自动控制电石乳的投放量、絮凝剂量等 参数，不仅有效地降低了人力成本，提高了污水处理 效率，而且电石乳的投放量、絮凝剂量、废水流量等 污水处理参数控制更加精准，提高经济效益。 图2 矿山污水处理工艺控制流程 F i g ．2 T h ec o n t r o lf l o wo fm i n es e w a g et r e m m e n tp r o c e s s 本文设计的自动化控制系统总体结构如图3 所 予辛翠甲 万方数据 6 8 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年第6 期 示。此系统过程控制层采用西门子生产的产品来实 现系统对污水处理过程中的液位、p H 值、s S 值、流量 等数据测量，以及搅拌机、控制泵等控制，实现对电 石乳的投放量、絮凝剂量、废水流量等污水处理参数 的自动控制。同时其可以实现对污水处理过程进行 监控、显示以及报警等功能。 制层 处理过程 图3自动化控制系统总体结构 F i g ．3 T h es t r u c t u r eo fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m 该自动化系统可以在线p H 计测量反应池中废 水的p H 值，从而通过控制系统控制电石乳的投放 量，可以精确的控制电石乳的投放，减少石灰的用 量，提高系统的经济性。此外，该矿区设计的系统日 处理15 0 0m 3 酸性污水，在如此大的反应空间中，不 同区域的污水p H 值会存在差异，如果只采用p H 计 进行点检测，可能会影响系统的控制准确性，因此， 为了反应池内各处的P H 值相对保持一致，本设计的 控制系统中还采用了中和反应搅拌系统，此搅拌系 统可以根据反应池中废水总量来控制转速和转向， 提高了控制系统的准确性。 2 ．2 控制系统硬件选型 本文的控制系统硬件品牌及型号为 1 、工作站联想1 3 - 6 1 0 0 T ／4 G ／1 2 8 G ／W 7 ／2 1 ” 彩显； 2 、控制系统西门子3 0 0 系列P L C ； 4 、超声波液位计S i e m e n s ／西门子7 M L 5 4 3 0 ； 5 、P H 仪北京矿冶研究总院B P H M 型P H 计； 系统； 7 、电磁流量计西门子电磁流量计M A G 5 1 0 0 W M A G 5 0 0 0 。 2 ．3 系统设计需求 设计的酸性矿山污水处理控制系统不仅需达到 处理矿区酸、碱性废水要求的能力，而且需要达到中 华人民共和国污水综合排放标准G B 8 9 7 8 1 9 9 6 中 二级排放标准要求旧J 。 此外，酸性矿山污水处理控制系统满足以下设 计要求M 引 1 功能方面 1 设计的控制系统需要满足高密度泥浆法工 艺流程的处理能力，同时需要实现对污水处理全过 程2 4 小时在线监测及管理。此外设计的系统必须 具有良好的稳定性及可靠性。 2 可以对污水处理过程中各个参数进行实时 监测及反馈，有利于及时对处理工艺进行调整，有效 地降低能耗。 6 、S S 悬浮物监测仪H A W K 声波污泥物位 3 为了防止系统发生故障，需要设置有“自动 万方数据 2 0 1 7 年第6 期范凌霄等基于泥浆法酸性污水处理的自动控制系统设计 6 9 模式”及“手动模式”操作模式。通常系统调整在自 动模式下进行操作。一旦系统发生故障时，工作人 员可以启动手动模式对设备进行操作，此时的控制 系统对污水处理过程仍然具有监测功能。 4 设计的控制系统不仅需要满足操作界面简 洁美观、良好的人机交互性能，而且需要根据不同等 级对操作人员设计相应的管理权限，提高系统的安 全性能。 5 为了使电石乳使用完全，浓密池中还需要设 计底澄回流的功能，从而增加电石乳的利用率。 3 控制系统软件设计 本文采用西门子公司生产的S T E P 7 软件进行程 序的设计和开发。S T E P 7 软件不仅可以使用多种语 1 开停机 2 开停机 3 开停机 №． * 二i ． 言形式进行编程，而且具有对程序进行调试、系统故 障诊断及测试等功能，有效地降低了技术人员的工 作强度，减少程序安装时间。 当采用S E P 7 编辑程序完成后，经过编译器进行 编辑后可直接安装至P L C 中使用，在程序过程中完 全与S T E P 7 软件无关，因此S T E P ／软件仅仅具有编 辑程序的功能。 3 ．1 系统工艺流程程序设计 系统中P L C 主要是对污水处理系统中各种设备 的运行状态进行监测，同时完成控制层指令。本文 依据采用高密度泥浆法的矿山污水处理要求，对污 水处理系统的工艺流程程序进行了设计，达到对污 水处理系统中各类设备进行监测的目的。其流程图 如图4 所示。 上 1 0 1 0 4 1 1 1 杆泵 上 1 0 5 电r 黼橇 0 11 2 絮凝反应槽 1 0 1 1 5 浓密池 l 0 1 1 7 渣浆泵 图4P L C 污水处理系统的工艺流程流程图 F i g ．4 T h ep r o c e s sf l o wd i a g r a mo fs e w a g et I - e a t m e n ts y s t e m 根据图4 可知，在进行电石乳配备时，首先启动余的物料输送至投加箱 0 1 0 6 ，如果输送完成后，螺 电石乳消化器 0 1 0 2 设备后，斗式提升泵 0 1 0 1 、杆泵 0 1 0 4 将会停止工作。 加液泵 0 1 0 3 分别会往电石乳制备桶 0 1 0 5 中加在进行絮凝剂配制过程中，首先在絮凝剂配制 入石灰及水，当电石乳制备桶的液位上升到报警位装置 0 1 1 3 中将水与絮凝剂进行充分搅拌混合4 5 时，两泵将会停止运行，此时电石乳消化器将会把多m i n 后，再通过絮凝剂输送泵 0 1 1 4 进入配制好的 万方数据 7 0 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年第6 期 絮凝剂输送至絮凝反应槽中，同时往槽中加入药剂 进行反应，然后采用搅拌机进行搅拌4 5r a i n 。不断 循环上述过程。其中絮凝剂输送泵配备两台，一台 工作，另一台备用。 浓密池在进行底泥处理过程中，首先打开泥浆提 升泵 0 1 1 6 ，则浓密池中的底泥将会经过提升泵再次 进入回流搅拌桶中，当浓密池中的液位达到报警未 时，渣浆泵 0 1 1 7 将会工作将浓密池中的底泥抽走。 整个处理过程将会不断往复的重复上述处理过程。 3 ．2 P L C 软件程序设计 P L C 程序采用西门子S T E P 7 软件进行开发，整个 程序使用的是梯形图语言编写，采用模块化结构设 计，由一个主程序和多个子程序组成，如图5 所示。 开始 1 ． 初始化子程序 图5P L C 主程序的流程 F i g ．5 T h ep r o c e s so fP L Cm a i np r o g r a m 表1 7 r a b l e1 4 系统运行结果 通过采用本文设计的控制系统对该矿区处理的 酸性污水进行了试验检测，详细的研究了石灰用量、 曝气量、絮凝剂等污水处理工艺参数对处理效果的 影响。最终得到基于该矿山污水处理工艺的最优处 理工艺，其中各最优工艺参数为石灰加入至污水 P H 值约为9 、曝气量约为4L ／r a i n 、絮凝剂约为8 m g ／L ，同时对处理前、后的水质进行了检测，具体如 表1 所示。 由表I 可知，基于高密度泥浆法污水处理工艺， 本文设计的系统不仅可以提高酸性矿山污水的水 质，而且可以有效地提高酸性矿山污水处理工艺的 运行稳定性及可靠性。此外，进行改造前后处理污 水l m 3 的费用对比如表2 所示。 经过自动化控制改造后，虽然电费有所增加，但 是无论是石灰、絮凝剂的成本，还是人工费都降低 了，这也使得改造后污水处理所需的总成本也下降。 综上所述，污水处理系统经过自动化改造后，不仅可 以采用提高酸性矿山污水的水质，而且还可以有效 地降低运营成本。 5结论 本文设计的基于高浓度泥浆法工艺的自动控制 系统不仅实现了电石乳投放、絮凝剂加入、废水流量 等自动化，而且通过采用了中和反应搅拌系统来控制 搅拌系统的转速和转向，有效地提高了系统控制的准 确率。整个自动控制系统的应用不仅系统运行稳定， 而且有效地提高了生产效率以及设备管理水平。 污水处理前、后的金属离子含量 M e t a li o nc o n t e n tb e f o r ea n da f t e rs e w a g et r e a t m e n t 望笪生墅些垫型 墅 壁 处理前 3 ～62 04 9 61 ．82 80 ．96 ．5 2 3 5 6 0 3 2 0 处理后8 ．5 0 ．叭0 ．O l 0 ．0 10 ．0 70 ．0 3 0 ．0 10 ．3 8 0 ．5 1 1 0 ．0 1 表2 进行改造前后对比 T a b l e2 ’r h ec o n t r a s tb e f o r ea n da f t e rt h et r a n s f o r m a t i o n 参考文献 [ 1 ] 梁刚．有色金属矿山废水的危害及治理技术[ J ] ．金属 矿山，2 0 1 0 ，3 9 1 2 1 5 8 1 6 1 ． [ 2 ] 白怀良，钟铁，高铜生．矿山酸性废水治理H D S 工艺 技术研究[ J ] ．金属矿山，2 0 0 8 ，3 8 9 1 4 3 1 4 5 ，1 5 1 ． [ 3 ] 罗良德．利用H D S 技术处理铜矿山废水的试验研究 [ J ] ．铜业工程，2 0 0 4 2 1 7 ．1 9 ，4 7 ． [ 4 ] 杨晓松，刘峰彪，宋文涛，等。高密度泥浆法处理矿山酸 性废水[ J ] ．有色金属，2 0 0 5 ，5 7 4 9 7 ．1 0 0 ． [ 5 ] 李小生。德兴铜矿废水处理系统的H D S 工艺改造[ J ] ． 金属矿山，2 0 1 0 2 1 7 9 1 8 1 ． 口豢 _．．■。。■掣 万方数据