秦二廠首個非放生產(chǎn)廢水控制系統(tǒng)調(diào)試及優(yōu)化

王雁翎，劉思琦

（中核核電運(yùn)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(xiàn)為水體的富營養(yǎng)化，含氮、磷的廢水（如生活污水）未經(jīng)處理直排入海引發(fā)水土富營養(yǎng)化，污染近岸海域，后產(chǎn)生一系列的生態(tài)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(shí)《浙江省近岸海域污染防治實(shí)施方案》，秦二廠根據(jù)浙江省環(huán)保廳《關(guān)于開展入海排污口規(guī)范化整治提升工作的通知》的要求，新增了非放生產(chǎn)廢水處理系統(tǒng)，將秦二廠原排入雨排系統(tǒng)的非放生產(chǎn)廢水進(jìn)行雨廢分流改造，設(shè)置獨(dú)立生產(chǎn)廢水排水管線，并將上述非放生產(chǎn)廢水進(jìn)行收集，通過該系統(tǒng)對非放生產(chǎn)廢水進(jìn)行集中自動處理，使非放生產(chǎn)廢水排放滿足浙江省《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[2]。

PLC可以為各種自動化設(shè)備提供非?？煽康目刂茟?yīng)用，在進(jìn)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(tǒng)以PLC為控制核心，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的集中監(jiān)視，并對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行自動控制，滿足了自動處理非放生產(chǎn)廢水的需求，降低了非放生產(chǎn)廢水中的化學(xué)需氧量、氨氮、總氮和總磷含量。

1 非放生產(chǎn)廢水處理系統(tǒng)簡介

該系統(tǒng)收集上游廢水至廢水收集箱A及廢水收集箱B，通過水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備自動檢測廢水水質(zhì)，再通過酸堿調(diào)節(jié)裝置、次氯酸鈉加藥裝置、除磷裝置對廢水進(jìn)行自動處理。水質(zhì)處理檢測達(dá)標(biāo)后，由排水泵自動排放。該系統(tǒng)的設(shè)備概況如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)廢水處理系統(tǒng)設(shè)備概況圖Fig.1 Overview of production wastewater treatment system equipment

2 控制系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)采用西門子PLC SMART 200進(jìn)行控制，根據(jù)編制的程序以及采得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果通過信號輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)來控制系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行。系統(tǒng)首先通過水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備自動檢測廢水收集箱內(nèi)廢水水質(zhì)，再將檢測結(jié)果傳輸給PLC進(jìn)行分析處理。當(dāng)檢測結(jié)果PH值不合格時，經(jīng)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(zhǔn)加藥調(diào)節(jié)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(zhǔn)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(zhǔn)投加氯化鈣，期間產(chǎn)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(nèi)PH值、氨氮含量或總磷含量檢測結(jié)果合格，則跳過相應(yīng)加藥步序。在排放前，系統(tǒng)再次檢測廢水水質(zhì)，PH、氨氮、總氮、總磷、COD 五項(xiàng)均符合排放標(biāo)準(zhǔn)后自動排放。如檢測結(jié)果為水質(zhì)不合格，則自動繼續(xù)加藥步序，直至水質(zhì)合格后排放。硬件系統(tǒng)架構(gòu)及處理流程如圖2、圖3所示。

圖2 生產(chǎn)廢水系統(tǒng)架構(gòu)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(tǒng)邏輯

2.2.1 PH調(diào)節(jié)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(zhì)量；C為鹽酸濃度（31%）；H1為廢水收集箱實(shí)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(dá)計算時長后關(guān)閉酸加藥泵。廢水收集箱出口設(shè)有PH表，實(shí)時監(jiān)測廢水PH值。當(dāng)PH值到達(dá)8時，若酸加藥泵還未停止，則強(qiáng)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(zhì)量；C為NAOH濃度32%（業(yè)主提供數(shù)據(jù)）；H1為廢水收集箱實(shí)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(dá)計算時長后關(guān)閉堿加藥泵。廢水收集箱出口設(shè)有PH表，實(shí)時監(jiān)測廢水PH值。當(dāng)PH值到達(dá)7時，若堿加藥泵還未停止，則強(qiáng)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(shí)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(jī)設(shè)置的系數(shù)；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(dá)次氯酸鈉加藥停止液位后，關(guān)閉次氯酸鈉加藥泵。廢水收集箱出口設(shè)有余氯表，實(shí)時監(jiān)測廢水中余氯含量。當(dāng)廢水中余氯含量＞100mg/L時，若次氯酸鈉加藥泵還未停止，則強(qiáng)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(guān)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(chǎn)生的少量絮凝物。1h后，再關(guān)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(jié)束。

2.2.4 排放邏輯

化學(xué)除磷結(jié)束后，系統(tǒng)再次自動進(jìn)行水質(zhì)檢測。當(dāng)水質(zhì)數(shù)據(jù)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(jié)果為水質(zhì)不合格，則自動繼續(xù)加藥步序，直至水質(zhì)合格后排放。

3 調(diào)試及優(yōu)化

3.1 采樣工藝流程及其控制程序的優(yōu)化

3.1.1 水質(zhì)監(jiān)測儀表

水質(zhì)監(jiān)測儀表包含氨氮表、總氮表、總磷表、COD表及PH表，當(dāng)在線監(jiān)測間取樣泵開啟后，PH表可實(shí)時監(jiān)測廢水PH值，其它儀表無實(shí)時監(jiān)測功能，最長需1.33h后得到檢測結(jié)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(diǎn)做樣、間隔做樣及觸發(fā)做樣3種模式。整點(diǎn)做樣與間隔做樣都是儀表在固定時間自動做樣，觸發(fā)做樣功能是當(dāng)PLC向儀表發(fā)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(jié)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(jié)果輸出。

3.1.2 水質(zhì)監(jiān)測儀表控制優(yōu)化

在原設(shè)計中，全部水質(zhì)監(jiān)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(jié)果，無對儀表的控制信號。因此，儀表只能采用整點(diǎn)做樣或間隔做樣兩種模式，而這兩種模式無法滿足該系統(tǒng)自動處理需求。在PLC程序內(nèi)新增了水質(zhì)監(jiān)測儀表控制邏輯，當(dāng)廢水收集箱水循環(huán)結(jié)束后，在線監(jiān)測間取樣泵開啟，沖洗取樣管線5min。然后，以在線監(jiān)測間取樣泵開啟5min作為觸發(fā)條件，發(fā)送開始取樣信號，控制儀表開始做樣。同時在線監(jiān)測間取樣泵停止。

3.1.3 氨氮、總氮含量檢測工藝的優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況，非放生產(chǎn)廢水處理前氨氮含量最高達(dá)584mg/L，總氮含量最高達(dá)584ppm，而氨氮與總氮的排放標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致處理后廢水內(nèi)的氨氮和總氮含量檢測誤差過大，無法準(zhǔn)確檢測實(shí)際水質(zhì)，極大可能會造成誤排放。因此，對原采樣工藝進(jìn)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(xiàn)。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(jié)果差異較大，而在檢測之前，系統(tǒng)無法判斷廢水收集箱內(nèi)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(shù)據(jù)。因此，在系統(tǒng)控制邏輯中又新增了氨氮、總氮含量檢測結(jié)果判定邏輯。

在修改控制邏輯之前，先對儀表的輸出進(jìn)行了確認(rèn)。當(dāng)儀表檢測結(jié)果超量程時，輸出電流＞20mA；當(dāng)檢測結(jié)果未超量程時，輸出電流≤20mA?；诖?，將氨氮、總氮含量檢測結(jié)果判定邏輯設(shè)計為：

首先，對低量程儀表檢測結(jié)果進(jìn)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(jié)果作為廢水收集箱內(nèi)廢水實(shí)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(jié)果作為廢水收集箱內(nèi)廢水實(shí)際氨氮/總氮含量。

3.1.4 水質(zhì)監(jiān)測儀表數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性問題及優(yōu)化方式

該系統(tǒng)最初設(shè)計的采樣工藝流程為取樣一次，根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測儀表分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一步加藥流程。但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際運(yùn)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(fā)做樣功能失效或儀表做樣、分析系統(tǒng)故障停止等，會導(dǎo)致儀表不正常做樣，始終輸出上一次的檢測結(jié)果。當(dāng)PLC程序運(yùn)行至獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)步序時，獲取到的就是與實(shí)際水質(zhì)數(shù)據(jù)不一致的上一次檢測結(jié)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(jié)果出現(xiàn)偏差，與實(shí)際水質(zhì)數(shù)據(jù)不符。

③ 儀表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊異常：儀表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊異常會造成儀表輸出的信號與實(shí)際檢測結(jié)果不符，導(dǎo)致PLC接收到錯誤的水質(zhì)數(shù)據(jù)。

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(zhì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的問題，導(dǎo)致儀表檢測結(jié)果與實(shí)際偏差較大。當(dāng)獲取的水質(zhì)數(shù)據(jù)高于實(shí)際值時，會導(dǎo)致加藥過程中鹽酸、氫氧化鈉、次氯酸鈉、氯化鈣的浪費(fèi)。而當(dāng)獲取的水質(zhì)數(shù)據(jù)低于實(shí)際值時，可能會導(dǎo)致一次加藥量偏少需多次重復(fù)取樣加藥流程，浪費(fèi)時間及資源，還可能會造成超標(biāo)廢水的誤排放。因此在實(shí)施過程中，優(yōu)化了其控制程序，修改如下：

每次取樣步序均執(zhí)行兩次檢測，PLC對接收到的兩次水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可用性分析?？捎眯苑治龉饺绻剑?）所示：

其中，A為第一次檢測結(jié)果，B為第二次檢測結(jié)果。儀表允許誤差為10%，邏輯設(shè)定當(dāng)-0.001≤C≤0.001或C＞0.2或C＜-0.2，即當(dāng)兩次水質(zhì)數(shù)據(jù)幾乎無變化（排除信號波動的影響）或偏差＞20%時，判定水質(zhì)監(jiān)測儀表功能異常，水質(zhì)數(shù)據(jù)不可用，需暫停系統(tǒng)人工干預(yù)。其他情況則判定水質(zhì)監(jiān)測儀表功能正常，繼續(xù)執(zhí)行下一步序（加藥處理或排放）。

在實(shí)際調(diào)試過程中，又發(fā)現(xiàn)修改后的控制程序仍有問題。當(dāng)廢水收集箱內(nèi)水質(zhì)數(shù)據(jù)低于排放標(biāo)準(zhǔn)較多，即實(shí)際水質(zhì)檢測結(jié)果過小時，會出現(xiàn)上述計算中的C＞20%現(xiàn)象，但經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)該現(xiàn)象時的檢測結(jié)果即使加上最大誤差，也仍低于排放標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)沒有必要在這種情況下重復(fù)取樣流程。因此，又對水質(zhì)監(jiān)測儀表可用性分析做了如下調(diào)整：

PLC程序內(nèi)新增了判斷條件，當(dāng)同一樣水的兩次檢測結(jié)果都低于排放標(biāo)準(zhǔn)的1/3，同時滿足-0.001≤C≤0.001時，判定該數(shù)據(jù)可用，執(zhí)行下一步流程。

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

3.2 取樣功能優(yōu)化

在原設(shè)計中，該系統(tǒng)為全自動運(yùn)行。如出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)將停止運(yùn)行，直至系統(tǒng)恢復(fù)正常，才能繼續(xù)進(jìn)入自動處理流程處理廢水。

為保證在水質(zhì)監(jiān)測儀表功能異常，且短時間內(nèi)無法恢復(fù)正常時仍能處理非放生產(chǎn)廢水，實(shí)施期間在該系統(tǒng)的控制邏輯內(nèi)增加了手動取樣功能。當(dāng)水質(zhì)監(jiān)測儀表功能異常時，可以啟用該功能，將人工取樣結(jié)果輸入至PLC，然后繼續(xù)自動加藥步序。在自動加藥步序結(jié)束后，需再次輸入人工取樣結(jié)果，PLC自動判斷水質(zhì)數(shù)據(jù)是否合格，合格則自動排放，不合格則繼續(xù)加藥流程，直至水質(zhì)合格后自動排放。

3.3 加藥控制邏輯優(yōu)化

在原設(shè)計中，PH調(diào)節(jié)控制邏輯不是計算過后精準(zhǔn)加藥，而是在PH表檢測到廢水收集箱內(nèi)PH值到達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)后，停止加藥。但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在PH值為6～8之間時，加藥量對PH調(diào)節(jié)影響極大。PH表檢測到PH值滿足排放標(biāo)準(zhǔn)到加藥停止需要一定時間，由于現(xiàn)場工況復(fù)雜，該時間在每次處理時都可能不同，系統(tǒng)難以準(zhǔn)確加藥，會造成加藥過量或多次加藥情況。因此，將PH調(diào)節(jié)控制邏輯優(yōu)化為了前文所述的一次精準(zhǔn)加藥模式，可以降低酸、堿的浪費(fèi)的同時，亦節(jié)約了時間成本。

原設(shè)計中，氨氮處理控制邏輯是在固定時間內(nèi)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(zhǔn)確度不高。因此，將氨氮處理控制邏輯優(yōu)化為了前文所述的一次精準(zhǔn)加藥模式。優(yōu)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(fèi)。

3.4 其他優(yōu)化

一鍵處理功能優(yōu)化：新增了一鍵循環(huán)、一鍵取樣功能，使得運(yùn)行人員可以在全自動處理流程之外手動執(zhí)行部分程序塊。一鍵循環(huán)功能可以在滿足循環(huán)條件的情況下一直循環(huán)，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(jìn)入下一步加藥流程。

在原設(shè)計中，室外取樣管線采用了透明橡膠管。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在室外無遮擋環(huán)境下，透明橡膠管極易老化，一旦破損，會影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。因此在實(shí)施過程中，將橡膠管更換為了不銹鋼管。

調(diào)試期間，在上位機(jī)畫面新增了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測列表，便于判斷整個系統(tǒng)的狀態(tài)。

4 經(jīng)驗(yàn)反饋

在調(diào)試過程中，發(fā)生了在線監(jiān)測間內(nèi)PH表數(shù)據(jù)波動問題。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)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(dá)到消除電磁干擾的效果[4]，如電纜屏蔽層接地不可靠，會導(dǎo)致該P(yáng)H表信號受到干擾，產(chǎn)生波動現(xiàn)象。接地線重新緊固后，PH表波動現(xiàn)象消失。

在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測間回水管未安裝止回閥，止回閥是指依靠介質(zhì)本身流動而自動開閉閥瓣，允許介質(zhì)單向流動的閥門[5]，未安裝止回閥會導(dǎo)致回水管內(nèi)介質(zhì)回流。同時，現(xiàn)場溢流管與回水管匯流后的管徑過小，導(dǎo)致水質(zhì)監(jiān)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(zhì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(kuò)大后，水質(zhì)監(jiān)測儀表取樣恢復(fù)正常。

5 總結(jié)

該系統(tǒng)采用PLC控制，自動檢測及處理非放生產(chǎn)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(qū)海域水質(zhì)的富營養(yǎng)化。在項(xiàng)目實(shí)施過程中做了多次優(yōu)化，對采樣工藝、加藥邏輯、現(xiàn)場設(shè)備及安裝等都有所調(diào)整，使系統(tǒng)滿足不同工況下的運(yùn)行需求，亦減少了資源浪費(fèi)，節(jié)約了時間成本。

系統(tǒng)目前已預(yù)留通訊接口，可以在之后與智慧水務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)互通，便于集中管理。除此之外，系統(tǒng)也還有可以優(yōu)化的方向，如優(yōu)化氨氮、總氮含量檢測結(jié)果判定邏輯，更換液位計型號以達(dá)到準(zhǔn)確測量廢水收集箱低液位的目的，將PLC柜轉(zhuǎn)移至更可靠的廠房放置等。

系統(tǒng)歷經(jīng)設(shè)計、準(zhǔn)備、調(diào)試4個月，目前已正式移交運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行良好，在核電領(lǐng)域是首次實(shí)施，是核電領(lǐng)域?qū)τ诮逗Ｓ蛭廴痉乐蔚氖状螄L試，該系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)對核電領(lǐng)域其他機(jī)組具有借鑒意義。