基于物化处理方法的危险废弃物处置控制系统设计

杨 程 高少峰 王 玥 孔 超 郑 劲

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司）

随着工业的发展，实际生产过程中产生的危险废弃物日益增多，危险废弃物的减量化、无害化处置已成为工业生态链不可或缺的最后一环。目前， 我国危险废弃物处置方法主要有焚烧法、安全填埋法、固化法及物化法等［1］，其中物化法是利用物理、化学方法通过酸碱中和、氧化还原及沉淀等方式，将有害物质转化为无害的最终产物［2］。为了更好地保证工艺流程顺利进行，提高危险废弃物无害化、减量化的处置效果，同时提高设备的自动化水平，笔者以青岛危险废弃物处置项目物化处理工段为例，在物化处理工艺流程中引入先进的PLC 控制系统， 由PLC 确保物化处理工段能够按照工艺要求和操作规程实现设备的自动化运行，并通过上位监控计算机对整个工艺流程进行监控、统计分析，达到降低运营成本、提高运行效率等目的。

1 物化处理工艺流程

本项目的处理对象分为重金属废酸碱与废乳化液两类，针对不同的处理对象采用不同的处理工艺流程。

重金属废酸碱处理工艺流程如图1 所示。 首先将含六价铬离子的表面处理废液用泵打入反应槽，通过pH 计调节废酸液的投加量，使混合废液pH 值在3～4 之间；然后加入硫酸亚铁溶液，用硫酸亚铁还原Cr6+，并根据氧化还原电位（Oxidation-Reduction Potential，ORP）值控制氧化还原终点；再通过pH 计调节废碱液的投加量，保证pH 值在10～11 之间， 使污水中的重金属离子沉降分离出来；当废酸、废碱液量不足时可用药剂硫酸或烧碱补充。 为了便于分离不溶性的重金属碱， 可以向中和反应槽内添加适量的絮凝剂（可采用明矾水溶液），促使重金属碱颗粒经搅拌后长大成絮状物而更便于后续的分离。 反应槽内的料液经泥浆泵送至过滤单元，滤渣装桶送往固化车间进行固化，滤液则用泵送往污水处理车间进行集中处理。

图1 重金属废酸碱处理工艺流程

废乳化液处理工艺流程如图2 所示。 考虑到 废乳化液中可能含有其他杂质，因此设置预处理装置，以去除其中的固体和漂浮物。 预处理后的废液经泵提升至废乳化液储槽中，均匀水质和水量。 均质后的乳化废液经泵提升进入隔油池去除浮油，然后泵送至气浮破乳槽，根据来料废液特性的不同，依次投加不同种类的复合破乳剂进行破乳， 使废液中的乳化油转化为浮油以便于去除，从而降低废液中的有机物。 破乳后的废液经气浮后进一步去除其中的细微杂质等。 气浮产生的浮渣送至焚烧车间， 出水经泵提升至氧化槽，对氧化槽中的废液首先调节其pH 值， 然后依次投加不同种类的复合氧化剂（硫酸亚铁、双氧水等），以进一步降解去除废水中残留的有机物。

图2 废乳化液处理工艺流程

2 物化处理自控系统

2.1 检测仪表

整套物化处理工艺流程可以分为废料、药剂储罐系统、泵送系统和反应系统，本着技术先进、经济适用的原则， 并根据工艺流程的检测需求，在重要设备与管道设置坚固耐用、 稳定性好、防护等级高、环境适应性强的在线检测仪表，具体配置如下：

a. 压力测量。 在重要加药泵、输送泵出口设置隔膜压力变送器，避免腐蚀性介质与传感器直接接触，延长仪表使用寿命。

b. 液位测量。 在各酸碱储罐、加药储罐、反应罐设置远传与就地液位测量仪表，本项目中选择的是耦合性磁致伸缩液位计（防腐型），该仪表将磁翻板液位计与磁致伸缩液位计合二为一，能同时满足就地显示与实时远传功能。 同时磁致伸缩传感器元器件不与腐蚀性介质直接接触，为间接测量，在满足测量精度的前提下，充分考虑了经济性，节约了成本。

c. 流量仪表。 在重要加药泵、输送泵出口设置流量检测仪表，对于腐蚀性介质，选择电极材料为哈氏合金HC 的电磁流量计； 对于部分流速低于电磁流量计检测下限值的管道，选用防腐型金属管浮子流量计，以确保流量检测精度。

d. 温度仪表。 在重要储罐设置防腐型双金属温度计，除此之外，考虑综合反应槽为典型的放热反应，为避免事故发生，设置防腐型热电阻，并利用PLC 实时监控其温度。

e. 分析仪表。 在综合反应槽安装pH 计和ORP 检测仪表，并配备伸缩式安装支架，达到快捷安装、方便检修的目的。

通过以上在线检测仪表，实现了物化处理工艺流程重要参数的实时检测，为控制系统提供了准确的底层数据。

2.2 计算机监控系统

计算机监控系统采用PLC 和上位机组成的系统架构，系统采用3 级控制层，即手动控制、自动控制和控制室操作站控制。 手动控制具有最高控制优先级，由配电屏或就地控制柜上的按钮完成控制；自动控制由物化PLC 控制系统按照预先编制好的程序对设备进行自动控制；控制室操作站控制是指通过控制室内上位机对生产进行调度管理。 本系统具有完善的硬件、软件故障诊断和自诊断功能，能够自动记录故障报警并提示维护人员进行维护［3］。

PLC 配备高性能的CPU 和支持带电热插拔的I/O 模块，对物化处理流程的所有工艺参数、电气参数和主要设备的运行状态进行实时监控，利用数据库、 算法库对采集到的底层数据进行运算，并通过设定的程序将控制信号传输至现场执行机构，完成控制任务。 主要控制回路如下：

a. 高低液位启停泵。 各储罐的液位计实时检测罐内介质的液位，并联锁相应的输送泵，例如原料酸储罐液位高高报警、联锁停止原料酸卸料泵，酸加药罐液位低低报警、联锁关闭酸加药泵。

b. 累计流量启闭气动阀门。 加药管道流量计对加药流量进行累积计算， 当达到设定值时，关闭相关管道气动开关阀，例如聚合氯化铝（Polyaluminium Chloride，PAC） 加药罐泵出口流量累积控制PAC 至综合反应槽的加药量。

c. 分析仪表联锁输送泵、开关阀。 在储罐安装pH 计、ORP 检测仪表，根据pH 值控制相应阀门，例如综合反应槽pH 值控制酸、碱投加管道气动开关阀，综合反应槽ORP 值联锁关闭次氯酸钠加药泵。

在物化车间设置车间级控制室，控制室操作员站互为冗余，每台上位机能随时独立完成图像管理控制、数据保存、系统再生及数据处理等不同任务。 各操作员站以流程图、趋势图及列表等形式监控物化处理流程的检测参数与报警状态，提供数据存储与查询、报警和打印功能。 操作员能在控制室利用SCADA 组态组件， 使用鼠标与键盘进行设备启停、阀门开度调节、某些参数设定值修正等操作（软手操），实现数据采集、指令发送等功能。

同时， 计算机监控系统预留有工业以太网TCP/IP 通信接口，利用光纤环网将本工段过程数据上传至厂级中央控制室内，以实现危险废弃物处置厂数据共享和统筹管理的目标［4］。

物化处理控制系统网络架构如图3 所示。

图3 物化处理控制系统网络架构

2.3 视频监控系统

在物化处理车间的重要监控点设置高清星光级网络摄像头，视频信号传输至物化处理车间控制室，操作员在控制室内即可实现设备的实时监控，以便及时发现现场问题，避免事故的发生。视频数据存储于网络硬盘录像机中， 采用H.265编码格式， 支持720p 分辨率视频存储30 天，监视器采用32 寸LED 液晶屏幕， 通过HDMI 接口与硬盘录像机连接。 本项目视频监控采用网络视频监控模式，与传统的模拟监控系统相比，网络数字摄像机具有更高的分辨率与更好的集成音频，而且系统组网接口灵活，可以即插即用，拓展方便。同时，网络摄像头选用POE 供电方式，利用POE 供电模块不会造成电能的浪费，有效节约能源，并且供电难度低，只需要对交换机集中供电即可，具有管理容易、经济安全的优势。

3 结束语

针对青岛危险废弃物物化处理工艺流程，笔者设计了一套集PLC 技术、网络通信技术、组态技术和视频监控技术于一体的自动控制方案，该方案体现了分散控制、 集中管理的设计理念，实现了物化处理工艺的自动化、 智能化运行需求。通过高度自动化的监控与管理，为危险废弃物处置合理调度、 综合管理提供了强有力的技术依托。