利用排放距離控制初期雨水中重金屬污染物含量

汪良珠

(株洲市規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 湖南 株洲 412007)

利用排放距離控制初期雨水中重金屬污染物含量

汪良珠

(株洲市規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 湖南 株洲 412007)

針對(duì)大型重金屬冶煉企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵飄落物等重金屬污染物情況，對(duì)初期雨水沖刷企業(yè)露天部位所產(chǎn)生的初期雨水重金屬污染物總量和排放距離關(guān)系進(jìn)行了探討，總結(jié)了利用排放距離控制初期雨水中重金屬污染物含量的方法。

煙塵； 重金屬； 初期雨水； 排放距離

1 重金屬污染物來(lái)源

采用火法與濕法進(jìn)行生產(chǎn)的大型重金屬冶煉企業(yè)露天部位的含重金屬污染物主要是以下幾條途徑產(chǎn)生：

1)煙塵飄落；

2)輸送系統(tǒng)的泄漏；

3)生產(chǎn)系統(tǒng)的跑、冒、滴、漏；

4)車(chē)輛運(yùn)輸過(guò)程的散失；

5)露天堆積場(chǎng)地的損失。

在生產(chǎn)正常進(jìn)行的情況下，以第一種途徑為主。重金屬冶煉產(chǎn)生的煙塵主要是通過(guò)煙囪排放，根據(jù)煙囪的高度可以劃分為低空排放和高空排放兩種形式。一般情況下，高空排放的煙塵降沉區(qū)域在生產(chǎn)區(qū)域下風(fēng)方向一定距離地方，低空排放的煙塵有很多是降落在企業(yè)生產(chǎn)區(qū)域。重金屬冶煉企業(yè)煙塵含有各種重金屬，如鉛、鋅、銅等，同時(shí)還含有二氧化硫及蒸氣，它具有散落快、散落物較均勻、總量與時(shí)間成正比等特征。

煙塵降落露天部位含重金屬降落物的體積可以表示為：

(1)

式中：V為露天部位含重金屬降落物的體積，m3；si為露天部位面積，m2；hi為露天部位相應(yīng)范圍的含重金屬降落物堆積厚度，m；

在一定時(shí)期內(nèi)，如果企業(yè)未進(jìn)行大面積的技改，可以視si為不變的。

當(dāng)企業(yè)生產(chǎn)正常進(jìn)行時(shí)，hi值的影響因素有：

1) 與堆積時(shí)間t成正比；

2)與氣候因素中的風(fēng)速相關(guān)。風(fēng)速大擴(kuò)散效果好，降落物就少，hi也相應(yīng)減小。

3)與降雨時(shí)間間隔相關(guān)。每次降雨都會(huì)對(duì)露天部位重金屬物造成沖刷減小hi值。

4)與空氣對(duì)流、生產(chǎn)設(shè)備管理、生產(chǎn)情況等有關(guān)。

2 影響初期雨水中重金屬污染物含量的因素

2.1 雨水的沖擊

假設(shè)露天部位含重金屬污染物堆積層在外力(降雨沖擊、浸潤(rùn)，機(jī)械作用等)作用前由形狀規(guī)則的微團(tuán)組成，這些微團(tuán)外形在整個(gè)排水過(guò)程不發(fā)生改變。隨水流流動(dòng)之前，它的受力情況如圖1所示。

豎直向下的重力mig、垂直于支持面向上的支持力N,沿支持面切線向上的靜摩擦力f。它們之間關(guān)系為：

N-migcosθ=0

(2)

migsinθ-f=0

(3)

其中：N為支持力，N；f為靜摩擦力，N；mi為微團(tuán)質(zhì)量，kg；θ為露天部位傾角，(°)。

微團(tuán)沿露天部位支承面下滑的條件：露天部位含重金屬物質(zhì)堆積達(dá)到足夠的厚度使得累積起來(lái)的migsinθ≥f最大，有了克服最大靜摩擦力的分力，堆積物可以開(kāi)始滑動(dòng)。這就要求θ足夠大或露天部位的最大靜摩擦力盡可能小。過(guò)度增大θ對(duì)生產(chǎn)、使用不方便，不經(jīng)濟(jì)。盡可能減小最大靜摩擦力，從摩擦力系數(shù)可知，只有使用合適的材料。但是材料的選用必須考慮生產(chǎn)安全、經(jīng)濟(jì)的要求。重金屬冶煉企業(yè)地面根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境不同，一般采用混凝土、瀝青、耐酸陶瓷等地面。重金屬冶煉企業(yè)建筑物的屋面材料和一般建筑物屋面材料沒(méi)有太大的區(qū)別。

圖1 旱季含重金屬污染物微團(tuán)受力分析圖

圖2 降雨對(duì)堆積物微團(tuán)沖擊力示意圖

當(dāng)雨水繼續(xù)滲入堆積層產(chǎn)生浸潤(rùn)，使其和支持面間摩擦力減小，大量的堆積層以流體狀態(tài)下滑，所以堆積層隨雨水流動(dòng)的關(guān)鍵是克服摩擦力。而降水的暴雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)影響微團(tuán)克服上述摩擦力。

2.2 含重金屬污染物的流動(dòng)

在一定水流作用下，含重金屬污染物由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)叫做啟動(dòng)，這時(shí)流速稱(chēng)為啟動(dòng)流速，含重金屬污染物微團(tuán)的啟動(dòng)流速可以參考泥沙顆粒的啟動(dòng)流速計(jì)算，即可按公式(4)計(jì)算

(4)

式中：U0為微團(tuán)的啟動(dòng)流速，m/s；h為水深，m;d為溝渠(管道)內(nèi)含重金屬污染物粒徑,m；ρs、ρ為含重金屬污染物和水的密度，kg/m3。

從啟動(dòng)速度公式可知選定某一觀察微團(tuán)之后即ρs、d為定值，那么U0和水深度成正比了。

l為從啟動(dòng)點(diǎn)到進(jìn)入污水處理構(gòu)筑物距離，m；

v為流動(dòng)過(guò)程的流速，m/s。

污染物隨雨水排放過(guò)程可以分為兩個(gè)階段:

第一階段從露天部位到第一個(gè)雨水口，其流動(dòng)過(guò)程可以分為：露天部位流動(dòng)→地面→雨水口(溝渠入口)。進(jìn)入排水溝渠(管道)后，為第二階段。

第二階段即從雨水口(溝渠入口)起，按支渠(支管)→干渠(干管)→主干渠(主干管)→處理構(gòu)筑物的軌跡。由于重金屬冶煉企業(yè)的礦漿黏性大、容易阻塞排水通道，為了清通方便一般采用溝渠。

2.3 含重金屬污染物的排放要求

積塵進(jìn)入雨水后，它們的流動(dòng)情況和雨水的流速、管(溝、渠)的局部阻力系數(shù)、沿程阻力系數(shù)有關(guān)，綜合起來(lái)可以用下式表示：

(5)

式中：n為管渠粗糙系數(shù)；R為水力半徑，m；i為水力坡度。

由于污染物排放由濃度控制轉(zhuǎn)向總量控制，所以，盡可能全部地將每場(chǎng)降雨的初期雨水中露天部位重金屬污染物排入處理設(shè)施是規(guī)劃設(shè)計(jì)雨水排水必須考慮的問(wèn)題。因?yàn)閂=qt，假設(shè)在初期降雨過(guò)程中q不變，如果t增大，無(wú)疑會(huì)增大V即增大處理廢水量，全程時(shí)間t=∑L/v，污染物排放從濃度和總量?jī)蓚€(gè)方面來(lái)控制。濃度要求小于最高容許排放濃度、排放總量要求小于所容許的總量，所以要求受控制的雨水中污染物在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入到處理設(shè)施中。

進(jìn)入初期雨水的重金屬污染物的總量為：

(6)

(7)

式中：Cr為污染物濃度；Cr0為積分常數(shù)，表示降雨開(kāi)始時(shí)的污染物濃度；hT為總凈雨深，m；F為流域面積，km2；MW為污染物總量，kg。

MW=qcFT

(8)

式中：qc為污染物沖刷率模數(shù)；T為降雨沖刷歷時(shí)，h。

理論上，污染物應(yīng)該全部進(jìn)入污水處理系統(tǒng)，事實(shí)上難以做到，因?yàn)椋?/p>

(1)全部污染物都進(jìn)入污水處理系統(tǒng)勢(shì)必增大初期雨水收集量，即增大處理負(fù)荷；

(2)全部含污染物初期雨水都進(jìn)入可能降低污染物濃度、降低處理效率；

(3)全部初期雨水中重金屬污染物都進(jìn)入處理系統(tǒng)，忽視了重金屬污染物處理的系統(tǒng)性，如江河湖泊中生物對(duì)重金屬的吸附轉(zhuǎn)化。

控制初期雨水排入處理設(shè)施的時(shí)間是關(guān)鍵。這個(gè)時(shí)間難以固定，需要根據(jù)季節(jié)、兩次降雨間隔長(zhǎng)短、生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行情況、露天部位污染物積集情況來(lái)確定，對(duì)于指定考察企業(yè)通過(guò)多年的運(yùn)行觀察，可以根據(jù)各種情況下降雨情況來(lái)確定初期雨水時(shí)間，據(jù)資料，一般初期雨水控制在30分鐘左右。

由此可見(jiàn)在經(jīng)濟(jì)上節(jié)約、技術(shù)上可行、環(huán)境保護(hù)上安全可行的要求下，大型重金屬冶煉企業(yè)初期雨水排放的原則應(yīng)該是排放距離盡可能便捷、排放時(shí)間盡可能短、排放的污染物量盡可能大。綜合這幾個(gè)方面的要求布置雨水排水系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該是分區(qū)布置，根據(jù)污染程度輕重、綜合考慮污染程度嚴(yán)重的廠區(qū)排水距離應(yīng)該最短、污染程度輕的可以相對(duì)長(zhǎng)。

納入處理范圍的初期雨水污染物排放過(guò)程，即污染物脫離露天部位支持面隨降雨在排放系統(tǒng)中流動(dòng)，最終進(jìn)入污水處理系統(tǒng)。

2.4 排放距離和量的關(guān)系

企業(yè)生產(chǎn)區(qū)域范圍小，可以通過(guò)工程措施做到初期雨水排水的管(溝渠)的n、i基本相同。R主要和排水管(溝渠)斷面尺寸及雨水匯集量有關(guān)。暴雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)有關(guān)，由暴雨強(qiáng)度公式及雨水排水公式可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于企業(yè)雨水排水，可以通過(guò)設(shè)計(jì)，使得企業(yè)各分區(qū)雨水排水至控制斷面的距離、匯水面積基本相等。排水管(渠)由于距離影響雨水排放時(shí)間，那么，排水管(渠)的布置形式、距離選擇都有重大影響。

雨水排水主、干管(渠)是輕、中、重污染區(qū)雨水總匯，所以雨水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮企業(yè)生產(chǎn)布局、污染物排放情況。通過(guò)等距離、等匯水面積的措施，可以達(dá)到重金屬冶煉企業(yè)重金屬堆積物在每場(chǎng)降雨的初期排水，基本同時(shí)排入重金屬污水處理設(shè)施。從而可以最大限度地將初期雨水納入處理范圍，收納的初期雨水量又最小。將污染區(qū)的排放規(guī)劃得離處理設(shè)施最近，輕污染區(qū)的排放距離次之，清潔區(qū)的排放距離最遠(yuǎn)。這種布置有利于在確定的初期雨水排放時(shí)間內(nèi)最大限度地將企業(yè)露天部位重金屬污染物納入處理設(shè)施，同時(shí)進(jìn)入處理設(shè)施的初期雨水最少。有利于初期雨水中污染物總量的控制。圖3為企業(yè)雨水排放規(guī)劃示意圖。

3 控制污染物排放量途徑

3.1 技術(shù)方面

從根本上減少生產(chǎn)過(guò)程中露天部位含重金屬污染物積塵量才是減少重金屬?gòu)U水處理設(shè)施初期雨水中含重金屬污染物量的關(guān)鍵，它可以分為以下幾個(gè)方面：

(1)工藝和物料。

選用不產(chǎn)生或少產(chǎn)生粉塵的工藝、采用無(wú)害或危害性較小的物料是消除減弱粉塵危害的根本途徑。

圖3 重金屬冶煉企業(yè)雨水排放規(guī)劃示意圖

(2)限制(抑制)揚(yáng)塵和粉塵擴(kuò)散。

a.采用密閉管道輸送、密閉自動(dòng)機(jī)械稱(chēng)量、密閉加工，防止粉塵外逸。不能完全密閉的塵源在不妨礙操作的條件下盡可能采用半封閉罩隔離室等設(shè)施來(lái)隔絕。減少粉塵加工場(chǎng)所空氣接觸，將粉塵限制在局部范圍內(nèi)減弱粉塵的擴(kuò)散。

b.通過(guò)降低物料落差適當(dāng)降低溜槽斜度、隔絕氣流減少誘導(dǎo)空氣量和設(shè)置空間等方法抑制正壓造成的揚(yáng)塵。

c.對(duì)親水性弱粘性的物料和粉塵盡量采用增濕排污、噴蒸汽等措施可以消減、抑制物料在裝卸轉(zhuǎn)運(yùn)、破碎篩分混合和清掃等過(guò)程中發(fā)出粉塵和擴(kuò)散，充分噴霧有助于室內(nèi)飄塵的凝聚降落。對(duì)振動(dòng)篩、破碎機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)等開(kāi)放性塵源均可用高壓靜電抑塵裝置有效地抑制含重金屬粉末的擴(kuò)散。

d.為消除二次塵源、防止二次揚(yáng)塵，應(yīng)在設(shè)計(jì)中合理布置、盡量減少積塵平面。地面、墻面應(yīng)平整、光滑，便于清掃。使用負(fù)壓清掃裝置來(lái)清除逸散沉積在地面、墻壁、構(gòu)件和設(shè)備上的粉塵，嚴(yán)禁用吹掃方式清掃積塵。

3.2 綠化生產(chǎn)廠區(qū)

重金屬污染物排放量一定時(shí)間內(nèi)是確定的，如果通過(guò)綠化以植物吸收地面的重金屬，則可以減少被沖刷進(jìn)入初期雨水的重金屬總量。植物吸收重金屬的能力和植物種類(lèi)相關(guān)，吸收重金屬總量則與綠化面積相關(guān)。

4 結(jié)論

重金屬冶煉企業(yè)生產(chǎn)區(qū)域的露天部位含重金屬的堆積層被雨水沖刷形成初期雨水污染物需進(jìn)行處理，處理的初期雨水量的控制既要以濃度作為控制指標(biāo)又要以總量作為控制指標(biāo)，所以只有通過(guò)規(guī)劃將生產(chǎn)企業(yè)的不同程度污染區(qū)、不同生產(chǎn)區(qū)域按照離控制斷面由近到遠(yuǎn)的方式進(jìn)行分區(qū)控制，排水管(渠)的內(nèi)底縱坡規(guī)劃為保證匯水時(shí)間相近，保證在控制的時(shí)間內(nèi)讓各分區(qū)的污染物都匯入處理構(gòu)筑物。

[1]嚴(yán)煦世,范瑾初.給水工程[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1999,12.

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Controlofamountsofheavymetalspollutantininitialrainwaterusingdischargingdistance

WANG Liang-zhu

In view of the situations of heavy metals pollutant like ash in smoke produced in the production process in large-scale heavy metals smelter, the relationships between discharging distance and total pollutant amounts of heavy metals in initial rainwater in outdoor part washed by initial rainwater was discussed, and the methods to control the pollutant amounts of heavy metals in initial rainwater using discharging distance was summarized.

smoke; heavy metal; initial rainwater; discharging distance

汪良珠(1966—)，男，湖南瀏陽(yáng)人，給排水高級(jí)工程師，主要從事給排水設(shè)計(jì)。

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