楊富民
(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司,四川 都江堰,611830)
近年,中國(guó)憑借一系列大規(guī)?;A(chǔ)建設(shè)和超級(jí)工程,被冠以“基建狂魔”的稱(chēng)號(hào)。中國(guó)基建發(fā)展離不開(kāi)混凝土,更離不開(kāi)號(hào)稱(chēng)基建糧食的砂石骨料。改革開(kāi)放40多年來(lái),砂石產(chǎn)量更作為反映我國(guó)建設(shè)活動(dòng)活躍與否的重要指標(biāo)[1]。砂石系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水,具有微細(xì)顆粒,與水形成固、液混合態(tài)、濁度高、產(chǎn)量大等特點(diǎn),懸浮物濃度一般為20000mg/L~90000mg/L[2]。廢水處理不當(dāng),極易造成江河水體污染,糧食減產(chǎn)等環(huán)境污染事故。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)關(guān)于砂石生產(chǎn)系統(tǒng)廢水處理的工藝方法眾多,較為成熟的工藝流程大體可分為預(yù)沉(粗、細(xì)砂回收)、濃密(細(xì)砂及石粉回收)、廢漿脫水(天然曬干或機(jī)械壓制)及清水回收利用等幾個(gè)環(huán)節(jié)[3]。
預(yù)沉處理主要是將廢水中≥0.08mm以上的顆粒進(jìn)行處理并回收的過(guò)程。回收的粗細(xì)砂可以回?fù)饺氤善飞爸幸愿纳苹炷列阅?,也可作為廢渣進(jìn)入脫水處理。目前預(yù)處理工藝主要有刮砂機(jī)處理、旋流器處理(即石粉回收裝置)、平流池處理、平流池配機(jī)械螺旋機(jī)處理等工藝方案[4]。旋流器處理如國(guó)產(chǎn)黑旋風(fēng)ZX系列石粉回收裝置、進(jìn)口的克萊博斯VDS512等,其最大單臺(tái)過(guò)污水量能達(dá)到500t/h,不但能回收≥0.16mm以上細(xì)砂,也可以回收<0.16mm以下的部分石粉或泥,效果較好;普通平流沉淀池在滿(mǎn)足廢水流速和停留時(shí)間等指標(biāo)效果也較好;采用水力排砂回收的細(xì)砂和石粉含水較多,脫水及運(yùn)輸困難;采用機(jī)械排砂效果較好。
廢水經(jīng)過(guò)預(yù)處理后,廢水中的細(xì)砂和石粉等懸浮物需進(jìn)行濃密處理。處理后的清水達(dá)標(biāo)排放或循環(huán)利用,濃密后的廢漿進(jìn)入脫水環(huán)節(jié)。
濃密處理工藝主要有靜態(tài)沉淀池濃密技術(shù)、旋流濃密技術(shù)、輻流濃密技術(shù)等工藝方案[5]。
靜態(tài)沉淀池濃密技術(shù)需要多級(jí)沉淀,并輔助添加混凝劑(聚氯化鋁等)和助凝劑(丙烯酰胺等)。由于其濃密時(shí)間長(zhǎng),藥劑危害嚴(yán)重,運(yùn)行成本高已逐漸被淘汰。
旋流濃密技術(shù)通常采用成套設(shè)備,如DH系列水處理器,使用效果較好,最大單臺(tái)廢水處理可達(dá)到250t/h,廢水需預(yù)加壓進(jìn)入設(shè)備,并輔以藥劑助凝,運(yùn)行成本較高。
輻流濃密技術(shù)在水電工程廣泛應(yīng)用,其結(jié)構(gòu)上包括輻流池、濃密機(jī)或者刮泥機(jī)、地下廊道及管道等。根據(jù)進(jìn)水形式又具體分為周邊進(jìn)水中部出水輻流濃密機(jī)、中部進(jìn)水周邊出水濃密機(jī)。傳統(tǒng)輻流耙式濃密機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中極易出現(xiàn)管道堵塞,為了防止堵管,必須加大底流量、降低泥漿濃度,故產(chǎn)出泥漿濃度偏低,從而導(dǎo)致下游脫水設(shè)備產(chǎn)能配置增加、運(yùn)轉(zhuǎn)效率不高。
廢水經(jīng)過(guò)濃密處理后,清水進(jìn)入清水池循環(huán)利用,濃漿將通過(guò)渣漿泵抽至壓濾車(chē)間采用機(jī)械壓濾處理,壓濾設(shè)備常見(jiàn)的有板框壓濾機(jī)、隔膜壓濾機(jī)、帶式壓濾機(jī)及廂式壓濾機(jī)等。
硬梁包水電站劉河壩砂石系統(tǒng)利用隧洞開(kāi)挖石料生產(chǎn)人工骨料,于2019年11月破土動(dòng)工建設(shè),2020年5月投入生產(chǎn)。該系統(tǒng)成品骨料生產(chǎn)總量400萬(wàn)t,毛料處理能力850t/h,成品骨料生產(chǎn)能力700t/h,成品砂生產(chǎn)能力約280t/h,廢水處理能力470t/h。由于系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)先進(jìn),采用少人值守的生產(chǎn)方式,曾獲得清華大學(xué)學(xué)者“場(chǎng)地全封閉、廢水全處理、砂石全利用、資源全循環(huán)”的高度評(píng)價(jià),更被譽(yù)為大渡河上的綠色糧倉(cāng)。其建成后的效果如圖1所示。
圖1 硬梁包水電站劉河壩砂石加工廠(chǎng)俯視
硬梁包水電站劉河壩砂石加工廠(chǎng)廢水處理系統(tǒng)包括平流池預(yù)處理系統(tǒng)、輻流濃密處理系統(tǒng)、脫水過(guò)濾壓餅系統(tǒng)及清水循環(huán)系統(tǒng)四部分,系統(tǒng)主要設(shè)備配置見(jiàn)表1,廢水處理工藝流程如圖2所示。
表1 硬梁包水電站劉河壩砂石加工廠(chǎng)廢水處理系統(tǒng)主要設(shè)備清單
圖2 硬梁包水電站劉河壩砂石加工廠(chǎng)廢水處理系統(tǒng)工藝流程
2.2.1 預(yù)處理目的
主要是清除廢水中的大顆粒污染物,更重要的是降低廢水中的石粉含量以減輕后續(xù)廢水的處理負(fù)荷,從而降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。
2.2.2 組成及結(jié)構(gòu)
由平流池、螺旋分級(jí)機(jī)、皮帶輸送機(jī)等構(gòu)成。其中平流池采用磚混結(jié)構(gòu)下潛或半下潛設(shè)計(jì)構(gòu)筑,利用過(guò)流液力分級(jí)原理對(duì)廢水進(jìn)行預(yù)沉處理;螺旋分級(jí)機(jī)采用通用制式設(shè)備,預(yù)埋件安裝于平流池內(nèi),下部螺旋為固相物刮運(yùn)段,上部螺旋為脫水段用于排除平流池底沉淀堆積的固相物料;皮帶運(yùn)輸機(jī)采用通用制式設(shè)備,用于脫水細(xì)砂運(yùn)輸,安裝在螺旋分級(jí)機(jī)上端出料口下方。螺旋機(jī)廢水預(yù)處理系統(tǒng)總平面布置詳見(jiàn)圖3。
圖3 螺旋機(jī)廢水預(yù)處理車(chē)間平面布置
2.2.3 工作原理
廢水經(jīng)分水槽橫向、緩慢流過(guò)平流池,尾水中細(xì)砂在重力作用下下沉堆積在平流池底;含微細(xì)粒級(jí)固相尾水經(jīng)平流池溢流槽進(jìn)入泵池。啟動(dòng)螺旋分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),固相物被螺旋刮削、運(yùn)輸、脫水經(jīng)出料口排出,產(chǎn)出細(xì)粒級(jí)建筑用砂,并由皮帶運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至成品料倉(cāng)或廢棄處理。細(xì)砂粒度通過(guò)調(diào)整螺旋分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速控制,轉(zhuǎn)速高排砂粒度粗,反之變細(xì)。平流池溢流尾水采用渣漿泵泵送進(jìn)入下游工段。
2.3.1 處理目的
在常溫、常壓、無(wú)藥劑(或微量添加)條件下實(shí)現(xiàn)廢水的固、液分離,產(chǎn)出的清水返回供水系統(tǒng)循環(huán)利用,產(chǎn)出的高濃度泥漿送下游工段脫水制餅。
2.3.2 結(jié)構(gòu)組成及功能
由輻流濃密機(jī)、泥漿周轉(zhuǎn)池組成,其設(shè)計(jì)平面布置如圖4所示。
圖4 幅流濃密處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)平面布置
2.3.2.1 輻流濃密機(jī)
用于尾水固液分離,采用國(guó)家專(zhuān)利《一種工業(yè)尾水環(huán)保治理系統(tǒng)》[4]及配套技術(shù)。
(1)輻流池:采用圓桶狀結(jié)構(gòu),按下潛或半下潛設(shè)計(jì)。池底、池體采用鋼筋凝土構(gòu)筑或鋼板制作。上部設(shè)有溢流槽,用于控制水體環(huán)四周向外流動(dòng)速度,溢流槽底通過(guò)管道與下游工段之清水池聯(lián)通。池底中心設(shè)計(jì)有配重混凝土塊及鋼板預(yù)埋件,用于安裝中心軸及附件。
(2)水體安靜裝置:用于消除或降低尾水入池沖擊力,盡可能地保證輻流池內(nèi)水體安靜,提高固液分離效率。由焊接在中心軸上的消力罩、消力盤(pán)、消氣管、消波罩等機(jī)件組成。
(3)泥漿采運(yùn)裝置:用于排除沉淀堆積于輻流池底的固相物料,產(chǎn)出高濃度泥漿。由中心軸、驅(qū)動(dòng)臂及動(dòng)力機(jī)構(gòu)、懸掛臂、懸掛架、刮板架及刮板、泥漿抽吸泵、環(huán)形周轉(zhuǎn)槽、轉(zhuǎn)運(yùn)泥漿泵組成,該組件沿位于輻流池頂?shù)沫h(huán)形跑道作環(huán)中心軸運(yùn)動(dòng)。
位于輻流池底的刮板有兩組以上配置,兩刮板組規(guī)格相同、方向相反,內(nèi)刮板刮運(yùn)方向向外、外刮板刮運(yùn)方向向內(nèi)。在兩組件支架安裝泥漿泵,固定在內(nèi)刮板支架上。
環(huán)形泥漿周轉(zhuǎn)槽焊接安裝在中心軸上部,泥漿抽吸泵出漿管口置于環(huán)形泥漿周轉(zhuǎn)槽內(nèi),固定在驅(qū)動(dòng)臂上,隨驅(qū)動(dòng)組件轉(zhuǎn)動(dòng)。
泥漿轉(zhuǎn)運(yùn)泵固定安裝在環(huán)形泥漿周轉(zhuǎn)槽底部。
2.3.2.2 泥漿周轉(zhuǎn)池
該池用于容納來(lái)自輻流濃密機(jī)的高濃度泥漿,采用鋼筋混凝土建筑或鋼板制作。
2.3.3 工作原理
自上游預(yù)處理工段的溢流廢水經(jīng)渣漿泵、尾水輸送管、輻流濃密機(jī)中心軸、消力罩、消力盤(pán)進(jìn)入輻流池內(nèi),并呈輻射狀緩慢地向輻流池四周擴(kuò)散、填充。在填充過(guò)程中,廢水中固相物在重力的作用下沉降堆積于池底,離析產(chǎn)出的清水被后續(xù)的廢水推出溢流槽,經(jīng)管道流入清水池。
沉淀于輻流池底的固相物被轉(zhuǎn)動(dòng)的刮板刮削、擠壓運(yùn)輸形成環(huán)中心軸的環(huán)形固相物料環(huán)。啟動(dòng)處于環(huán)形固相物料環(huán)內(nèi)的泥漿抽吸泵運(yùn)轉(zhuǎn),泥漿經(jīng)管道被泵送進(jìn)入環(huán)形泥漿周轉(zhuǎn)槽內(nèi)。啟動(dòng)泥漿轉(zhuǎn)運(yùn)泵運(yùn)轉(zhuǎn),環(huán)形泥漿周轉(zhuǎn)槽內(nèi)的泥漿經(jīng)管道輸送至泥漿周轉(zhuǎn)池,后由高壓泥漿泵送壓入箱式過(guò)濾機(jī)脫水制餅。
本方案取消了傳統(tǒng)輻流濃密機(jī)地下通道及排漿機(jī)構(gòu),消除了管道堵塞、泥漿濃度不足等結(jié)構(gòu)性缺陷,可穩(wěn)定地產(chǎn)出高濃度泥漿。
當(dāng)廢水中泥化物過(guò)量,將在輻流濃密機(jī)輻流池底部形成一定厚度的“膏狀結(jié)構(gòu)層”,從而影響刮板運(yùn)行。為此,需輔以應(yīng)急旋流絮凝機(jī)提升固液分離能力,應(yīng)急防止輻流濃密機(jī)溢流跑渾,確保系統(tǒng)在任何條件下全天候正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.4.1 組成及結(jié)構(gòu)
應(yīng)急旋流絮凝機(jī)由捕收組件、絮凝組件、藥劑組件組成,其安裝后的實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 應(yīng)急旋流絮凝機(jī)安裝效果
(1)捕收組件:用于精準(zhǔn)捕收形成于輻流濃密機(jī)底部的“膏狀泥漿”。由虹吸管、自吸泵、環(huán)形周轉(zhuǎn)槽、轉(zhuǎn)運(yùn)泵組成。虹吸管采用鋼管、鋼板組焊而成,通過(guò)懸掛架安裝在驅(qū)動(dòng)臂上,采用升降機(jī)控制虹吸管進(jìn)漿口高度。虹吸管通過(guò)軟管與自吸泵進(jìn)水口聯(lián)通。自吸泵安裝固定在驅(qū)動(dòng)臂上,出漿口通過(guò)管道與環(huán)形周轉(zhuǎn)槽連通,水管出水口固定在驅(qū)動(dòng)臂上并隨之轉(zhuǎn)動(dòng),即沿環(huán)形周轉(zhuǎn)槽內(nèi)空轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)運(yùn)泵采用潛水型渣漿泵,固定在環(huán)形周轉(zhuǎn)槽底部,出水口通過(guò)管道與下游單元的絮凝攪拌桶連通。
(2)絮凝組件:用于“膏狀泥漿”混藥絮凝,產(chǎn)出清水和高濃度絮凝泥漿。由絮凝攪拌桶、旋流濃密機(jī)、泥漿池、泥漿攪拌機(jī)組成。攪拌桶為提升式攪拌機(jī),采用制式通用設(shè)備。旋流濃密機(jī)選用國(guó)家專(zhuān)利《一種旋流濃密機(jī)》及配套技術(shù),專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家生產(chǎn)。絮凝攪拌桶出漿口通過(guò)管道與旋流濃密機(jī)射流口聯(lián)通。泥漿池采用磚混砌筑或鋼筋混凝土澆筑。泥漿攪拌機(jī)安裝在泥漿池內(nèi),用于攪拌泥漿防止沉淀。
(3)藥劑組件:用于制備絮凝藥劑。由干粉螺旋給料機(jī)、攪拌桶、稀藥劑儲(chǔ)存桶、藥劑泵組成,干粉螺旋給料機(jī)用于將絮凝藥劑均勻地給入藥劑攪拌桶,防止藥劑結(jié)餅。攪拌桶用于攪拌稀釋藥劑,采用塑料制式設(shè)備。稀藥劑儲(chǔ)存桶用于儲(chǔ)存稀釋后的稀藥劑,采用鋼板制作。藥劑泵用于泵送稀釋藥劑。
2.4.2 工作原理
當(dāng)輻流濃密機(jī)池底出現(xiàn)一定量的“膏狀結(jié)構(gòu)層泥漿”時(shí),開(kāi)啟泥漿捕收自吸泵,膏狀泥漿經(jīng)虹吸管、自吸泵、管道進(jìn)入環(huán)形周轉(zhuǎn)槽。開(kāi)啟泥漿轉(zhuǎn)運(yùn)泵,膏狀泥漿被泵送進(jìn)入絮凝攪拌桶。此時(shí)開(kāi)啟藥劑泵,絮凝藥劑與膏狀泥漿混合進(jìn)入絮凝攪拌桶。膏狀泥漿絮凝后經(jīng)管道自流射入旋流濃密機(jī)。在重力場(chǎng)作用下,固、液隨即分離,溢流產(chǎn)出清水匯入清水池,底流產(chǎn)出高濃度泥漿匯入泥漿周轉(zhuǎn)池。由此防止輻流濃密機(jī)溢流跑渾,確保系統(tǒng)全天候運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)。
2.5.1 處理目的
脫除來(lái)自輻流濃密機(jī)的高濃度泥漿水分,產(chǎn)出低含水泥餅和壓濾清水。
2.5.2 組成及結(jié)構(gòu)
由高壓泥漿泵、箱式過(guò)濾機(jī)組成,實(shí)體安裝效果如圖6所示。
圖6 箱式脫水過(guò)濾機(jī)安裝效果
(1)高壓泥漿泵:采用通用制式設(shè)備,用于將高濃度泥漿壓入箱式過(guò)濾機(jī)。
(2)箱式過(guò)濾機(jī):用于脫除泥漿水分,產(chǎn)出低含水泥餅和壓濾清水。
2.5.3 工作原理
開(kāi)啟高壓泥漿泵,來(lái)自輻流濃密機(jī)的泥漿經(jīng)管道壓送注入廂式過(guò)濾機(jī),在壓力與濾布的作用下實(shí)現(xiàn)泥漿固、液分離,產(chǎn)出泥餅掉落堆存,產(chǎn)出清水流入清水池。
2.6.1 系統(tǒng)功能
收集系統(tǒng)各點(diǎn)產(chǎn)出的清水匯入清水周轉(zhuǎn)池,并經(jīng)清水泵返還供水系統(tǒng)回用。
2.6.2 組成及結(jié)構(gòu)
由環(huán)形清水管、清水池、清水泵組成。
(1)環(huán)形清水管:用于收集輻流濃密機(jī)產(chǎn)出清水。環(huán)輻流池固定安裝,通過(guò)管道與輻流濃密機(jī)溢流槽底聯(lián)通,外端與清水池聯(lián)通。
(2)清水池:用于容納來(lái)自輻流濃密機(jī)溢流清水、廂式過(guò)濾機(jī)壓濾清水。采用磚混砌筑或鋼筋混凝土澆筑,清水池頂一般低于輻流濃密機(jī)溢流槽底,便于清水自流入池。
(3)清水泵:用于泵送清水返還供水系統(tǒng),采用通用制式設(shè)備。
2.6.3 工作原理
輻流濃密機(jī)、廂式過(guò)濾機(jī)產(chǎn)出清水自流進(jìn)入清水池,啟動(dòng)清水泵,清水經(jīng)管道返回供水系統(tǒng)循環(huán)利用。
硬梁包水電站劉河壩砂石系統(tǒng)建成后,廢水處理系統(tǒng)運(yùn)行效果非常好。輻流池溢流槽實(shí)測(cè)SS均值為41.3mg/L,遠(yuǎn)低規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的70mg/L的,在廂式過(guò)濾機(jī)下方,實(shí)測(cè)清水的SS值為19.8mg/L、泥餅含水量23.84%~28.68%。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本套廢水處理系統(tǒng)的效果,分別在平流沉淀池進(jìn)口、輻流濃密池進(jìn)口對(duì)廢水中固體的不同粒徑占比進(jìn)行了測(cè)定(詳見(jiàn)表2),結(jié)果顯示平流池對(duì)于粒徑大于0.315mm的預(yù)處理效果明顯。
表2 不同位置廢水固體顆粒占比
(1)細(xì)砂再收:廢水處理系統(tǒng)中增加平流池+多級(jí)螺旋分級(jí)機(jī)預(yù)處理系統(tǒng),利用水力分級(jí)原理,完成了0.315mm以上固相物的回收利用,對(duì)優(yōu)化砂子細(xì)度模數(shù)級(jí)配作出了貢獻(xiàn),保證了砂子產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí),通過(guò)調(diào)整螺旋分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速控制,還可控制回收<0.16mm以下的部分石粉。
(2)泥漿采運(yùn):輻流濃密機(jī)采用泥漿刮板+泥漿抽吸泵+環(huán)形轉(zhuǎn)運(yùn)槽+泥漿轉(zhuǎn)運(yùn)泵聯(lián)合作業(yè),取消了傳統(tǒng)輻流濃密機(jī)池底地下通道排漿技術(shù)方案,克服了泥漿管道堵塞的技術(shù)性缺陷,可穩(wěn)定地產(chǎn)出高濃度泥漿(濃度可達(dá)50%~60%),大大減少下游脫水壓濾制餅工段設(shè)備配置,對(duì)降低工程造價(jià)及系統(tǒng)運(yùn)行成本均有重要意義。
(3)物料堆存:本方案輻流濃密機(jī)具有一定的物料堆存功能,即尾水停止進(jìn)入滯后繼續(xù)作業(yè),可充分利用兩班之間間隔時(shí)間,減少下游脫水壓濾制餅設(shè)備配置、降低工程造價(jià)。
(4)水體安息:尾水在輻流池固、液分離效率直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)成本,分離效率與輻流池面積、尾水量、尾水濃度有關(guān),特別是與水體的安靜程度有關(guān)。本系統(tǒng)采用消力罩、消力盤(pán)、消氣管、消波罩聯(lián)合作業(yè),有效保證了水體安靜,即從技術(shù)手段上保證了輻流濃密機(jī)固液分離高效率。
中國(guó)為后起的工業(yè)化國(guó)家,改革開(kāi)放40余年的環(huán)保欠賬沉重,工業(yè)、農(nóng)業(yè)、礦山業(yè)、建筑砂石業(yè)、農(nóng)牧養(yǎng)殖業(yè)等行業(yè)產(chǎn)生的固、液混合物尾水、廢水污染環(huán)境十分嚴(yán)重,是環(huán)境保護(hù)性治理的重中之重。因此,市場(chǎng)呼喚一種較傳統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)成本低、建設(shè)造價(jià)低、占地面積小、環(huán)保等級(jí)高的現(xiàn)代化固液混合尾水、廢水治理技術(shù)方案。新型輻流濃密機(jī)廢水處理系統(tǒng)有效解決了常用輻流濃密機(jī)廢水處理系統(tǒng)輻流池底部廊道排泥漿堵管的問(wèn)題;增加應(yīng)急旋流絮凝車(chē)間,極大地提高了輻流池沉淀處理的效率;新型濃密機(jī)排泥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單巧妙,為成套設(shè)備,安裝簡(jiǎn)便;輻流池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,土建施工簡(jiǎn)單,工期快捷;新型濃密機(jī)規(guī)格直徑型號(hào)較多,采用增加排泥槽的分段排泥和分段抽取中間層懸浮物的出泥漿方式,可較容易地做到規(guī)格直徑50m以上;系統(tǒng)維修、運(yùn)行簡(jiǎn)單。本技術(shù)方案建設(shè)造價(jià)、運(yùn)轉(zhuǎn)成本、環(huán)保等級(jí)等各項(xiàng)指標(biāo)均能滿(mǎn)足市場(chǎng)的剛性需求,較之于現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)技術(shù)方案有替代性市場(chǎng)優(yōu)勢(shì),故在可以預(yù)見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)有著廣闊的市場(chǎng)推廣前景。