化工廠區(qū)初期雨水收集系統(tǒng)設(shè)計探討

吳鵬飛,王 默,趙積洲,吳俊義

(1.中國五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223;2.黃岡市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站,湖北 黃岡 438021;3.新疆廣匯新能源有限公司,新疆 哈密 839303)

由于化工項(xiàng)目的特殊性,在化工企業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)輸或維修過程中,可能因某些跑、冒、滴、漏現(xiàn)象或廢氣污染物的擴(kuò)散沉降,廠區(qū)露天的生產(chǎn)裝置區(qū)、原料或產(chǎn)品儲罐區(qū)以及裝卸區(qū)等區(qū)域常常容易附著有污染物質(zhì),這些區(qū)域通常劃分為“污染區(qū)”。在降雨初期,這些附著的污染物質(zhì)會隨著雨水的沖刷進(jìn)入地面徑流。初期雨水中污染成分隨化工廠區(qū)原輔料及產(chǎn)品種類的不同而各有差異,常出現(xiàn)pH值、COD、氨氮、石油類、SS等污染物濃度超標(biāo)。若不對初期雨水進(jìn)行收集及處理,任其直接隨雨水管網(wǎng)排出廠外,將污染受納水體。本文結(jié)合湖北省內(nèi)化工項(xiàng)目實(shí)際工程,對化工廠區(qū)內(nèi)初期雨水收集系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行探討。

1 初期雨水收集原則

按照“清污分流”的原則,初期雨水需要與后期雨水(也稱清凈雨水)分開收集。在設(shè)計過程中,需根據(jù)各建/構(gòu)筑物類型、涉及的物料結(jié)合項(xiàng)目總平面布置,將化工廠區(qū)內(nèi)各裝置、工序等劃分為污染區(qū)以及非污染區(qū),其中,污染區(qū)需進(jìn)行初期雨水收集。

2 初期雨水收集方式

初期雨水的收集通常有兩種方式:集中收集和分區(qū)收集[1]。

2.1 集中收集

集中收集方式也稱末端統(tǒng)一收集,是指整個化工廠區(qū)設(shè)置1個集中式初期雨水池,用于收集全廠初期雨水。該收集池容積通常較大,其優(yōu)點(diǎn)為廠區(qū)初期雨水池的運(yùn)行、維護(hù)以及管理相對而言較為容易;缺點(diǎn)為不適合占地面積較大的廠區(qū)以及污染區(qū)較分散的廠區(qū)。由于初期雨水收集采用重力流方式,初期雨水收集池需設(shè)置在廠區(qū)低點(diǎn),管路較長,管徑較大,埋深較深。集中收集方式主要應(yīng)用在占地面積不大或污染區(qū)分布相對較集中的廠區(qū)。

以湖北省內(nèi)某合成氨項(xiàng)目為例,其主要工藝路線為:利用水煤漿氣化技術(shù)生產(chǎn)合成氨。根據(jù)該項(xiàng)目的環(huán)評報告可知,在進(jìn)行初期雨水池容積核算時,以廠區(qū)總占地面積×降雨深度的方法計算初期雨水池有效容積,計算結(jié)果約11 000 m3。該項(xiàng)目初期雨水收集采用集中收集方式,但未區(qū)分污染區(qū)與非污染區(qū),對廠區(qū)占地面積全部考慮收集。在此項(xiàng)目詳細(xì)工程設(shè)計階段,出于設(shè)計優(yōu)化考慮,對項(xiàng)目污染區(qū)與非污染區(qū)進(jìn)行了劃分,鑒于項(xiàng)目污染區(qū)相對較為集中,仍采用集中收集方式,但僅收集污染區(qū)初期雨水。經(jīng)核算,初期雨水池容積約3 000 m3。該合成氨項(xiàng)目初期雨水集中收集示意見圖1。

圖1 某合成氨項(xiàng)目廠區(qū)初期雨水集中收集示意

2.2 分區(qū)收集

分區(qū)收集方式是指整個化工廠區(qū)設(shè)置多個初期雨水池,對污染區(qū)各自單獨(dú)收集;或?qū)讉€布置較集中的污染區(qū)進(jìn)行集中收集,其他分散的污染區(qū)進(jìn)行單獨(dú)收集。其優(yōu)點(diǎn)如下:初期雨水池的位置布置比較靈活;相對而言,單個初期雨水池的容積較小,占地面積較小、埋深較淺、初期雨水收集管路較短。其缺點(diǎn)如下:初期雨水池設(shè)置的數(shù)量較多,企業(yè)對其日常運(yùn)行管理及維護(hù)相對集中收集方式而言會較為復(fù)雜。初期雨水分區(qū)收集方式通常應(yīng)用在中大型化工廠區(qū)。

湖北省內(nèi)某合成氣綜合利用項(xiàng)目采用水煤漿氣化技術(shù)生產(chǎn)合成氣制尿素、食品級CO2等化工產(chǎn)品,該項(xiàng)目占地面積較大,在工藝裝置區(qū)、液體貯運(yùn)設(shè)施區(qū)、裝卸區(qū)及其他輔助生產(chǎn)設(shè)施污染區(qū)共設(shè)置11座初期雨水池,分別收集各污染片區(qū)的初期雨水。該合成氣綜合利用項(xiàng)目初期雨水分區(qū)收集示意見圖2。

圖2 某合成氣綜合利用項(xiàng)目廠區(qū)初期雨水分區(qū)收集示意

2.3 小結(jié)

對于集中收集方式而言,遠(yuǎn)處污染區(qū)的初期雨水進(jìn)入全廠初期雨水池時,近處污染區(qū)流入全廠初期雨水池的雨水屬于清凈雨水?；S區(qū)內(nèi)不同污染區(qū)與初期雨水池的距離不一致,進(jìn)入初期雨水池的徑流時間也各不相同。距離近的區(qū)域,徑流時間短;距離遠(yuǎn)的區(qū)域,徑流時間長。整體而言,分區(qū)收集方式的清污分流效果較集中收集方式更為理想。

參照GB/T 50934—2013《石油化工工程防滲技術(shù)規(guī)范》[2]規(guī)定,在進(jìn)行初期雨水池及地下污水管道的防滲設(shè)計時,初期雨水池的底板及壁板、地下污水管道屬于重點(diǎn)污染防治區(qū),防滲等級要求高。相比集中收集方式,分區(qū)收集方式初期雨水的埋地管道長度更短,在節(jié)省工程投資的同時,也有利于降低污染物滲漏并污染地下水的風(fēng)險。

針對廠區(qū)占地面積較小或者污染區(qū)域分布較集中的小型化工項(xiàng)目,其初期雨水收集方式可采用集中收集;針對中大型化工項(xiàng)目,其工藝生產(chǎn)裝置區(qū)、液體儲罐區(qū)等污染區(qū)域通常較為分散,其初期雨水收集方式建議采用分區(qū)收集。

3 初期雨水收集措施

初期雨水收集措施一般包含在污染裝置區(qū)四周設(shè)置圍堰或環(huán)溝、在罐區(qū)設(shè)置防火堤或圍堰以及排水溝、集水坑等措施。初期雨水經(jīng)上述收集措施截流后,匯入初期雨水池,最終送往污水處理設(shè)施處理。

前文提到的湖北省內(nèi)某合成氨項(xiàng)目及某合成氣綜合利用項(xiàng)目,其初期雨水的收集措施均為:在工藝生產(chǎn)裝置污染區(qū)四周設(shè)置圍堰或環(huán)溝、圍堰內(nèi)設(shè)置有集水井;液體罐區(qū)設(shè)置有防火堤或圍堰、防火堤內(nèi)設(shè)置有集水溝及集水井。初期雨水經(jīng)防火堤或圍堰/環(huán)溝截留后,隨集水溝流入集水井,重力流方式流入初期雨水池。

4 初期雨水池容積計算

根據(jù)GB/T 50483—2019《化工建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[3]中第2.0.8條規(guī)定,有兩種方式計算初期雨水量。方式一:取降雨初期15～30 min的雨量計算初期雨水量,通常也稱“暴雨強(qiáng)度公式法”;方式二:取降雨初期20～30 mm厚度的雨量計算初期雨水量,通常也稱“降雨深度計算法”。

4.1 暴雨強(qiáng)度公式

參照GB 50014—2021《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[4]中第4.1.7條的規(guī)定,初期雨水量的計算可采用如下公式:

Qs=qΨF

式中:Qs為初期雨水流量,L/s;q為暴雨強(qiáng)度,L/(hm2·s);Ψ為徑流系數(shù),取0.85～0.95;F為匯水面積,hm2。

4.2 降雨深度計算

參照GB 50747—2012《石油化工污水處理設(shè)計規(guī)范》[5]中第3.1.1條的規(guī)定,初期雨水量的計算可采用如下公式:

式中:V為初期雨水量,m3;h為降雨深度,取15～30 mm;F為污染區(qū)面積,m2。

方式一的計算相對較麻煩,需要查找項(xiàng)目所在地的暴雨強(qiáng)度以及確定初期雨水的收集時間。方法二的計算則較為簡單、方便,在確定污染區(qū)面積的基礎(chǔ)上,選擇合適的降雨深度即可計算初期雨水池的容積。

根據(jù)GB/T 50483—2019的條文解釋,降雨初期15～30 min雨量在實(shí)際操作中難以控制,根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn),為提高標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用性,采用“降雨初期20～30 mm厚度的雨量”為初期污染雨水。

根據(jù)SH/T 3015—2019《石油化工給水排水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[6]中條文解釋,經(jīng)5 min初期雨水的沖洗,污染區(qū)基本被沖洗干凈。5 min降雨深度大都在15～30 mm之間,該規(guī)范推薦采用15～30 mm的降雨深度作為初期雨水。

王堃[7]認(rèn)為:采用降雨深度計算初期雨水量時,降雨深度取值大小與廠區(qū)初期雨水收集方式有關(guān)。采用集中收集方式時,降雨深度宜取大值;采用分區(qū)收集方式時,降雨深度宜取小值。夏安林[8]認(rèn)為:降雨深度的取值與項(xiàng)目實(shí)際情況有較大關(guān)系。廠區(qū)污染的輕重、沖刷的難易程度(即污染物的附著力大小)、暴雨強(qiáng)度的大小、初期雨水徑流匯集的時間長短等因素影響降雨深度的取值。雨季較多的地區(qū)宜采用低限值,旱季較多的地區(qū)宜采用高限值。

前文提及的湖北省內(nèi)某合成氨項(xiàng)目,其環(huán)評報告中考慮項(xiàng)目建設(shè)地降雨情況,降雨深度采用20 mm計算初期雨水池容積。湖北省內(nèi)某合成氣綜合利用項(xiàng)目,其環(huán)評報告參照GB 50747—2012?？紤]項(xiàng)目建設(shè)地降雨頻繁,取降雨深度低值15 mm。在項(xiàng)目設(shè)計階段,降雨深度的取值均保持與環(huán)評報告一致。

綜上所述,化工項(xiàng)目在進(jìn)行初期雨水量計算時,建議優(yōu)先采用降雨深度計算法(取降雨初期15～30 mm厚度值)進(jìn)行計算。同時,設(shè)計階段降雨深度的取值應(yīng)滿足環(huán)評報告要求。

5 初期雨水池切換控制方式

初期污染雨水與后期清凈雨水的分流切換控制方式通常有兩種:人工切換控制方式和自動切換控制方式[9]。

人工切換控制方式受企業(yè)現(xiàn)場操作人員的人為因素影響較大。人工切換控制一般采用手動閥門或者電動閥門進(jìn)行開啟或關(guān)閉,需要現(xiàn)場操作人員對切換點(diǎn)進(jìn)行判斷。如人員不按操作規(guī)程進(jìn)行正常切換,就達(dá)不到初期雨水清污分流的效果。另外,也不利于環(huán)境保護(hù)主管部門對企業(yè)初期雨水的監(jiān)管。

自動切換控制方式即采用聯(lián)鎖方式控制管路上電動閥門的開啟及關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)初期污染雨水與后期清凈雨水的分流。自動切換控制常采用液位聯(lián)鎖,以初期雨水池內(nèi)液位的高低作為輸入信號進(jìn)行切換操作。目前,化工廠區(qū)應(yīng)用較多的控制方式為液位聯(lián)鎖的自動切換控制方式。

如圖3所示,常規(guī)情況下電動閥a常閉,電動閥b常開。在出現(xiàn)降雨時,廠內(nèi)污染區(qū)的初期雨水經(jīng)收集系統(tǒng)逐步流入初期雨水池。當(dāng)初期雨水池中的液位上升至高液位時(見圖4),液位信號聯(lián)鎖開a、關(guān)b,此時的雨水為清凈雨水,通過閥a進(jìn)入廠區(qū)雨水管網(wǎng)系統(tǒng)。根據(jù)廠內(nèi)污水處理站的實(shí)際處理富余能力,人為手動有序地逐步開啟各個初期雨水池的提升泵,將初期雨水送至污水處理設(shè)施處理。按照GB 50684—2011《化學(xué)工業(yè)污水處理與回用設(shè)計規(guī)范》[10]中第3.0.2條的要求,初期雨水池內(nèi)的初期雨水需在5 d時間以內(nèi)排空,即初期雨水提升泵可參照上述規(guī)范選取合適的排空時間來確定其提升泵的流量。待初期雨水池內(nèi)液位下降到低液位(停泵液位)時,通過聯(lián)鎖控制停止提升泵的運(yùn)行。待降雨結(jié)束且初期雨水池排空后,需手動開b、關(guān)a,也可通過控制室遠(yuǎn)程手動按鈕操作開b、關(guān)a,恢復(fù)電動閥a、b的常規(guī)狀態(tài)。

圖3 初期雨水池切換控制平面示意

圖4 初期雨水池切換控制剖面示意

前文提及的某合成氨項(xiàng)目及某合成氣綜合利用項(xiàng)目,其初期雨水切換控制均采用液位聯(lián)鎖的自動切換方式,也屬于目前較為主流的控制方式。

6 結(jié)語

化工廠區(qū)初期雨水中污染物濃度通常不能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求,需對初期雨水進(jìn)行收集處理,避免通過廠區(qū)雨水管網(wǎng)系統(tǒng)直接外排,污染受納水體。

(1)針對廠區(qū)占地面積較小或者污染區(qū)域分布較集中的小型化工項(xiàng)目,其初期雨水收集方式可采用集中收集;針對中大型化工項(xiàng)目,其工藝生產(chǎn)裝置區(qū)、液體儲罐區(qū)等污染區(qū)域通常較為分散的,其初期雨水收集方式建議采用分區(qū)收集。

(2)化工項(xiàng)目在進(jìn)行初期雨水量計算時,建議優(yōu)先采用降雨深度計算法(取降雨初期15～30 mm厚度值)進(jìn)行計算。同時,設(shè)計階段降雨深度的取值應(yīng)滿足環(huán)評報告要求。

(3)為取得更好的“清污分流效果”,初期雨水池切換控制方式建議采用液位連鎖控制,減少人為干預(yù)次數(shù),降低人為因素造成的不利影響。