楊富民

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰，611830)

近年，中國憑借一系列大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)和超級工程，被冠以“基建狂魔”的稱號。中國基建發(fā)展離不開混凝土，更離不開號稱基建糧食的砂石骨料。改革開放40多年來，砂石產(chǎn)量更作為反映我國建設(shè)活動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環(huán)節(jié)[3]。

1 水電工程砂石加工系統(tǒng)廢水處理工藝介紹

1.1 預(yù)沉處理(粗、細(xì)砂回收)

預(yù)沉處理主要是將廢水中≥0.08mm以上的顆粒進(jìn)行處理并回收的過程?；厥盏拇旨?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，其最大單臺過污水量能達(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足廢水流速和停留時間等指標(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。

1.2 濃密處理(細(xì)砂及石粉回收)

廢水經(jīng)過預(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)。由于其濃密時間長，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。

1.3 廢漿壓濾處理

廢水經(jīng)過濃密處理后，清水進(jìn)入清水池循環(huán)利用，濃漿將通過渣漿泵抽至壓濾車間采用機(jī)械壓濾處理，壓濾設(shè)備常見的有板框壓濾機(jī)、隔膜壓濾機(jī)、帶式壓濾機(jī)及廂式壓濾機(jī)等。

2 硬梁包水電站劉河壩砂石加工廠廢水處理系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)介紹

硬梁包水電站劉河壩砂石系統(tǒng)利用隧洞開挖石料生產(chǎn)人工骨料，于2019年11月破土動工建設(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“場地全封閉、廢水全處理、砂石全利用、資源全循環(huán)”的高度評價，更被譽(yù)為大渡河上的綠色糧倉。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俯視

硬梁包水電站劉河壩砂石加工廠廢水處理系統(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廢水處理系統(tǒng)工藝流程

2.2 平流池預(yù)處理系統(tǒng)

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)計構(gòu)筑，利用過流液力分級原理對廢水進(jìn)行預(yù)沉處理；螺旋分級機(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)總平面布置詳見圖3。

圖3 螺旋機(jī)廢水預(yù)處理車間平面布置

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)粒級固相尾水經(jīng)平流池溢流槽進(jìn)入泵池。啟動螺旋分級機(jī)轉(zhuǎn)動，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)粒級建筑用砂，并由皮帶運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至成品料倉或廢棄處理。細(xì)砂粒度通過調(diào)整螺旋分級機(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 幅流濃密處理系統(tǒng)

2.3.1 處理目的

在常溫、常壓、無藥劑(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)計平面布置如圖4所示。

圖4 幅流濃密處理系統(tǒng)設(shè)計平面布置

2.3.2.1 輻流濃密機(jī)

用于尾水固液分離，采用國家專利《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。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)四周向外流動速度，溢流槽底通過管道與下游工段之清水池聯(lián)通。池底中心設(shè)計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、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)動臂及動力機(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。

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)動臂上，隨驅(qū)動組件轉(zhuǎn)動。

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。

2.4 應(yīng)急旋流絮凝機(jī)

當(dāng)廢水中泥化物過量，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，通過懸掛架安裝在驅(qū)動臂上，采用升降機(jī)控制虹吸管進(jìn)漿口高度。虹吸管通過軟管與自吸泵進(jìn)水口聯(lián)通。自吸泵安裝固定在驅(qū)動臂上，出漿口通過管道與環(huán)形周轉(zhuǎn)槽連通，水管出水口固定在驅(qū)動臂上并隨之轉(zhuǎn)動，即沿環(huán)形周轉(zhuǎn)槽內(nèi)空轉(zhuǎn)動。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)選用國家專利《一種旋流濃密機(jī)》及配套技術(shù)，專業(yè)廠家生產(chǎn)。絮凝攪拌桶出漿口通過管道與旋流濃密機(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。稀藥劑儲存桶用于儲存稀釋后的稀藥劑，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，開啟泥漿捕收自吸泵，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。此時開啟藥劑泵，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 脫水濾餅系統(tǒng)

2.5.1 處理目的

脫除來自輻流濃密機(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、箱式過濾機(jī)組成，實(shí)體安裝效果如圖6所示。

圖6 箱式脫水過濾機(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濾機(jī)。

(2)箱式過濾機(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

開啟高壓泥漿泵，來自輻流濃密機(jī)的泥漿經(jīng)管道壓送注入廂式過濾機(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 清水循環(huán)系統(tǒng)

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：用于容納來自輻流濃密機(jī)溢流清水、廂式過濾機(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)、廂式過濾機(jī)產(chǎn)出清水自流進(jìn)入清水池，啟動清水泵，清水經(jīng)管道返回供水系統(tǒng)循環(huán)利用。

3 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效果與創(chuàng)新技術(shù)要點(diǎn)

3.1 運(yùn)轉(zhuǎn)效果測定

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，在廂式過濾機(jī)下方，實(shí)測清水的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)口對廢水中固體的不同粒徑占比進(jìn)行了測定(詳見表2)，結(jié)果顯示平流池對于粒徑大于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

3.2 創(chuàng)新技術(shù)要點(diǎn)

(1)細(xì)砂再收：廢水處理系統(tǒng)中增加平流池+多級螺旋分級機(jī)預(yù)處理系統(tǒng)，利用水力分級原理，完成了0.315mm以上固相物的回收利用，對優(yōu)化砂子細(xì)度模數(shù)級配作出了貢獻(xiàn)，保證了砂子產(chǎn)品質(zhì)量。同時，通過調(diào)整螺旋分級機(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，對降低工程造價及系統(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間，減少下游脫水壓濾制餅設(shè)備配置、降低工程造價。

(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、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。

4 結(jié)語

中國為后起的工業(yè)化國家，改革開放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，市場呼喚一種較傳統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)成本低、建設(shè)造價低、占地面積小、環(huán)保等級高的現(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題；增加應(yīng)急旋流絮凝車間，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)簡單巧妙，為成套設(shè)備，安裝簡便；輻流池結(jié)構(gòu)簡單，土建施工簡單，工期快捷；新型濃密機(jī)規(guī)格直徑型號較多，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)行簡單。本技術(shù)方案建設(shè)造價、運(yùn)轉(zhuǎn)成本、環(huán)保等級等各項指標(biāo)均能滿足市場的剛性需求，較之于現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)技術(shù)方案有替代性市場優(yōu)勢，故在可以預(yù)見的時間內(nèi)有著廣闊的市場推廣前景。