於思瀚23陳 雯黃明海23陳 端

(1.中南勘測設計研究院有限公司 水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，長沙 410000； 2.長江科學院 水力學研究所，武漢 430010； 3.長江科學院 流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學湖北省重點實驗室，武漢 430010；4.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司 市政與交通工程設計院，武漢 430010)

1 研究背景

砂石加工系統(tǒng)被譽為水電工程的糧倉和命脈。為減少砂石骨料裹粉量，保障混凝土施工質(zhì)量，水電工程砂石骨料以濕法生產(chǎn)為主，生產(chǎn)1 t砂石骨料大約產(chǎn)生1 m3廢水[1- 2]，廢水懸浮物濃度可高達100～120 kg/m3以上[3]，具有水量大、濃度高的特點[2，4-5]。

水電工程砂石加工系統(tǒng)料源巖性不同，廢水沉降特性差異顯著。目前，水電工程砂石加工廢水主流處理工藝為“水力旋流預處理+輻流沉降濃縮+機械壓濾脫水”[6-7]，其中“輻流沉降濃縮”工藝環(huán)節(jié)是出水水質(zhì)滿足回用或排放要求的關鍵，輻流池清混液面位置變化、底部泥漿濃縮效果和廢水加藥量等工程設計運行參數(shù)大多通過經(jīng)驗或靜水沉降試驗獲取[8]，不能反映不同巖性砂石加工廢水沉降濃縮過程的空間尺度和水流的動態(tài)性，這些動態(tài)沉降特性可通過輻流池內(nèi)濃度、流速等特征指標的空間分布規(guī)律來表征。

廢水特性與料源巖性關系密切，不同巖性料源產(chǎn)生的廢水特性可能差異顯著，有必要定量揭示巖性對廢水沉降濃縮過程的影響規(guī)律，避免實際生產(chǎn)過程中采用相同的處理策略。本文以金沙江下游白鶴灘水電站砂石加工系統(tǒng)廢水處理工程輻流沉淀池為研究對象，基于大比尺物理模型試驗，從廢水特征界面高度時間變化、廢水濃度空間分布和流速空間分布3個方面，對以玄武巖和灰?guī)r為料源的砂石骨料加工高濃度廢水動態(tài)輻流沉降規(guī)律進行分析，為類似工程設計、運行及工藝標準化提供科學依據(jù)。

2 研究方法

2.1 研究對象

白鶴灘水電站位于金沙江下游，建成后將成為中國第二大水電站，其砂石加工系統(tǒng)為電站建設提供混凝土骨料保障，主要料源為玄武巖和灰?guī)r。試驗廢水取自廢水處理工程輻流沉淀池配水井，為確保所取廢水為原樣，取樣前4 h停止向配水井內(nèi)投加混凝藥劑。監(jiān)測表明：玄武巖加工廢水輻流池進水濃度約120 kg/m3，灰?guī)r加工廢水輻流池進水濃度約85 kg/m3，輻流池表面負荷1 m3/(m2·h)，廢水中所含固體顆?；境两抵凛椓鞒氐撞?，進水和底泥中顆粒粒徑級配基本一致(圖 1)，玄武巖中值粒徑分別為16.6 μm和18.2 μm，灰?guī)r中值粒徑分別為11.6 μm和10.7 μm，模型試驗采用的工況參數(shù)與原型生產(chǎn)運行參數(shù)一致。

圖1 廢水顆粒粒徑級配曲線Fig.1 Gradation curves of particles in wastewaters

2.2 試驗設計

2.2.1 動態(tài)沉降相似條件

根據(jù)高濃度廢水沉降相似性的研究成果[9]，動態(tài)輻流沉降特性物理模型試驗需同時滿足幾何相似、異重流發(fā)生相似和沉淀濃縮過程相似。

(1)幾何相似。為反映輻流池垂向沉降濃縮過程，一般采用變態(tài)模型，垂向比尺大于平面比尺。原型和模型幾何相似，可表征為

(1)

(2)

式中：Lp和Lm分別為原型和模型的平面幾何尺寸；λL為平面幾何比尺；Hp和Hm分別為原型和模型的垂向幾何尺寸；λH為垂向幾何比尺。

(2)異重流發(fā)生相似。輻流池內(nèi)水流作用力包括重力、浮力、壓力、慣性力等，做到完全水流運動相似十分困難。在動態(tài)輻流沉降過程中，水流速度很小，渾水異重流是砂石加工高濃度廢水基本運動特征，浮力是主要作用力，其他因素可近似忽略。原型和模型異重流發(fā)生相似，可表征為

(3)

(3)沉淀濃縮過程相似。根據(jù)沉淀池中高濃度廢水沉降動態(tài)沉降濃度規(guī)律[10]，可得出原型和模型動態(tài)沉淀濃縮過程相似條件，即

(4)

2.2.2 動態(tài)沉降試驗模型

2.2.3 動態(tài)沉降模型設計

圖2 動態(tài)輻流沉降試驗布置Fig.2 Arrangement of dynamic radial-flow sedimentation experiment

圖3 試驗監(jiān)測斷面和監(jiān)測點布置Fig.3 Arrangement of monitoring sections and points

2.3 試驗步驟

試驗研究分為自然沉降和混凝沉降2個工況情景。靜水沉降試驗在2 m高沉降柱內(nèi)開展，試驗過程中記錄清渾液面沉降距離隨時間變化過程，確定適宜加藥量。動態(tài)輻流沉降試驗通過泥漿泵抽取配水池中的廢水至高位穩(wěn)流池，穩(wěn)流池通過管道向輻流池模型輸送恒定流量的廢水，管道上安裝電磁流量計和閥門控制流量，并通過計量泵投加混凝藥劑。與市政污水處理連續(xù)運行不同，水電工程砂石加工廢水處理工程一般為每天間歇運行，試驗過程和現(xiàn)場生產(chǎn)過程一致，包括充水和連續(xù)進出等過程。如圖3所示，自輻流池物理模型進水端，沿徑向設置A—D共4個監(jiān)測斷面，斷面水平間距64 cm，每個監(jiān)測斷面沿水深設置8個監(jiān)測點，垂向間距20 cm。廢水濃度采用重量法測量(《水質(zhì)懸浮物的測定重量法》(GB/T 11901—1989))，懸浮固體粒徑級配采用激光粒度儀(Mastersizer 3000)測量，流速采用電磁流速儀(JFE ACM2-RS)測量。

3 結果與討論

3.1 巖性對靜水沉降特性的影響

清渾液面靜水沉降曲線如圖4所示，根據(jù)清渾液面自由沉降階段沉降距離單位時間變化率計算靜水沉速，玄武巖廢水自然沉降靜水沉速約0.08 mm/s；通過多組次藥劑優(yōu)選試驗，選用PAM(陰離子1 800萬分子量) 8 mg/L + PAC 100 mg/L聯(lián)合投加后，廢水沉降濃縮性能顯著改善，混凝沉降靜水沉速增大到約0.24 mm/s，是自然沉降靜水沉速的3倍。灰?guī)r廢水自然沉降靜水沉速約0.22 mm/s；通過多組次藥劑優(yōu)選試驗，選用PAM(陰離子1 800萬分子量) 1.5 mg/L + PAC 60 mg/L聯(lián)合投加后，廢水沉降濃縮性能進一步改善，混凝沉降靜水沉速增大到約0.36 mm/s。玄武巖廢水自然沉降性能較差，需要依靠水處理藥劑提升沉降效率；灰?guī)r廢水自然沉降性能較好，其沉降速度顯著優(yōu)于玄武巖廢水自然沉降性能，甚至可達到玄武巖廢水混凝沉降性能。靜水沉降試驗優(yōu)選的加藥量應用于后續(xù)輻流池動態(tài)沉降試驗。

圖4 清渾液面靜水沉降曲線Fig.4 Settling curves of sharp interfaces between clear and turbid parts of still wastewaters

3.2 巖性對輻流池特征界面高度變化的影響

從動態(tài)輻流沉降試驗效果看(圖5)，玄武巖和灰?guī)r廢水混凝沉降條件下，廢水中顆粒之間通過凝聚、架橋等作用，形成絮團，呈現(xiàn)群體沉降狀態(tài)，清渾液面清晰可見；灰?guī)r廢水的清渾液面顯著低于玄武巖廢水的清渾液面，呈現(xiàn)較優(yōu)的混凝沉降和濃縮性能。

圖5 動態(tài)輻流沉降試驗效果Fig.5 Sedimentation effect of dynamic radial-flow sedimentation experiment

從特征界面高度時間變化規(guī)律(圖6)來看，玄武巖廢水混凝沉降條件下，絮凝后固體顆粒沿輻流池深度方向濃縮效果逐漸增強，泥位不清晰，但監(jiān)測斷面B—D處清渾液面清晰可見，清渾液面單位時間上升速率約為0.39 m/h；灰?guī)r廢水混凝沉降條件下，試驗初期，清渾液面不清晰，隨著水位上升，清渾液面和泥位呈同步線性升高趨勢，監(jiān)測斷面B—D的泥位上升速率約為0.11 m/h，泥漿濃縮性能較好；玄武巖廢水沉降過程中清渾液面上升速率約為灰?guī)r廢水清渾液面上升速率的3.5倍，為維持輻流池連續(xù)運行，玄武巖廢水沉降過程對排泥速率控制的要求更高，需保障清渾液面或泥位處于動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，建議配置足夠數(shù)量的高效隔膜壓濾機，提升泥漿處理效率。

圖6 各監(jiān)測斷面特征界面時間變化Fig.6 Temporal variation of characteristic interfaces of monitoring sections

3.3 巖性對輻流池濃度空間分布的影響

從廢水處理效果看，玄武巖廢水混凝沉降條件下，廢水進水濃度約120 kg/m3，出水濃度約0.23 kg/m3，去除率約99.8%；灰?guī)r廢水混凝沉降條件下，廢水進水濃度約84 kg/m3，出水濃度約0.28 kg/m3，去除率約99.7%；玄武巖和灰?guī)r廢水懸浮固體去除率均較高，滿足生產(chǎn)需要。

各監(jiān)測點濃度空間變化規(guī)律見圖7。

圖7 各監(jiān)測點濃度空間變化規(guī)律Fig.7 Spatial distribution of concentration at monitoring points

從輻流池水平方向廢水濃度變化規(guī)律看(圖7左)，玄武巖和灰?guī)r廢水混凝沉降條件下，水深<4 m測點，廢水濃度沿輻流池徑向變化不大，這表明廢水自輻流池配水筒進入池體后呈現(xiàn)水平推移的運動規(guī)律；水深>4 m測點，廢水濃度沿輻流池徑向呈小幅降低趨勢，這表明底部廢水懸浮固體沿輻流池徑向逐步沉積。

從輻流池水深方向廢水濃度變化規(guī)律看(圖7右)，玄武巖廢水混凝沉降條件下，輻流池不同水深測點處濃度均隨水深增大，廢水濃縮效果逐漸增大，各測點廢水濃度從0.46 kg/m3線性增加到約337 kg/m3，玄武巖廢水中固體顆粒呈現(xiàn)沿水深線性沉降濃縮的去除模式；灰?guī)r廢水混凝沉降條件下，進入輻流池廢水快速沉降，水深4 m以上各測點廢水濃度約0.94 kg/m3，水深4 m以下各測點廢水濃度隨水深自51 kg/m3大幅增加至503 kg/m3，灰?guī)r廢水中固體顆粒呈現(xiàn)先沿水深快速沉降，后在底層逐漸濃縮的去除模式。

從輻流池底部泥漿濃縮效果看，玄武巖廢水混凝沉降條件下，水深4.09 m和4.68 m處底部測點濃縮泥漿平均含固率分別約為29%和25%；灰?guī)r廢水混凝沉降條件下，水深4.09 m和4.68 m處底部測點濃縮泥漿平均含固率分別約為5%和30%。灰?guī)r廢水工況下的泥漿濃縮效果優(yōu)于玄武巖廢水工況。

3.4 巖性對輻流池流速空間分布的影響

各監(jiān)測點流速空間變化規(guī)律見圖8。

圖8 各監(jiān)測點流速空間變化規(guī)律Fig.8 Spatial distribution of flow velocity at monitoring points

從輻流池水平方向流速分布看(圖8左)，玄武巖廢水混凝沉降條件下，水流在池體內(nèi)呈現(xiàn)分層特性，水深2.92 m處測點流速顯著高于其他測點流速，平均流速約為4.3 cm/s，各監(jiān)測斷面其余測點流速基本一致，平均流速約為0.8 cm/s；灰?guī)r廢水混凝沉降條件下，水深4.09 m處測點流速顯著高于其他測點流速，平均流速約為7.1 cm/s，水深3.51 m處測點平均流速約為2.1 cm/s，各監(jiān)測斷面其余測點流速基本一致，平均流速約為0.7 cm/s。

從輻流池水深方向流速分布看(圖8右)，玄武巖廢水混凝沉降條件下，水流在池體內(nèi)呈現(xiàn)分層特性，輻流池進水口所在水深2.92 m處測點流速顯著高于其他測點流速，靠近入流處測點流速最大，約9.1 cm/s；灰?guī)r廢水混凝沉降條件下，輻流池進水口所在水深4.09 m處測點流速顯著高于其他測點流速，靠近入流處測點流速最大，約11.0 cm/s。

從輻流池進水水流運動特征看，玄武巖廢水混凝沉降條件下，輻流池進水進入池體后直接沿水平方向推進，呈現(xiàn)顯著分層特性，廢水中固體顆粒沿垂向逐漸沉降濃縮，沉降區(qū)不受進水沖擊影響；灰?guī)r廢水混凝沉降條件下，輻流池進水進入池體后快速下潛至底層，廢水中固體顆粒在底層沿徑向推移。由于廢水在池體內(nèi)的流動模式不同，灰?guī)r廢水在池體內(nèi)水平推移深度更靠近池底，對出水水質(zhì)擾動更小。

4 結 論

(1)灰?guī)r廢水自然沉降性能顯著優(yōu)于玄武巖廢水自然沉降性能，基本與玄武巖廢水混凝沉降靜水沉速一致。采用PAM和PAC聯(lián)合投加可改善上述2種巖性廢水的沉降濃縮效果。

(2)玄武巖廢水混凝沉降條件下，輻流池內(nèi)清渾液面清晰，廢水中固體顆粒呈現(xiàn)沿水深線性沉降濃縮的去除模式，廢水進入池體由逐漸下潛轉(zhuǎn)變?yōu)檠厮椒较蛲七M，分層特性顯著，輻流池中層沿程流速較高，沉降區(qū)受進水沖擊較小。

(3)灰?guī)r廢水混凝沉降條件下，廢水中固體顆粒呈現(xiàn)先沿水深快速沉降，后在輻流池底層逐漸濃縮的去除模式，廢水進入池體后快速下潛至底層，輻流池底層沿程流速較高，廢水中固體顆粒在輻流池底層沿徑向推移。

(4)玄武巖廢水沉降過程對排泥速率控制的要求更高，建議配置足夠數(shù)量的高效隔膜壓濾機，提升泥漿處理效率，使得清渾液面或泥位處于動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。