杨富民

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 都江堰，611830)

近年，中国凭借一系列大规模基础建设和超级工程，被冠以“基建狂魔”的称号。中国基建发展离不开混凝土，更离不开号称基建粮食的砂石骨料。改革开放40多年来，砂石产量更作为反映我国建设活动活跃与否的重要指标[1]。砂石系统产生的废水，具有微细颗粒，与水形成固、液混合态、浊度高、产量大等特点，悬浮物浓度一般为20000mg/L～90000mg/L[2]。废水处理不当，极易造成江河水体污染，粮食减产等环境污染事故。

当前国内关于砂石生产系统废水处理的工艺方法众多，较为成熟的工艺流程大体可分为预沉(粗、细砂回收)、浓密(细砂及石粉回收)、废浆脱水(天然晒干或机械压制)及清水回收利用等几个环节[3]。

1 水电工程砂石加工系统废水处理工艺介绍

1.1 预沉处理(粗、细砂回收)

预沉处理主要是将废水中≥0.08mm以上的颗粒进行处理并回收的过程。回收的粗细砂可以回掺入成品砂中以改善混凝土性能，也可作为废渣进入脱水处理。目前预处理工艺主要有刮砂机处理、旋流器处理(即石粉回收装置)、平流池处理、平流池配机械螺旋机处理等工艺方案[4]。旋流器处理如国产黑旋风ZX系列石粉回收装置、进口的克莱博斯VDS512等，其最大单台过污水量能达到500t/h，不但能回收≥0.16mm以上细砂，也可以回收<0.16mm以下的部分石粉或泥，效果较好；普通平流沉淀池在满足废水流速和停留时间等指标效果也较好；采用水力排砂回收的细砂和石粉含水较多，脱水及运输困难；采用机械排砂效果较好。

1.2 浓密处理(细砂及石粉回收)

废水经过预处理后，废水中的细砂和石粉等悬浮物需进行浓密处理。处理后的清水达标排放或循环利用，浓密后的废浆进入脱水环节。

浓密处理工艺主要有静态沉淀池浓密技术、旋流浓密技术、辐流浓密技术等工艺方案[5]。

静态沉淀池浓密技术需要多级沉淀，并辅助添加混凝剂(聚氯化铝等)和助凝剂(丙烯酰胺等)。由于其浓密时间长，药剂危害严重，运行成本高已逐渐被淘汰。

旋流浓密技术通常采用成套设备，如DH系列水处理器，使用效果较好，最大单台废水处理可达到250t/h，废水需预加压进入设备，并辅以药剂助凝，运行成本较高。

辐流浓密技术在水电工程广泛应用，其结构上包括辐流池、浓密机或者刮泥机、地下廊道及管道等。根据进水形式又具体分为周边进水中部出水辐流浓密机、中部进水周边出水浓密机。传统辐流耙式浓密机在实际运行过程中极易出现管道堵塞，为了防止堵管，必须加大底流量、降低泥浆浓度，故产出泥浆浓度偏低，从而导致下游脱水设备产能配置增加、运转效率不高。

1.3 废浆压滤处理

废水经过浓密处理后，清水进入清水池循环利用，浓浆将通过渣浆泵抽至压滤车间采用机械压滤处理，压滤设备常见的有板框压滤机、隔膜压滤机、带式压滤机及厢式压滤机等。

2 硬梁包水电站刘河坝砂石加工厂废水处理系统设计

2.1 系统介绍

硬梁包水电站刘河坝砂石系统利用隧洞开挖石料生产人工骨料，于2019年11月破土动工建设，2020年5月投入生产。该系统成品骨料生产总量400万t，毛料处理能力850t/h，成品骨料生产能力700t/h，成品砂生产能力约280t/h，废水处理能力470t/h。由于系统整体设计先进，采用少人值守的生产方式，曾获得清华大学学者“场地全封闭、废水全处理、砂石全利用、资源全循环”的高度评价，更被誉为大渡河上的绿色粮仓。其建成后的效果如图1所示。

图1 硬梁包水电站刘河坝砂石加工厂俯视

硬梁包水电站刘河坝砂石加工厂废水处理系统包括平流池预处理系统、辐流浓密处理系统、脱水过滤压饼系统及清水循环系统四部分，系统主要设备配置见表1，废水处理工艺流程如图2所示。

表1 硬梁包水电站刘河坝砂石加工厂废水处理系统主要设备清单

图2 硬梁包水电站刘河坝砂石加工厂废水处理系统工艺流程

2.2 平流池预处理系统

2.2.1 预处理目的

主要是清除废水中的大颗粒污染物，更重要的是降低废水中的石粉含量以减轻后续废水的处理负荷，从而降低系统运行成本。

2.2.2 组成及结构

由平流池、螺旋分级机、皮带输送机等构成。其中平流池采用砖混结构下潜或半下潜设计构筑，利用过流液力分级原理对废水进行预沉处理；螺旋分级机采用通用制式设备，预埋件安装于平流池内，下部螺旋为固相物刮运段，上部螺旋为脱水段用于排除平流池底沉淀堆积的固相物料；皮带运输机采用通用制式设备，用于脱水细砂运输，安装在螺旋分级机上端出料口下方。螺旋机废水预处理系统总平面布置详见图3。

图3 螺旋机废水预处理车间平面布置

2.2.3 工作原理

废水经分水槽横向、缓慢流过平流池，尾水中细砂在重力作用下下沉堆积在平流池底；含微细粒级固相尾水经平流池溢流槽进入泵池。启动螺旋分级机转动，固相物被螺旋刮削、运输、脱水经出料口排出，产出细粒级建筑用砂，并由皮带运输机转运至成品料仓或废弃处理。细砂粒度通过调整螺旋分级机转速控制，转速高排砂粒度粗，反之变细。平流池溢流尾水采用渣浆泵泵送进入下游工段。

2.3 幅流浓密处理系统

2.3.1 处理目的

在常温、常压、无药剂(或微量添加)条件下实现废水的固、液分离，产出的清水返回供水系统循环利用，产出的高浓度泥浆送下游工段脱水制饼。

2.3.2 结构组成及功能

由辐流浓密机、泥浆周转池组成，其设计平面布置如图4所示。

图4 幅流浓密处理系统设计平面布置

2.3.2.1 辐流浓密机

用于尾水固液分离，采用国家专利《一种工业尾水环保治理系统》[4]及配套技术。

(1)辐流池：采用圆桶状结构，按下潜或半下潜设计。池底、池体采用钢筋凝土构筑或钢板制作。上部设有溢流槽，用于控制水体环四周向外流动速度，溢流槽底通过管道与下游工段之清水池联通。池底中心设计有配重混凝土块及钢板预埋件，用于安装中心轴及附件。

(2)水体安静装置：用于消除或降低尾水入池冲击力，尽可能地保证辐流池内水体安静，提高固液分离效率。由焊接在中心轴上的消力罩、消力盘、消气管、消波罩等机件组成。

(3)泥浆采运装置：用于排除沉淀堆积于辐流池底的固相物料，产出高浓度泥浆。由中心轴、驱动臂及动力机构、悬挂臂、悬挂架、刮板架及刮板、泥浆抽吸泵、环形周转槽、转运泥浆泵组成，该组件沿位于辐流池顶的环形跑道作环中心轴运动。

位于辐流池底的刮板有两组以上配置，两刮板组规格相同、方向相反，内刮板刮运方向向外、外刮板刮运方向向内。在两组件支架安装泥浆泵，固定在内刮板支架上。

环形泥浆周转槽焊接安装在中心轴上部，泥浆抽吸泵出浆管口置于环形泥浆周转槽内，固定在驱动臂上，随驱动组件转动。

泥浆转运泵固定安装在环形泥浆周转槽底部。

2.3.2.2 泥浆周转池

该池用于容纳来自辐流浓密机的高浓度泥浆，采用钢筋混凝土建筑或钢板制作。

2.3.3 工作原理

自上游预处理工段的溢流废水经渣浆泵、尾水输送管、辐流浓密机中心轴、消力罩、消力盘进入辐流池内，并呈辐射状缓慢地向辐流池四周扩散、填充。在填充过程中，废水中固相物在重力的作用下沉降堆积于池底，离析产出的清水被后续的废水推出溢流槽，经管道流入清水池。

沉淀于辐流池底的固相物被转动的刮板刮削、挤压运输形成环中心轴的环形固相物料环。启动处于环形固相物料环内的泥浆抽吸泵运转，泥浆经管道被泵送进入环形泥浆周转槽内。启动泥浆转运泵运转，环形泥浆周转槽内的泥浆经管道输送至泥浆周转池，后由高压泥浆泵送压入箱式过滤机脱水制饼。

本方案取消了传统辐流浓密机地下通道及排浆机构，消除了管道堵塞、泥浆浓度不足等结构性缺陷，可稳定地产出高浓度泥浆。

2.4 应急旋流絮凝机

当废水中泥化物过量，将在辐流浓密机辐流池底部形成一定厚度的“膏状结构层”，从而影响刮板运行。为此，需辅以应急旋流絮凝机提升固液分离能力，应急防止辐流浓密机溢流跑浑，确保系统在任何条件下全天候正常运转。

2.4.1 组成及结构

应急旋流絮凝机由捕收组件、絮凝组件、药剂组件组成，其安装后的实体结构如图5所示。

图5 应急旋流絮凝机安装效果

(1)捕收组件：用于精准捕收形成于辐流浓密机底部的“膏状泥浆”。由虹吸管、自吸泵、环形周转槽、转运泵组成。虹吸管采用钢管、钢板组焊而成，通过悬挂架安装在驱动臂上，采用升降机控制虹吸管进浆口高度。虹吸管通过软管与自吸泵进水口联通。自吸泵安装固定在驱动臂上，出浆口通过管道与环形周转槽连通，水管出水口固定在驱动臂上并随之转动，即沿环形周转槽内空转动。转运泵采用潜水型渣浆泵，固定在环形周转槽底部，出水口通过管道与下游单元的絮凝搅拌桶连通。

(2)絮凝组件：用于“膏状泥浆”混药絮凝，产出清水和高浓度絮凝泥浆。由絮凝搅拌桶、旋流浓密机、泥浆池、泥浆搅拌机组成。搅拌桶为提升式搅拌机，采用制式通用设备。旋流浓密机选用国家专利《一种旋流浓密机》及配套技术，专业厂家生产。絮凝搅拌桶出浆口通过管道与旋流浓密机射流口联通。泥浆池采用砖混砌筑或钢筋混凝土浇筑。泥浆搅拌机安装在泥浆池内，用于搅拌泥浆防止沉淀。

(3)药剂组件：用于制备絮凝药剂。由干粉螺旋给料机、搅拌桶、稀药剂储存桶、药剂泵组成，干粉螺旋给料机用于将絮凝药剂均匀地给入药剂搅拌桶，防止药剂结饼。搅拌桶用于搅拌稀释药剂，采用塑料制式设备。稀药剂储存桶用于储存稀释后的稀药剂，采用钢板制作。药剂泵用于泵送稀释药剂。

2.4.2 工作原理

当辐流浓密机池底出现一定量的“膏状结构层泥浆”时，开启泥浆捕收自吸泵，膏状泥浆经虹吸管、自吸泵、管道进入环形周转槽。开启泥浆转运泵，膏状泥浆被泵送进入絮凝搅拌桶。此时开启药剂泵，絮凝药剂与膏状泥浆混合进入絮凝搅拌桶。膏状泥浆絮凝后经管道自流射入旋流浓密机。在重力场作用下，固、液随即分离，溢流产出清水汇入清水池，底流产出高浓度泥浆汇入泥浆周转池。由此防止辐流浓密机溢流跑浑，确保系统全天候运转作业。

2.5 脱水滤饼系统

2.5.1 处理目的

脱除来自辐流浓密机的高浓度泥浆水分，产出低含水泥饼和压滤清水。

2.5.2 组成及结构

由高压泥浆泵、箱式过滤机组成，实体安装效果如图6所示。

图6 箱式脱水过滤机安装效果

(1)高压泥浆泵：采用通用制式设备，用于将高浓度泥浆压入箱式过滤机。

(2)箱式过滤机：用于脱除泥浆水分，产出低含水泥饼和压滤清水。

2.5.3 工作原理

开启高压泥浆泵，来自辐流浓密机的泥浆经管道压送注入厢式过滤机，在压力与滤布的作用下实现泥浆固、液分离，产出泥饼掉落堆存，产出清水流入清水池。

2.6 清水循环系统

2.6.1 系统功能

收集系统各点产出的清水汇入清水周转池，并经清水泵返还供水系统回用。

2.6.2 组成及结构

由环形清水管、清水池、清水泵组成。

(1)环形清水管：用于收集辐流浓密机产出清水。环辐流池固定安装，通过管道与辐流浓密机溢流槽底联通，外端与清水池联通。

(2)清水池：用于容纳来自辐流浓密机溢流清水、厢式过滤机压滤清水。采用砖混砌筑或钢筋混凝土浇筑，清水池顶一般低于辐流浓密机溢流槽底，便于清水自流入池。

(3)清水泵：用于泵送清水返还供水系统，采用通用制式设备。

2.6.3 工作原理

辐流浓密机、厢式过滤机产出清水自流进入清水池，启动清水泵，清水经管道返回供水系统循环利用。

3 系统运转效果与创新技术要点

3.1 运转效果测定

硬梁包水电站刘河坝砂石系统建成后，废水处理系统运行效果非常好。辐流池溢流槽实测SS均值为41.3mg/L，远低规范标准要求的70mg/L的，在厢式过滤机下方，实测清水的SS值为19.8mg/L、泥饼含水量23.84%～28.68%。为了进一步验证本套废水处理系统的效果，分别在平流沉淀池进口、辐流浓密池进口对废水中固体的不同粒径占比进行了测定(详见表2)，结果显示平流池对于粒径大于0.315mm的预处理效果明显。

表2 不同位置废水固体颗粒占比

3.2 创新技术要点

(1)细砂再收：废水处理系统中增加平流池+多级螺旋分级机预处理系统，利用水力分级原理，完成了0.315mm以上固相物的回收利用，对优化砂子细度模数级配作出了贡献，保证了砂子产品质量。同时，通过调整螺旋分级机转速控制，还可控制回收<0.16mm以下的部分石粉。

(2)泥浆采运：辐流浓密机采用泥浆刮板+泥浆抽吸泵+环形转运槽+泥浆转运泵联合作业，取消了传统辐流浓密机池底地下通道排浆技术方案，克服了泥浆管道堵塞的技术性缺陷，可稳定地产出高浓度泥浆(浓度可达50%～60%)，大大减少下游脱水压滤制饼工段设备配置，对降低工程造价及系统运行成本均有重要意义。

(3)物料堆存：本方案辐流浓密机具有一定的物料堆存功能，即尾水停止进入滞后继续作业，可充分利用两班之间间隔时间，减少下游脱水压滤制饼设备配置、降低工程造价。

(4)水体安息：尾水在辐流池固、液分离效率直接关系到系统运转成本，分离效率与辐流池面积、尾水量、尾水浓度有关，特别是与水体的安静程度有关。本系统采用消力罩、消力盘、消气管、消波罩联合作业，有效保证了水体安静，即从技术手段上保证了辐流浓密机固液分离高效率。

4 结语

中国为后起的工业化国家，改革开放40余年的环保欠账沉重，工业、农业、矿山业、建筑砂石业、农牧养殖业等行业产生的固、液混合物尾水、废水污染环境十分严重，是环境保护性治理的重中之重。因此，市场呼唤一种较传统运转成本低、建设造价低、占地面积小、环保等级高的现代化固液混合尾水、废水治理技术方案。新型辐流浓密机废水处理系统有效解决了常用辐流浓密机废水处理系统辐流池底部廊道排泥浆堵管的问题；增加应急旋流絮凝车间，极大地提高了辐流池沉淀处理的效率；新型浓密机排泥结构简单巧妙，为成套设备，安装简便；辐流池结构简单，土建施工简单，工期快捷；新型浓密机规格直径型号较多，采用增加排泥槽的分段排泥和分段抽取中间层悬浮物的出泥浆方式，可较容易地做到规格直径50m以上；系统维修、运行简单。本技术方案建设造价、运转成本、环保等级等各项指标均能满足市场的刚性需求，较之于现存传统技术方案有替代性市场优势，故在可以预见的时间内有着广阔的市场推广前景。