化工廠區初期雨水收集系統設計探討

吳鵬飛,王 默,趙積洲,吳俊義

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

由于化工項目的特殊性,在化工企業生產、運輸或維修過程中,可能因某些跑、冒、滴、漏現象或廢氣污染物的擴散沉降,廠區露天的生產裝置區、原料或產品儲罐區以及裝卸區等區域常常容易附著有污染物質,這些區域通常劃分為“污染區”。在降雨初期,這些附著的污染物質會隨著雨水的沖刷進入地面徑流。初期雨水中污染成分隨化工廠區原輔料及產品種類的不同而各有差異,常出現pH值、COD、氨氮、石油類、SS等污染物濃度超標。若不對初期雨水進行收集及處理,任其直接隨雨水管網排出廠外,將污染受納水體。本文結合湖北省內化工項目實際工程,對化工廠區內初期雨水收集系統的設計進行探討。

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。在設計過程中,需根據各建/構筑物類型、涉及的物料結合項目總平面布置,將化工廠區內各裝置、工序等劃分為污染區以及非污染區,其中,污染區需進行初期雨水收集。

2 初期雨水收集方式

初期雨水的收集通常有兩種方式:集中收集和分區收集[1]。

2.1 集中收集

集中收集方式也稱末端統一收集,是指整個化工廠區設置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,其優點為廠區初期雨水池的運行、維護以及管理相對而言較為容易;缺點為不適合占地面積較大的廠區以及污染區較分散的廠區。由于初期雨水收集采用重力流方式,初期雨水收集池需設置在廠區低點,管路較長,管徑較大,埋深較深。集中收集方式主要應用在占地面積不大或污染區分布相對較集中的廠區。

以湖北省內某合成氨項目為例,其主要工藝路線為:利用水煤漿氣化技術生產合成氨。根據該項目的環評報告可知,在進行初期雨水池容積核算時,以廠區總占地面積×降雨深度的方法計算初期雨水池有效容積,計算結果約11 000 m3。該項目初期雨水收集采用集中收集方式,但未區分污染區與非污染區,對廠區占地面積全部考慮收集。在此項目詳細工程設計階段,出于設計優化考慮,對項目污染區與非污染區進行了劃分,鑒于項目污染區相對較為集中,仍采用集中收集方式,但僅收集污染區初期雨水。經核算,初期雨水池容積約3 000 m3。該合成氨項目初期雨水集中收集示意見圖1。

圖1 某合成氨項目廠區初期雨水集中收集示意

2.2 分區收集

分區收集方式是指整個化工廠區設置多個初期雨水池,對污染區各自單獨收集;或對幾個布置較集中的污染區進行集中收集,其他分散的污染區進行單獨收集。其優點如下: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。其缺點如下:初期雨水池設置的數量較多,企業對其日常運行管理及維護相對集中收集方式而言會較為復雜。初期雨水分區收集方式通常應用在中大型化工廠區。

湖北省內某合成氣綜合利用項目采用水煤漿氣化技術生產合成氣制尿素、食品級CO2等化工產品,該項目占地面積較大,在工藝裝置區、液體貯運設施區、裝卸區及其他輔助生產設施污染區共設置11座初期雨水池,分別收集各污染片區的初期雨水。該合成氣綜合利用項目初期雨水分區收集示意見圖2。

圖2 某合成氣綜合利用項目廠區初期雨水分區收集示意

2.3 小結

對于集中收集方式而言,遠處污染區的初期雨水進入全廠初期雨水池時,近處污染區流入全廠初期雨水池的雨水屬于清凈雨水。化工廠區內不同污染區與初期雨水池的距離不一致,進入初期雨水池的徑流時間也各不相同。距離近的區域,徑流時間短;距離遠的區域,徑流時間長。整體而言,分區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規范》[2]規定,在進行初期雨水池及地下污水管道的防滲設計時,初期雨水池的底板及壁板、地下污水管道屬于重點污染防治區,防滲等級要求高。相比集中收集方式,分區收集方式初期雨水的埋地管道長度更短,在節省工程投資的同時,也有利于降低污染物滲漏并污染地下水的風險。

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

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四周設置圍堰或環溝、在罐區設置防火堤或圍堰以及排水溝、集水坑等措施。初期雨水經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施處理。

前文提到的湖北省內某合成氨項目及某合成氣綜合利用項目,其初期雨水的收集措施均為:在工藝生產裝置污染區四周設置圍堰或環溝、圍堰內設置有集水井;液體罐區設置有防火堤或圍堰、防火堤內設置有集水溝及集水井。初期雨水經防火堤或圍堰/環溝截留后,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GB/T 50483—2019《化工建設項目環境保護工程設計標準》[3]中第2.0.8條規定,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 暴雨強度公式

參照GB 50014—2021《室外排水設計標準》[4]中第4.1.7條的規定,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為暴雨強度,L/(hm2·s);Ψ為徑流系數,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計規范》[5]中第3.1.1條的規定,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為污染區面積,m2。

方式一的計算相對較麻煩,需要查找項目所在地的暴雨強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,在確定污染區面積的基礎上,選擇合適的降雨深度即可計算初期雨水池的容積。

根據GB/T 50483—2019的條文解釋,降雨初期15～30 min雨量在實際操作中難以控制,根據設計經驗,為提高標準的實用性,采用“降雨初期20～30 mm厚度的雨量”為初期污染雨水。

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

王堃[7]認為: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初期雨水收集方式有關。采用集中收集方式時,降雨深度宜取大值;采用分區收集方式時,降雨深度宜取小值。夏安林[8]認為:降雨深度的取值與項目實際情況有較大關系。廠區污染的輕重、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。雨季較多的地區宜采用低限值,旱季較多的地區宜采用高限值。

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

綜上所述,化工項目在進行初期雨水量計算時,建議優先采用降雨深度計算法(取降雨初期15～30 mm厚度值)進行計算。同時,設計階段降雨深度的取值應滿足環評報告要求。

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現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行開啟或關閉,需要現場操作人員對切換點進行判斷。如人員不按操作規程進行正常切換,就達不到初期雨水清污分流的效果。另外,也不利于環境保護主管部門對企業初期雨水的監管。

自動切換控制方式即采用聯鎖方式控制管路上電動閥門的開啟及關閉,實現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鎖,以初期雨水池內液位的高低作為輸入信號進行切換操作。目前,化工廠區應用較多的控制方式為液位聯鎖的自動切換控制方式。

如圖3所示,常規情況下電動閥a常閉,電動閥b常開。在出現降雨時,廠內污染區的初期雨水經收集系統逐步流入初期雨水池。當初期雨水池中的液位上升至高液位時(見圖4),液位信號聯鎖開a、關b,此時的雨水為清凈雨水,通過閥a進入廠區雨水管網系統。根據廠內污水處理站的實際處理富余能力,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施處理。按照GB 50684—2011《化學工業污水處理與回用設計規范》[10]中第3.0.2條的要求,初期雨水池內的初期雨水需在5 d時間以內排空,即初期雨水提升泵可參照上述規范選取合適的排空時間來確定其提升泵的流量。待初期雨水池內液位下降到低液位(停泵液位)時,通過聯鎖控制停止提升泵的運行。待降雨結束且初期雨水池排空后,需手動開b、關a,也可通過控制室遠程手動按鈕操作開b、關a,恢復電動閥a、b的常規狀態。

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目及某合成氣綜合利用項目,其初期雨水切換控制均采用液位聯鎖的自動切換方式,也屬于目前較為主流的控制方式。

6 結語

化工廠區初期雨水中污染物濃度通常不能滿足排放標準要求,需對初期雨水進行收集處理,避免通過廠區雨水管網系統直接外排,污染受納水體。

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

(2)化工項目在進行初期雨水量計算時,建議優先采用降雨深度計算法(取降雨初期15～30 mm厚度值)進行計算。同時,設計階段降雨深度的取值應滿足環評報告要求。

(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,減少人為干預次數,降低人為因素造成的不利影響。