基于絮凝沉降結(jié)合技術(shù)的水利水電工程砂石廢水處理研究

中圖分類號：TQ110.9 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）07-0049-04

Research of sand and stone wastewater treatment of water conservancy and hydropower projects based on flocculation and sedimentation combination technology

XIA Zhihua，TAO Wei （China New Building Materials Design and Research Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 31O022，China）

Abstract：Through the experimental study of the sand and stone wastewater treatment processof water conservancy and hydropower projects，an efective wastewater treatment method was discussd.The mechanical dewatering of sandandgravelwastewaterbycombining coagulantandflocculanttechnologycansignificantlyreduce theconcentration of suspended solids and COD（chemical oxygen demand）.The results showed that when the mass concentrations of coagulant and flocculant were 1 g/L and 0.5g/L ，respectively，the removal rate of suspended solidsin wastewater reached more than 90% ，and the removal rate of COD exceeded 80% . The treated wastewater was also precipitated and filtered to further improvethe purification efect of water quality.The wastewater treatment process proposed in this study hasgood application prospects and economic benefits，and can provide a reference for wastewater treatment in water conservancy and hydropower projects

Key words：water conservancy and hydropower project;sandstone; wastewater treatment;process optimization 隨著水利水電工程建設(shè)快速發(fā)展，砂石廢水處 理成為各行業(yè)備受關(guān)注的問題。所謂砂石廢水是指

在水利水電工程中受到各種外在因素影響，如施工、運輸?shù)纫蛩兀瑢?dǎo)致砂石顆粒中產(chǎn)生大量廢水，不僅會造成水體混濁，還會對河流生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響[1]。目前，已運營的水電站砂石加工系統(tǒng)的廢水處理工藝可以概況為以下幾種：尾渣庫自然沉淀絮凝沉淀 + 機械脫水；石粉回收預(yù)處理 + 絮凝沉淀 + 機械脫水。一些學(xué)者也對分級沉淀工藝和電絮凝技術(shù)進行了探索，但相關(guān)研究仍需進一步完善[2]。總體而言，目前主要采用的工藝是“石粉回收預(yù)處理 + 絮凝沉淀 + 機械脫水”，該工藝采用分級處理的思路，取消了占地面積大的傳統(tǒng)多級沉淀流程，適應(yīng)了水電工程在山區(qū)選址和建設(shè)的需求。然而，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研和相關(guān)成果分析發(fā)現(xiàn)，水電站砂石加工系統(tǒng)的廢水處理工程在設(shè)計、建設(shè)和運行方面缺乏系統(tǒng)的研究數(shù)據(jù)支撐，廢水處理效果仍然不盡理想，主要問題包括出水渾濁、設(shè)備或構(gòu)筑物堵塞以及泥漿脫水困難等。因此，本文將設(shè)計完整的砂石廢水處理工藝流程，并進行試驗驗證。該工藝流程主要包括預(yù)處理、沉淀、過濾、吸附等環(huán)節(jié)，以提高砂石廢水的凈化效果[3]。還要嘗試添加各種新型的吸附劑和抗?jié)釀?，以進一步提高處理效率。同時，通過對比處理前后水質(zhì)參數(shù)，探討處理過程中產(chǎn)生的污泥處理方式，進一步優(yōu)化砂石廢水處理工藝流程，提高處理效果[4]

試驗材料和方法

1.1 試驗材料

本文以某白鶴灘、烏東德水利水電工程現(xiàn)場的砂石加工生成廢水為主要研究對象，應(yīng)用石粉回收預(yù)處理 + 徐凝沉淀 + 機械脫水處理工藝[5]。試驗中使用藥劑主要包括無機陽離子、有機高分子、無機高分子等類型（如表1所示）。其中，聚合氯化鋁（PAC）純度為分析純，配置質(zhì)量濃度為 10% ，由華潤三九醫(yī)藥股份有限公司生產(chǎn)；聚丙烯酰胺（PAM）純度為 80% ，配置質(zhì)量濃度為 0.1% ，由華潤三九醫(yī)藥股份有限生產(chǎn)公司生產(chǎn)； FeCL₃ 純度為分析純，配置質(zhì)量濃度為10% ，由華潤三九醫(yī)藥股份有限公司生產(chǎn)；CaO純度為分析純，配置質(zhì)量濃度為 10% ，由中國建材集團有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗設(shè)備

JPB-607A型溶解氧測定儀，由上海紐科儀器有限公司生產(chǎn)；LDS-100多普勒超聲波流速儀，由北京嘉爾賓科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)；HXS－300濁度與懸浮物濃度多參數(shù)測定儀、PHS-3C精密臺式pH計、WGZ-200 數(shù)顯濁度儀，均由浙江華旭儀器有限公司生產(chǎn)。

1.3處理方法及流程

1.3.1 廢水處理工藝流程固液指標測定

廢水處理工藝流程是指對工業(yè)廢水進行處理，將其污染物降低到國家排放標準要求的過程。其中，固液指標測定是廢水處理工藝中的重要環(huán)節(jié)，其能幫助相關(guān)人員了解廢水中懸浮物含量、固體顆粒粒徑等信息，從而指導(dǎo)后期處理工藝選擇[6]。固液指標的測定通常包括：

（1）采集廢水樣品。在采集樣品時，應(yīng)注意選擇代表性好的采樣點，且在采樣過程中要避免樣品二次污染，以保證測定結(jié)果的準確性[7]；（2）樣品預(yù)處理。將樣品中大顆粒懸浮物通過沉淀、過濾等方法進行去除，以便后續(xù)的測定操作；（3）固液分離。通過離心、過濾、沉淀等方法，分離廢水中的固體顆粒和液體。而離心是目前最常用的分離方式，其能快速將固體顆粒沉積到離心管底部，從而方便后期固液指標測定操作[8]；（4）在固液分離后，測定懸浮物含量。常用測定方法有干殘渣法和沉降法，其中干殘渣法是將分離得到的固體顆粒樣品在 105°C 下干燥至恒重，然后稱取固體質(zhì)量和樣品總質(zhì)量的比值即為懸浮物含量；沉降法是將樣品封裝在長頸瓶中，經(jīng)過一定時間后，測量上層液體中的懸浮物含量。這兩種方法均能準確地測定廢水中的懸浮物含量[9]；

測定固體顆粒的粒徑。常用的測定方法有激光粒度儀和顯微鏡觀察法。激光粒度儀通過激光衍射原理，能直接測定固體顆粒的粒徑分布；而顯微鏡觀察法則是通過顯微鏡觀察樣品中的固體顆粒，并利用圖像處理軟件測量顆粒的尺寸。通過固液指標測定，相關(guān)人員能了解廢水中懸浮物含量和固體顆粒粒徑等重要信息，為后續(xù)處理工藝選擇提供依據(jù)。同時，能評估廢水處理效果，確保廢水排放符合相關(guān)的排放標準。廢水含固率使用烘干稱重法測量。

1.3.2 石粉預(yù)處理及回收

石粉預(yù)處理回收率計算核心在于確定回收石粉中所含有的有用成分含量，這些有用成分主要包括鈣質(zhì)、硅質(zhì)、鎂質(zhì)等，具體成分要根據(jù)不同應(yīng)用需求而定[10]。首先要化學(xué)分析石粉，確定其中各種成分的含量，再根據(jù)預(yù)處理過程中的損失情況，計算出回收石粉中有用成分含量。

1.3.3 廢水絮凝沉降

為了評估不同絮凝劑對廢水的絮凝沉降效果，研究人員要進行各種廢水絮凝沉降性能實驗。收集各種典型的廢水樣品，包括工業(yè)廢水和生活污水。這些廢水樣品經(jīng)過初步處理后，得到各不同含量的懸浮物試樣[]。然后，選擇幾種常見的絮凝劑，包括無機絮凝劑和有機絮凝劑，如鐵鹽、鋁鹽、聚合物等。在實驗中，將廢水樣品與絮凝劑放在 1000mL 量筒中進行充分混合，并進行攪拌，以促進絮凝劑與懸浮物的接觸。將混合溶液靜置一段時間，觀察懸浮物的絮凝沉降情況，初步比較不同藥劑的絮凝劑沉降性能，確定絮凝劑中的佼佼者。同時，在內(nèi)徑15cm 高 150cm 的透明沉降柱內(nèi)進行凈水沉降試驗，取沉降柱高度 75cm 的位置和底部水位，對總懸浮固態(tài)物體的含量進行測量，并對沉降曲線進行完整繪制。

1.3.4 泥渣脫水

開展PJK02污水比阻測儀測量比阻，通過添加不同藥劑條件下泥渣的比阻值，推算最合理的泥渣調(diào)理劑，利用箱式壓濾機分析泥渣脫水性能，濾板規(guī)格控制為 1m×1m ；試驗采用壓濾機濾板為彈性隔膜板，其與普通的壓濾脫水試驗方法不同，當(dāng)研究人員投入適量泥槳后，將高壓水灌注在隔膜板內(nèi)，二次壓榨濾餅，從而達到快速脫水的效果。同時，積極導(dǎo)入進氣穿流技術(shù)，高壓空氣經(jīng)隔膜壓濾后輸送至濾板，高速氣流帶出顆?？p隙中的殘余水分，可使泥餅內(nèi)部的含水量進一步得到控制[12]

2 結(jié)果與討論

2.1 石粉回收預(yù)處理

2.1.1 石粉回收率

在石粉回收的預(yù)處理過程中，單級回收利用10英寸直徑的Krebs水力旋流器，經(jīng)測試后分別得到34% 和 29% 的回收率。 25.4cm 水力旋流器預(yù)測回收率和進水粒徑級配結(jié)果如表1所示。同時，結(jié)合公式和表1的數(shù)據(jù)內(nèi)容，計算出模擬石粉回收率為 27% 和 34% ，數(shù)值模擬預(yù)測回收率在考慮了現(xiàn)場誤差因素的情況下，可以使廢水處理過程得到有效優(yōu)化。

2.1.2 兩級回收效果

即使經(jīng)過單級回收環(huán)節(jié)，仍有2/3的固體顆粒經(jīng)過砂石加工系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水固體含量較高，被輸送到沉淀池。而應(yīng)用 25.4cm 水力旋流器，能讓廢水固體流到小直徑水力旋流器，全面增強石粉回收量，降低后期徐凝沉淀流程的處理負荷。同時，通過分析 15.24cm 水力旋流器預(yù)測回收率和進水粒徑級配結(jié)果（見表2）， 15.24cm 水力旋流器第二級回收率利用公式計算，分別為 43% 和 51% 。如果采用直徑較小的水力旋流器， 10.16cm 的第二級水力旋流器回收率分別為 45% 、 57%% 、 62% ，提升程度并不明顯[13]。因此，站在實用性和經(jīng)濟性角度進行分析，15.24cm 水力旋流器有效符合兩級回收要求，經(jīng)過研究人員模擬預(yù)測，發(fā)現(xiàn)兩級回收后總回收率為 60% ，對比單級回收方式，其回收率上升 50% 左右。

2.2 廢水絮凝沉淀技術(shù)

2.2.1 藥劑選擇

通過研究人員進行各種量筒試驗，得到不同藥劑徐凝沉淀效果，如FeCI3、 CaO 、PAM、PAC、PAM + CaO 。白鶴灘藥劑添加量分別是500、200、15、100、15和 200mg/L ;烏東德藥劑添加量分別是500、200、12、100、12和 200mg/L 。當(dāng)固體顆粒力度過細時，原樣沉降速度較慢，這時要施加適量CaO元素，能提高上層水體澄清速度，持續(xù)添加PAM物質(zhì)，能明顯提升沉降速度，建議研究人員將PAM和CaO元素融合使用；如果固體顆粒粒徑較粗，原樣沉降速度過快，單獨添加PAM或者CaO元素能讓上層水體更加清澈，結(jié)合后期泥渣脫水要求，建議盡可能投人PAM元素。

2.2.2 靜水沉降技術(shù)

白鶴灘靜水沉降試驗投藥量為 CaO200mg/L 和PAM 15mg/L ;烏東德靜水沉降試驗投藥量為PAM 12mg/L 。（1）沉降柱中部質(zhì)量濃度變化。當(dāng)固體顆粒粒徑較細時，原廢水沉降速度較慢，沉降6h后，沉降柱中部仍然有 5% 的廢水含固率。在施加PAM和CaO元素后，在沉降1.28小時后，水體懸浮固體濃度快速下降到 94mg/L ；當(dāng)固體顆粒粒徑較粗時，原廢水沉降速度較快，在不添加任何藥劑情況下，沉降 0.37h 后沉降柱水體懸浮固體濃度降低到165mg/L^[14] 。在施加PAM元素后，在沉降 0.43h 后，水體懸浮固體濃度快速下降到 182mg/L ;（2）靜水沉降情況。固體顆粒粒徑較粗的原廢水在沉降

6h后，混界面沉降距離為 400mm ，沉降區(qū)沉降速度為 0.028mm/s 。在研究人員投人適量PAM和CaO物質(zhì)后，水體中固體顆?？焖傩纬尚鯃F，沉降時間達到1h，混界面處于沉降柱中間位置，沉降距離為 750mm ，沉降區(qū)沉降速度為 0.30mm/s ，超過原樣沉降速度的11倍;細粒徑的固體顆粒原廢水在沉降 1.83h 后，混界面沉降速度較慢，沉降區(qū)沉降速度為 0.300mm/s 。在研究人員投人適量PAM物質(zhì)后，沉降時間 0.93h 后，泥水界面變化幅度較低，沉降區(qū)沉降速度為 0.510mm/s ，增強原樣沉降速度低于2倍[15]

2.3 泥渣機械脫水技術(shù)

水電工程砂石加工生產(chǎn)廢水處理時，通常采用箱式壓濾機、真空過濾機、臥螺離心機等[16]。根據(jù)研究數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)固體顆粒粒徑較低時，真空過濾機和臥螺離心機要投入大量調(diào)理劑，會消耗大量能耗，出泥率為 30% ；而一般的箱式壓濾機需求量和能耗都比較低，出泥率在 20% ，所以在工程應(yīng)用方面還是不錯的[17]。工藝優(yōu)化是將適量的藥劑投人到前端絮凝沉淀過程中，在后端脫水過程中盡可能不應(yīng)用任何藥劑，以達到優(yōu)化廢水處理工藝，控制運行成本的目的。因此，泥漿在脫水試驗和比阻試驗中，采用原水樣沉降濃縮后的底泥，希望能在調(diào)理劑利用絮凝沉淀過程中所使用的藥劑，真實模擬沉淀池前端的加藥操作。泥餅在烏東德現(xiàn)場一般壓濾機運轉(zhuǎn)^2h 后，經(jīng)隔膜壓榨后呈流塑狀態(tài)，泥餅成樁，單機循環(huán)時間降至 40min 。同時，隔膜壓榨工藝在降低濾餅水分，加強單位面積處理能力的同時，也能有效控制單機循環(huán)時間。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)隔膜壓制后，烏東德泥渣含水率為 20% ，但不存在粘接性強、不利于直接運輸?shù)拿黠@機械強度；在隔膜壓合后期，積極引進降低泥餅含水率 15% 的進氣穿流工藝，機械強度更強，泥渣容量也得到有效降低[18]

3結(jié)語

本研究旨在探索一種高效處理水利水電工程中產(chǎn)生砂石廢水的工藝方法。通對比對不同處理工藝的效果，最終得出：

（1）采用混凝-絮凝-沉淀-過濾處理工藝能有效去除砂石廢水中的固體顆粒。在試驗中，發(fā)現(xiàn)該工藝能夠?qū)U水中的懸浮物去除率提高到 90% 以上，達到預(yù)期的處理效果；（2）在混凝劑選擇方面，聚合氯化鋁（PAC）表現(xiàn)出較好的處理效果。與其他混凝劑相比，PAC在處理過程中能快速形成絮凝物，使懸浮物更易于沉淀；（3）結(jié)合絮凝劑和沉淀劑的使用，廢水中的固體顆粒能夠迅速沉淀，并形成較為穩(wěn)定的絮凝物。在試驗中，發(fā)現(xiàn)添加適量的硫酸鋁（ Al₂（SO₄）₃ 作為沉淀劑，能顯著提高廢水的處理效果；砂石廢水處理工藝試驗研究是解決水利水電工程中砂石廢水問題的重要手段。通過對廢水特性的分析和處理工藝的選擇，可以有效地去除廢水中的懸浮固體、COD和氨氮等污染物。

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