岩性对砂石加工高浓度废水动态辐流沉降特性的影响_郭辉.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：水能资源利用关键技术湖南省省重点实验室开放研究基金（）作者简介：郭 辉（），男，安徽霍邱人，正高级工程师，博士研究生，研究方向为生态水利。：通信作者：陈 端（），男，四川大竹人，正高级工程师，博士，研究方向为生态水力学。：，（）：岩性对砂石加工高浓度废水动态辐流沉降特性的影响郭 辉，於思瀚，陈 雯，黄明海，陈 端，（中南勘测设计研究院有限公司 水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，长沙；长江科学院 水力学研究所，武汉；长江科学院 流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉；长江勘测规划设计研究有限责任公司 市政与交通工程设计院，武汉）摘 要：为探明岩性对水电工程砂石加工高浓度废水辐流池动态沉降特性的影响，以白鹤滩水电站砂石加工系统废水处理工程辐流池为例，基于动态沉降试验模型律，建立废水动态辐流沉降大比尺物理模型试验，分析以玄武岩和灰岩为料源的砂石骨料加工废水动态辐流沉降规律。试验表明：采用 和 联合投加可改善废水沉降浓缩效果，出水悬浮物去除率高于；玄武岩废水工况下，辐流池中部流速较高，固体颗粒呈现沿水深线性沉降浓缩的去除模式；灰岩废水工况下，辐流池底部流速较高，固体颗粒呈现先沿水深快速沉降，后在底层逐渐浓缩的去除模式；相较于灰岩废水，玄武岩废水自然沉降性能较差，辐流沉淀过程中对排泥速率控制的要求更高。研究成果可为水电工程绿色施工提供技术支撑。关键词：水电工程；砂石系统；岩性；高浓度废水；动态辐流沉降；物理模型中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（.，；.，；.，；.，）：，；，第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 ：；研究背景砂石加工系统被誉为水电工程的粮仓和命脉。为减少砂石骨料裹粉量，保障混凝土施工质量，水电工程砂石骨料以湿法生产为主，生产 砂石骨料大约产生 废水，废水悬浮物浓度可高达 以上，具有水量大、浓度高的特点，。水电工程砂石加工系统料源岩性不同，废水沉降特性差异显著。目前，水电工程砂石加工废水主流处理工艺为“水力旋流预处理辐流沉降浓缩机械压滤脱水”，其中“辐流沉降浓缩”工艺环节是出水水质满足回用或排放要求的关键，辐流池清混液面位置变化、底部泥浆浓缩效果和废水加药量等工程设计运行参数大多通过经验或静水沉降试验获取，不能反映不同岩性砂石加工废水沉降浓缩过程的空间尺度和水流的动态性，这些动态沉降特性可通过辐流池内浓度、流速等特征指标的空间分布规律来表征。废水特性与料源岩性关系密切，不同岩性料源产生的废水特性可能差异显著，有必要定量揭示岩性对废水沉降浓缩过程的影响规律，避免实际生产过程中采用相同的处理策略。本文以金沙江下游白鹤滩水电站砂石加工系统废水处理工程辐流沉淀池为研究对象，基于大比尺物理模型试验，从废水特征界面高度时间变化、废水浓度空间分布和流速空间分布 个方面，对以玄武岩和灰岩为料源的砂石骨料加工高浓度废水动态辐流沉降规律进行分析，为类似工程设计、运行及工艺标准化提供科学依据。研究方法 研究对象白鹤滩水电站位于金沙江下游，建成后将成为中国第二大水电站，其砂石加工系统为电站建设提供混凝土骨料保障，主要料源为玄武岩和灰岩。试验废水取自废水处理工程辐流沉淀池配水井，为确保所取废水为原样，取样前 停止向配水井内投加混凝药剂。监测表明：玄武岩加工废水辐流池进水浓度约 ，灰岩加工废水辐流池进水浓度约 ，辐流池表面负荷 （），废水中所含固体颗粒基本沉降至辐流池底部，进水和底泥中颗粒粒径级配基本一致（图），玄武岩中值粒径分别为 和 ，灰岩中值粒径分别为 和 ，模型试验采用的工况参数与原型生产运行参数一致。0.11 01 0 01 0 0 002 04 06 08 01 0 00.11 0 01 0 0 002 04 06 08 01 0 011 01辐流池进水辐流池底泥辐流池进水辐流池底泥小于某粒径的颗粒质量百分数/%小于某粒径颗粒的质量百分数/%(a)玄武岩加工废水(b)灰岩加工废水图 废水颗粒粒径级配曲线 试验设计 动态沉降相似条件根据高浓度废水沉降相似性的研究成果，动态辐流沉降特性物理模型试验需同时满足几何相似、异重流发生相似和沉淀浓缩过程相似。（）几何相似。为反映辐流池垂向沉降浓缩过程，一般采用变态模型，垂向比尺大于平面比尺。原型和模型几何相似，可表征为，（）。（）式中：和分别为原型和模型的平面几何尺寸；长江科学院院报 年 为平面几何比尺；和分别为原型和模型的垂向几何尺寸；为垂向几何比尺。（）异重流发生相似。辐流池内水流作用力包括重力、浮力、压力、惯性力等，做到完全水流运动相似十分困难。在动态辐流沉降过程中，水流速度很小，浑水异重流是砂石加工高浓度废水基本运动特征，浮力是主要作用力，其他因素可近似忽略。原型和模型异重流发生相似，可表征为 。（）式中：和分别为原型和模型的阿基米德数；和 分别为原型和模型的清水和废水比重差，；和分别为原型和模型的清水比重，；和分别为原型和模型水平流速，；和分别为原型和模型的垂向几何尺寸。（）沉淀浓缩过程相似。根据沉淀池中高浓度废水沉降动态沉降浓度规律，可得出原型和模型动态沉淀浓缩过程相似条件，即 。（）式中：和分别为原型和模型的动静关系常数，；和分别为原型和模型表面负荷，；和分别为原型和模型的浓缩参数，。动态沉降试验模型动态试验模型与原型表面负荷相同，则；试验废水浓度与原水浓度一致，则；动态试验模型与原型过程相似，系数具有比较确定的值，可取；动态试验模型与原型清水比重基本一致，则。将上述比尺常数代入式（）和式（）可得：流速比尺 ；垂向几何比尺 。时间比尺；流量比尺；浓缩参数比尺。动态沉降模型设计以白鹤滩砂石废水处理工程辐流池为原型，辐流池半径 ，周边水深 ，底坡，池中心水深。为更真实模拟动态沉降浓缩过程，动态辐流沉降试验模型宜采用较大几何尺寸，但对试验成本及供水供沙能力要求很高。一般认为，池体边壁对废水的径向和垂向沉降过程影响较小，可采用小辐射角度的局部物理模型开展沉降规律研究。本文动态试验模型采用 辐射角局部模型，采用有机玻璃制作，如图 和图 所示，模型半径，水平几何比尺，垂向几何比尺，即模型周边水深 ，试验表面负荷 （）。图 动态辐流沉降试验布置 0.6 4 m(a)垂向(b)平面0.2 0 m2 2.5ABCDR 3.2 mABCD图 试验监测断面和监测点布置 试验步骤试验研究分为自然沉降和混凝沉降 个工况情景。静水沉降试验在 高沉降柱内开展，试验过程中记录清浑液面沉降距离随时间变化过程，确定适宜加药量。动态辐流沉降试验通过泥浆泵抽取配水池中的废水至高位稳流池，稳流池通过管道向辐流池模型输送恒定流量的废水，管道上安装电磁流量计和阀门控制流量，并通过计量泵投加混凝药剂。与市政污水处理连续运行不同，水电工程砂石加工废水处理工程一般为每天间歇运行，试验过程和现场生产过程一致，包括充水和连续进出等过程。如图 所示，自辐流池物理模型进水端，沿径向设置 共 个监测断面，断面水平间距 ，每个监测断面沿水深设置 个监测点，垂向间距 。废水浓度采用重量法测量（水质悬浮物的测定重量法（），悬浮固体粒径级配采用激光粒度仪（）测量，流速采用电磁流速仪（）测量。第 期郭 辉 等 岩性对砂石加工高浓度废水动态辐流沉降特性的影响 结果与讨论 岩性对静水沉降特性的影响清浑液面静水沉降曲线如图 所示，根据清浑液面自由沉降阶段沉降距离单位时间变化率计算静水 沉 速，玄 武 岩 废 水 自 然 沉 降 静 水 沉 速 约 ；通过多组次药剂优选试验，选用（阴离子 万分子量）联合投加后，废水沉降浓缩性能显著改善，混凝沉降静水沉速增大到约 ，是自然沉降静水沉速的 倍。灰岩废水自然沉降静水沉速约 ；通过多组次药剂优选试验，选用（阴离子 万分子量）联合投加后，废水沉降浓缩性能进一步改善，混凝沉降静水沉速增大到约 。玄武岩废水自然沉降性能较差，需要依靠水处理药剂提升沉降效率；灰岩废水自然沉降性能较好，其沉降速度显著优于玄武岩废水自然沉降性能，甚至可达到玄武岩废水混凝沉降性能。静水沉降试验优选的加药量应用于后续辐流池动态沉降试验。图 清浑液面静水沉降曲线 岩性对辐流池特征界面高度变化的影响从动态辐流沉降试验效果看（图），玄武岩和灰岩废水混凝沉降条件下，废水中颗粒之间通过凝聚、架桥等作用，形成絮团，呈现群体沉降状态，清浑液面清晰可见；灰岩废水的清浑液面显著低于玄武岩废水的清浑液面，呈现较优的混凝沉降和浓缩性能。从特征界面高度时间变化规律（图）来看，玄武岩废水混凝沉降条件下，絮凝后固体颗粒沿辐流池深度方向浓缩效果逐渐增强，泥位不清晰，但监测断面 处清浑液面清晰可见，清浑液面单位时间上升速率约为 ；灰岩废水混凝沉降条件下，试验初期，清浑液面不清晰，随着水位上升，清浑液面和泥位呈同步线性升高趋势，监测断面 的泥位上升速率约为 ，泥浆浓缩性能较好；玄武岩废水沉降过程中清浑液面上升速率约为灰岩图 动态辐流沉降试验效果 废水清浑液面上升速率的 倍，为维持辐流池连续运行，玄武岩废水沉降过程对排泥速率控制的要求更高，需保障清浑液面或泥位处于动态稳定状态，建议配置足够数量的高效隔膜压滤机，提升泥浆处理效率。图 各监测断面特征界面时间变化 岩性对辐流池浓度空间分布的影响从废水处理效果看，玄武岩废水混凝沉降条件下，废 水 进 水 浓 度 约 ，出 水 浓 度 约 ，去除率约；灰岩废水混凝沉降条件下，废 水 进 水 浓 度 约 ，出 水 浓 度 约 ，去除率约；玄武岩和灰岩废水悬浮固体去除率均较高，满足生产需要。长江科学院院报 年 各监测点浓度空间变化规律见图。(a)玄武岩(b)灰岩05010015020025030035040002004000123450204060804005006000200 400 600012345246810121424681012140.581.171.752.342.923.514.094.680.581.171.752.342.923.514.094.68浓度/(kgm-3)浓度/(kgm-3)浓度/(kgm-3)浓度/(kgm-3)ABCDABCD水深/m水深/m水深/m水深/m水平距离/m水平距离/m图 各监测点浓度空间变化规律 从辐流池水平方向废水浓度变化规律看（图 左），玄武岩和灰岩废水混凝沉降条件下，水深 测点，废水浓度沿辐流池径向变化不大，这表明废水自辐流池配水筒进入池体后呈现水平推移的运动规律；水深 测点，废水浓度沿辐流池径向呈小幅降低趋势，这表明底部废水悬浮固体沿辐流池径向逐步沉积。从辐流池水深方向废水浓度变化规律看（图 右），玄武岩废水混凝沉降条件下，辐流池不同水深测点处浓度均随水深增大，废水浓缩效果逐渐增大，各测点 废 水 浓 度 从 线 性 增 加 到 约 ，玄武岩废水中固体颗粒呈现沿水深线性沉降浓缩的去除模式；灰岩废水混凝沉降条件下，进入辐流池废水快速沉降，水深 以上各测点废水浓度约 ，水深 以下各测点废水浓度随水深自 大幅增加至 ，灰岩废水中固体颗粒呈现先沿水深快速沉降，后在底层逐渐浓缩的去除模式。从辐流池底部泥浆浓缩效果看，玄武岩废水混凝沉降条件下，水深 和 处底部测点浓缩泥浆平均含固率分别约为 和；灰岩废水混凝沉降条件下，水深 和 处底部测点浓缩泥浆平均含固率分别约为和。灰岩废水工况下的泥浆浓缩效果优于玄武岩废水工况。岩性对辐流池流速空间分布的影响各监测点流速空间变化规律见图。(a)玄武岩(b)灰岩24681012142468101214流速/(cms-1)流速/(cms-1)流速/(cms-1)流速/(cms-1)ABCDABCD水深/m水深/m水深/m水深/m水平距离/m水平距离/m0246810012340246810120123450.581.171.752.342.923.514.090.581.171.752.342.923.514.09602468 100 2 4 6 8 10 12图 各监测点流速空间变化规律 从辐流池水平方向流速分布看（图 左），玄武岩废水混凝沉降条件下，水流在池体内呈现分层特性，水深 处测点流速显著高于其他测点流速，平均流速约为 ，各监测断面其余测点流速基本一致，平均流速约为 ；灰岩废水混凝沉降条件下，水深 处测点流速显著高于其他测点流速，平均流速约为 ，水深 处测点平均流速约为 ，各监测断面其余测点流速基本一致，平均流速约为 。从辐流池水深方向流速分布看（图 右），玄武岩废水混凝沉降条件下，水流在池体内呈现分层特性，辐流池进水口所在水深 处测点流速显著高于其他测点流速，靠近入流处测点流速最大，约 ；灰岩废水混凝沉降条件下，辐流池进水口所在水深 处测点流速显著高于其他测点流速，靠近入流处测点流速最大，约 。从辐流池进水水流运动特征看，玄武岩废水混凝沉降条件下，辐流池进水进入池体后直接沿水平方向推进，呈现显著分层特性，废水中固体颗粒沿垂向逐渐沉降浓缩，沉降区不受进水冲击影响；灰岩废水混凝沉降条件下，辐流池进水进入池体后快速下潜至底层，废水中固体颗粒在底层沿径向推移。由于废水在池体内的流动模式不同，灰岩废水在池体内水平推移深度更靠近池底，对出水水质扰动更小。第 期郭 辉 等 岩性对砂石加工高浓度废水动态辐流沉降特性的影响 结 论（）灰岩废水自然沉降性能显著优于玄武岩废水自然沉降性能，基本与玄武岩废水混凝沉降静水沉速一致。采用 和 联合投加可改善上述 种岩性废水的沉降浓缩效果。（）玄武岩废水混凝沉降条件下，辐流池内清浑液面清晰，废水中固体颗粒呈现沿水深线性沉降浓缩的去除模式，废水进入池体由逐渐下潜转变为沿水平方向推进，分层特性显著，辐流池中层沿程流速较高，沉降区受进水冲击较小。（）灰岩废水混凝沉降条件下，废水中固体颗粒呈现先沿水深快速沉降，后在辐流池底层逐渐浓缩的去除模式，废水进入池体后快速下潜至底层，辐流池底层沿程流速较高，废水中固体颗粒在辐流池底层沿径向推移。（）玄武岩废水沉降过程对排泥速率控制的要求更高，建议配置足够数量的高效隔膜压滤机，提升泥浆处理效率，使得清浑液面或泥位处于动态稳定状态。参考文献：覃定海浅谈金沙水电站砂石系统采取的环水保措施四川水力发电，（）：陈 雯，王丽宏，王刚构皮滩水电站砂石加工系统废水处理新工艺研究人民长江，（）：王 涛，孙剑峰，郎 建，等水电站砂石加工系统生产废水理工艺试验研究水处理技术，（）：郭 辉，陈 雯，潘保柱，等水电工程砂石系统生产废水浓缩泥浆脱 水 性 能 研 究 给 水 排 水，（）：谭尧升，张社荣，陈文夫特大地下洞室群施工废水处理技术及绿色环保设施应用实践水电能源科学，（）：郭 辉，陈 雯，黄国兵，等水电工程砂石系统生产废水处理工艺优化研究人民长江，（）：，（）：李圭白对高浓度浑水静水沉淀浓缩若干理论问题的探讨哈尔滨建筑工程学院学报，（）：李圭白高浓度泥水沉淀（浓缩）池的模型律环境科学学报，（）：李圭白高浑浊水的动水浓缩规律和自然沉淀池的计算方法土木工程学报，（）：（编辑：刘运飞）（上接第 页）曹永强，刘明阳，张路方河北省夏玉米需水量变化特征及未来可能趋势水利经济，（）：，韩宇平，曲 唱，贾冬冬河北省主要农作物水足迹与耗水结构分析灌溉排水学报，（）：向 亮，郝立生，安月改，等 河北省降水时空分布及变化特征干旱区地理，（）：刘增进，张 静 年河北省干旱时空变化特征分析华北水利水电大学学报（自然科学版），（）：俞海洋，李 婷，陈笑娟，等河北省近 年大风时空分布及成灾特征分析灾害学，（）：魏 军，陈小雷，俞海洋，等 年河北省旱涝灾害特征研究干旱区资源与环境，（）：何立新，练继建，王书吉 年河北省各市作物生长过程灰水足迹时空变化节水灌溉，（）：安会静，刘鑫杨，胡浩华北地区地下水超采综合治理措施与成效浅析：以 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