水電灌漿工程廢水處理工藝及裝備研究

肖桂華XIAO Gui-hua；甘虎GAN Hu；向代剛XIANG Dai-gang

（三川德青工程機(jī)械有限公司，宜昌 443000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對能源的需求也越來越大。水電是一種清潔能源，但水電工程建設(shè)的同時也對環(huán)境造成一定程度的負(fù)面影響，水利水電工程施工期間廢水排放量大、廢污水類型多，主要包括砂石料處理系統(tǒng)廢水、混凝土混合系統(tǒng)廢水、機(jī)械整備廢水、生活污水、洞室廢水、混凝土養(yǎng)護(hù)廢水和灌漿廢水等[1]。灌漿工程施工廢水是水利水電工程中基礎(chǔ)灌溉向建筑物地基裂縫、斷層破碎帶或建筑物本身接縫、裂縫輸送水泥砂漿液壓的工程。通過灌漿可以提高被灌注地層或建筑物的抗?jié)B透性和整體性，改善地基條件，保證水工建筑物的安全運(yùn)行。基于灌漿工藝特性，施工過程中灌漿孔沖洗、灌漿保壓、設(shè)備清洗及水泥漿的失效等因素，造成大量廢漿、廢水。

1 問題分析

灌漿水泥廢漿具備一定活性、板結(jié)，與混凝土商品砼廢漿理化特性存在質(zhì)的區(qū)別。施工場地緊張，廢漿廢水經(jīng)常無處排放。以往對于施工期廢污水處理重視不夠，監(jiān)管有限，施工期廢污水不經(jīng)處理直接排放或處理不達(dá)標(biāo)排放的情況普遍存在[2]，更為嚴(yán)重的是有的施工企業(yè)趁監(jiān)管漏洞，將廢漿廢水偷排亂排，給環(huán)境帶來了一系列污染的問題。污染下游水源，影響河道水質(zhì)情況，對生態(tài)環(huán)境造成破壞。

國內(nèi)外在水電灌漿工程廢漿廢水排放處理領(lǐng)域，仍然是以傳統(tǒng)自然沉淀直接外棄施工方法為主。SL62-2020《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》對施工中產(chǎn)生的廢漿和廢水，沒有強(qiáng)制規(guī)定處理工藝及排放標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)市場調(diào)研，國內(nèi)外有多項(xiàng)類似項(xiàng)目研究，主要集中在混凝土商品砼廢漿砂石回收利用及廢漿處理技術(shù)原理、藥劑以及工藝和設(shè)備的探討，并對混凝土商品砼廢漿排放技術(shù)工程應(yīng)用進(jìn)行了研究。

2 水電灌漿工程廢漿廢水工程特性

灌漿施工廢水中主要污染物為懸浮物（SS），SS 主要來自打鉆過程中產(chǎn)生的巖粉、裂隙中夾雜的泥沙，以及灌漿使用的水泥。具有以下特性：

①具有水泥活性特征。一般靜置24 小時后會膠凝，靜置48 小時后會板結(jié)。隨著靜置時間越長，結(jié)石強(qiáng)度越高。

②泥漿顆粒物粒徑小。通過激光粒度分布儀分析檢測：顆粒物粒徑80%以上在50μm 以下，中位徑D50約為21μm。

③沉降性好。通過沉降實(shí)驗(yàn)，一般靜置15～20 分鐘時可見分層明顯，上清液已很清澈，檢測出懸浮物SS 含量小于70mg/L，符合《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978-1996），可循環(huán)使用或直接排放。

④濾失性好。沉降后的泥漿經(jīng)過濾失實(shí)驗(yàn)，加壓0.8MPa 12～15 分鐘，濾液清澈、泥餅成型好含水率小于25%。

⑤堿性強(qiáng)。沉降后的上清液及濾液經(jīng)檢測pH 值12～13，呈強(qiáng)堿性，若排放須加藥中和。

3 水電灌漿工程廢水無害化處理工藝方法

3.1 水電灌漿工程廢水無害化處理工藝原理（如圖1）

圖1 灌漿工程廢漿廢水無害化處理工藝流程圖

工藝流程及步驟：水電灌漿工程廢漿廢水無害化排放處理整套工藝流程，從粗渣分離到泥漿處理，直到最后的安全排放，主要分為三個部分：一是粗渣的振動篩分，二是泥漿濃縮減量分離，三是濃密廢漿的壓濾分離。根據(jù)需要進(jìn)行水的堿性中和處理。

水電灌漿工程廢漿廢水經(jīng)過固控分離除去大于1mm的粗渣，分離后的漿液進(jìn)入濃縮、壓濾系統(tǒng)，最后分離成干渣和清水。

3.2 粗渣篩分工藝

廢漿中含有粗顆粒時，需配置篩分系統(tǒng)。應(yīng)用振動篩分原理除去大于1mm 的渣料，透篩泥漿進(jìn)入泥漿池。

振動篩脫水篩分出渣料含水率小于25%，可直接外運(yùn)。透篩泥漿進(jìn)入泥漿池，通過泵送至濃密機(jī)進(jìn)一步分離。

若廢漿中粗顆粒含量少時，可直接采用篩網(wǎng)攔截。（如圖2）

圖2 粗渣篩分工藝

3.3 濃密分離工藝

根據(jù)泥漿特性，選擇合理沉降及防板結(jié)工藝。通過沉淀方式溢流走大于90%的清水，為后續(xù)工藝減量。泥漿中的固體顆粒通過蜂窩斜管沉降滑入泥斗，上清液通過出水槽溢流。濃密機(jī)在凈化區(qū)與沉降區(qū)之間設(shè)置蜂窩斜管，提高了濃密機(jī)的處理能力和水質(zhì)凈化的質(zhì)量。

斜管濃密機(jī)利用重力沉降作用分離漿液中的固相顆粒，但其沉降作用發(fā)生在設(shè)備中各斜管間的空腔內(nèi)，斜管間的間距較小，其間的流體容易形成層流，固體顆粒僅在沉降的小距離落入斜管板面，然后沿斜板下滑可以進(jìn)入機(jī)體下部的泥斗。由于傾斜板層疊，充分利用空間高度，同一占地面積的斜管濃密機(jī)的沉降面積遠(yuǎn)大于普通耙子濃密機(jī)。

內(nèi)部流體速度按廢漿沉降速度設(shè)計(jì)。

濃密機(jī)傾斜板傾角的確定主要考慮沉淀物是否能夠順利滑落，特別是水泥漿滯留時板接合，斜板間距的確定要充分考慮斜板上的材料層厚和器壁效應(yīng)，既有利于沉泥下滑，又兼顧了沉降效率；傾斜板長度和寬度的確定主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮，便于安裝、更換，同時保證了合適的剛度和厚度。當(dāng)然，為了保證沉泥有足夠的停留時間，斜管長度不能太短，所以斜板層數(shù)和寬度是按和諧比例設(shè)計(jì)的[3]。

斜管濃密機(jī)設(shè)計(jì)時，除了考慮流量、濃度、粒度分布、溫度等參數(shù)外，其利用系數(shù)也是重要的參數(shù)指標(biāo)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對流道采取措施，盡量減少紊流，在確定斜管長度時，充分考慮沉降區(qū)、流入?yún)^(qū)和溢流區(qū)邊界處的湍流區(qū)的大小。（如圖3）

圖3 濃密分離工藝原理圖

3.4 廢漿壓濾系統(tǒng)的壓濾工藝

壓濾進(jìn)料泵將濃密沉降的底泥泵送到壓濾機(jī)濾室，灌漿廢水中的固相顆粒被濾布攔截，逐漸積累形成濾餅，濾液透過濾布通過濾液收集水槽進(jìn)入清水池。泵送泥漿過程中濾餅增厚，壓力升到設(shè)定值后保壓5～10 分鐘，壓濾機(jī)松板卸料。濾餅含水率≤25%，可作為工程回填土使用；濾液清澈，若排放可加藥中和。（如圖4）

圖4 壓濾原理圖

4 水電灌漿工程廢水無害化處理工藝方法中試

白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣交界處，是金沙江下游干流河段梯級開發(fā)的第二級電站以發(fā)電為主，具有防洪、攔沙、改善下游航運(yùn)條件、發(fā)展庫區(qū)通航等綜合效益。水庫正常蓄水位置825m，對應(yīng)庫容206億立方米的地下廠房安裝16 臺機(jī)組，最初機(jī)組容量1600 萬千瓦，多年平均發(fā)電量602 億4000 萬千瓦時。（如圖5-圖6）

圖5 四川省白鶴灘水電工程基礎(chǔ)灌漿

圖6 中試現(xiàn)場

4.1 中試設(shè)備研制

系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)：處理能力：50 方//小時，功率：75kW。

①壓濾機(jī)。

過濾面積：4m2，濾室容積：約60L，過濾壓力：≤1.0MPa，結(jié)構(gòu)型式：廂式，液壓壓緊/自動保壓/自動補(bǔ)壓，濾布特性：耐強(qiáng)堿（pH 值=14）、易脫餅。

②壓濾泵。

規(guī)格型號：螺桿泵G25-2，揚(yáng)程：1.2MPa，特性：耐磨、耐強(qiáng)堿（pH 值=14）。

③攪拌桶。

桶體容積：400L，攪拌轉(zhuǎn)速：37rpm。（如圖7-圖9）

圖7 中試系統(tǒng)示意圖

圖8 濃密分離效果：溢流清澈，無明顯沉淀物或懸浮物

圖9 固液分離效果：濾液清澈，濾餅成型好、含水率低

4.2 數(shù)據(jù)檢測結(jié)果（表1）

表1 檢測結(jié)果分析表

現(xiàn)場應(yīng)用效果：①分離物為水和泥餅；②水清澈無沉淀和懸浮物，可以回用或達(dá)標(biāo)排放；③泥餅含水率低，能散裝外運(yùn)。

4.3 成本分析

處理水量50 方/小時。工業(yè)用電按每度0.6 元計(jì)，用電量約每小時75 度，則每小時電費(fèi)45 元；系統(tǒng)設(shè)備只需1人值守，按每人每班320 元計(jì)，則每小時人工費(fèi)40 元；易損件（主要是濾布）壽命按2500h 計(jì)，則每小時消耗品費(fèi)用約7 元；不計(jì)渣料外運(yùn)費(fèi)和處理得到的清水回用節(jié)省費(fèi)用，成本每方水不超過1.84 元。

5 結(jié)論和建議

5.1 結(jié)論

水電灌漿工程廢水無害化處理工藝方法在白鶴灘水電工程基礎(chǔ)灌漿中的有效試驗(yàn)，從源頭上解決了水電灌漿工程廢漿廢水的出路問題，充分顯示了該工藝方法的顯著優(yōu)勢，補(bǔ)齊了水電灌漿工程中廢水治理中的短板，中水重復(fù)利用節(jié)約了水資源，棄碴填溝平地，既可以減少工程建設(shè)費(fèi)用，又可以提高社會和環(huán)境效益。實(shí)現(xiàn)了廢棄物的再利用，減低了管理費(fèi)用，間接經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。

5.2 建議

促進(jìn)行業(yè)協(xié)會修訂SL62-2020《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》，增加施工中產(chǎn)生的廢漿廢水無害化排放處理工藝或排放標(biāo)準(zhǔn)，從灌漿工程設(shè)計(jì)源頭上解決成果推廣應(yīng)用難的問題。

提請國家相關(guān)部門提高灌漿工程的工程造價(jià)，從資金源頭上解決施工企業(yè)應(yīng)用該成果增加施工成本的問題。