为保证水电工程混凝土施工质量,一般采用清水冲洗方式将人工砂石骨料含泥量、裹粉程度控制在规范范围内,在此过程中会产生大量砂石加工系统废水^[1],该废水总悬浮固体浓度一般高达30~100kg/m^3[2],直接排放会对河道造成淤积,降低防洪标准,亦会对生态环境产生不利影响^[3]。

　　 水电站砂石加工系统生产废水处理工艺主要有以下3种:①尾渣库自然沉降;②絮凝沉淀+机械脱水;③石粉回收预处理+絮凝沉淀+机械脱水^[1,3]。其中石粉回收预处理+絮凝沉淀+机械脱水是目前主要采用的工艺^[1]。处理此种废水已有的研究成果大多偏重工艺的设计和运行^[1,4],只有少量研究分析了该废水的沉降性能和产生泥浆的脱水特性^[2,5]。根据现场调研及资料分析可知,由于设计建设与运行缺少相关研究数据的支撑,水电工程砂石加工系统生产废水处理工程效果不尽理想,主要存在沉淀池跑泥、堵塞、泥浆脱水难等问题,分析主要原因之一是没有准确把握泥浆脱水性能,导致现有处理工艺不能对沉淀池底部泥浆进行及时有效的泥水分离。

　　 本文以白鹤滩水电站和乌东德水电站2处砂石加工系统生产废水为对象,基于比阻试验和脱水试验分析生产废水浓缩泥浆的脱水性能,从调理剂、泥浆性质、脱水工艺改进等方面对泥浆脱水性能进行优化分析。

　　 白鹤滩水电站三滩和乌东德水电站下白滩砂石加工系统生产废水处理工艺为石粉回收预处理+絮凝沉淀+机械脱水,具体工艺流程见图1。试验废水采自辐流沉淀池配水井,经现场和实验室测定,废水基本特性如表1所示。

　　 为简化水电工程砂石加工系统生产废水处理工艺,降低运行成本,试验设计基本原则为在前端絮凝沉淀流程中已经投加药剂的条件下,后端脱水流程中尽可能不再投加药剂,因此试验泥浆均由原水样沉降浓缩所得,以期验证此种投药方式的可行性。试验所采用调理剂即絮凝沉淀工艺中所使用药剂,如表2所示。

　　 试验方案如图2所示,具体试验方法如下:

　　 (1)比阻试验。比阻值在理论上与泥浆总悬浮固体浓度无关,而且不同实验室测量的比阻值之间具有可比性^[6],因此比阻值可用作泥浆脱水性能的评价和调理剂的初选依据。根据Carman公式,在压力一定的条件下过滤时,过滤时间和滤液体积的比值与滤液体积成线性关系,根据拟合所得直线斜率可计算出泥浆比阻值,详细比阻试验所用原理见文献[7,8]。试验泥浆含固率20%,测定不投加药剂以及分别投加PAC、PAM、FeCl₃、CaO、PAC+PAM、PAC+CaO和PAM+CaO时泥浆比阻值。

　　 (2)脱水试验。采用厢式压滤机(如图3所示,滤板规格1m×1m)研究泥浆在调理剂的作用下脱水性能,相关研究成果可以给工程实际运用提供直观的参考依据。进浆含固率分别为20%和40%,泥浆调理剂种类依据比阻试验成果确定。

　　 与普通压滤脱水不同,试验采用压滤机滤板为弹性隔膜板,当泥浆入料结束后,将高压水注入隔膜板中可对滤饼进行二次压榨,实现快速脱水的目的。另外,试验还引入进气穿流工艺,在隔膜压滤末期,将高压空气导入滤板,颗粒空隙中剩余水分会被高速气流带出,从而进一步降低泥饼含水率。

　　 悬浮固体浓度、含固率/含水率采用《水和废水检测分析方法》(第4版)中所述重量法测定,固体颗粒粒径采用离心沉降式粒度分析仪(BT-1500)测量,PJK02型污泥比阻测定仪用于比阻测量。

　　 为方便压滤尾水总悬浮固体浓度测量,通过试验得到试验水样浊度与总悬浮固体浓度之间的定量关系如图4所示,压滤尾水浊度采用w1298/46型浊度计测量,测量量程0~200NTU。

　　 如图5~图7和表3所示,当固体颗粒粒径较小时(白鹤滩)需要采用PAM和CaO联合投加,当固体颗粒粒径较大时(乌东德)可采用PAM单独投加,比阻值分别较不投加调理剂减小40%和24%,泥饼厚度分别增加100%和50%以上,泥饼含水率20%左右,压滤尾水澄清。

　　 PAM对泥浆调理作用主要表现为通过架桥作用,细颗粒形成絮团,改变物料粒度组成,提高滤饼渗透率,加快过滤速度。

　　 当废水中固体颗粒粒径较小时,联合投加CaO对泥浆调理作用主要表现为CaO溶于泥浆后形成Ca(OH)₂、Ca²⁺和OH^-,Ca²⁺可以吸附在固体颗粒表面,改变颗粒表面电位,破坏胶体稳定,促使颗粒凝聚^[9]。Ca(OH)₂微溶于水,具有一定结构强度,可在泥饼中形成疏松微空间,保持良好透水性的同时,可吸附细颗粒,使得滤布不易粘附或堵塞。

　　 投加调理剂后两种泥浆脱水性能均良好,但在试验过程中增加调理剂投加量对泥饼厚度、泥饼含水率及尾水浓度无明显改变,这表明仅在沉淀阶段投加调理剂工艺是可行的。

　　 (1)泥浆含固率。如表3所示,调理剂投加量相同的条件下,不同进浆含固率(20%和40%)对压滤脱水后的泥饼厚度、泥饼含水率及尾水浓度影响不明显。但是较高的泥浆含固率可以缩短压滤周期,提高压滤机产能。

　　 (2)固体颗粒粒径。固体颗粒特性是影响泥浆脱水效果的主要因素,颗粒粒度越小,其表面积越大,结合水的水量越多,脱水越困难;当颗粒粒度不均匀时,细颗粒将充填在粗颗粒间的空隙中,导致颗粒间空隙较小,水分较难排除^[10]。如图5和表3所示,白鹤滩废水比乌东德废水中固体颗粒粒径约小50%,但其原浆比阻值约为乌东德原浆比阻值的9倍,其压滤泥饼厚度约为乌东德泥饼的30%。

　　 由于料源性质、砂石系统生产工况和设备工艺不可能完全一致,水电工程砂石加工系统生产废水中固体颗粒粒径波动较大,粒度均匀性较差。以白鹤滩辐流沉淀池进水为例(见表4),不同采样时间固体颗粒中值粒径分别为3.57μm、6.68μm和12.10μm,粒径级配分布差异明显。因此,废水处理工程生产运行过程中,应对废水量、废水总悬浮固体浓度、粒径级配等主要废水特性参数进行常规监测,及时进行废水处理相关运行参数的调整。

　　 (1)脱水设备。水电工程砂石加工系统生产废水处理工程中常用的脱水设备有真空过滤机、卧螺离心机和厢式压滤机。试验结果和调研分析表明,真空过滤机、卧螺离心机能耗较高,而且当固体颗粒粒径较小时,需投加大量调理剂才能保证脱水效果和效率,脱水后泥饼含水率一般为30%。相较而言,厢式压滤机能耗和对调理剂的依赖度较低,含水率可达到20%左右,工程应用效果较好。

　　 (2)隔膜压榨与进气穿流工艺。如图8所示,乌东德现场普通压滤机运行2h后,泥饼呈流塑状,而经隔膜压榨后泥饼成塑状,单机循环时间可降低约67%,维持在40 min左右,隔膜压榨工艺不仅可显著降低单机循环时间,在单位面积处理能力、降低滤饼水分、物料性质的适应性等方面也都表现出较好的效果。但研究过程中也发现乌东德泥渣经隔膜压榨后,泥饼含水率虽仅约20%,但无显著力学强度,具有一定粘结性,不便于直接运输。在隔膜压榨末期,引入进气穿流工艺,泥饼含水率可降至15%以下,具有较好的力学强度,使泥渣进一步减容减量^[11]。

　　 (1)PAM虽然适用于砂石加工系统生产废水泥浆脱水,但需要针对废水中固体颗粒特性的不同,考虑是否采用CaO等离子型药剂进行联合调理。

　　 (2)试验引入的前端一次加药(只在絮凝沉淀阶段加药,脱水过程中不加药)与隔膜压榨+进气穿流脱水工艺满足废水处理工程对减少药量、提升废水处理速度和质量的需求。

　　 (3)废水处理工程实际生产运行中,建议监测相关水质指标,以使及时调整相关运行参数。