（环境工程专业论文）武钢工业港排水箱涵淤积物沉积状况分析研究.pdf

武汉理工大学硕七学位论文 摘要 武钢工业港排水箱涵造价大，承担了青山地区武钢和石化等大型企业排水， 排水性质复杂，在工业港新排水箱涵施工过程中，将原有老箱涵顶板揭开进行施 工导流时，发现工业港老排水箱涵淤积严重，采用啄木鸟才能清除，而排水箱涵 线路长，排水不能中断，淤积物清除困难。为了预防新排水箱涵淤积，影响箱涵 使用，必须对新建箱涵的排水进行全面调查研究。 目前对于箱涵排水泥沙沉积情况的研究非常少，加之箱涵排水性质的复杂性 及独特性，难以找到相似的实例，只能借鉴棱柱形渠道研究水力，河流、明渠泥 沙运动研究泥沙沉降。对于本课题的研究，本文主要从污染源调查、箱涵水力参 数测试、水质情况调查、沉积物的现代测试技术分析几个方面入手，计算泥沙平 衡，考查箱涵泥沙沉积和冲淤情况，估算淤积量，同时分析泥沙淤积板结原因、 考查各种清淤工艺，提出切实可行的清淤方案，制定出污染源头控制措施，提高 箱涵的使用年限。 通过本论文的研究得出以下结论： ( 1 ) 箱涵平均流量汛期较大，约为5 4 0 0 3 m 3 h ，非汛期相对较小，约为2 0 6 4 9 m 3 h ，排水量变化大，其中武钢炼铁厂、青山热电厂排水量较大； ( 2 ) 影响箱涵水质的排污企业主要为焦化厂、焦化二生化污水处理厂、石化 厂，箱涵沉积物主要来源为武钢炼铁厂水淬矿渣： ( 3 ) 箱涵泥沙汛期沉降，枯水期冲淤，其他时间不定，汛期平均沉积速率约 为3 3c m 月，枯水期平均冲淤速率约为4 5 5c m 月，沉积物每年剩余淤积高度 为4 1 c m ，淤积厚度逐年提高。 ( 4 ) 板结物中的碎屑主要为矿渣、石英和铁质矿物碎屑，胶结物主要为方解 石和羟钙石，板结作用主要是矿渣水化而至。 本论文研究成果对于港口环保，以及类似武钢工业港排水箱涵的淤积堵塞的 防治有积极的指导作用。 关键词：箱涵，沉降，板结，矿渣，清淤 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb o xc u l v e r tc o n s t r u c t e di nt h ei n d u s t r i a lp o r to fw i s c 0c o s th i g h i tm a i n l y s e lv e sf o r t h ei n d u s t r i a l d r a i n a g e o fw i s c o ，s i n o p e co fw u h a na n d q i a n g s h a nt h e r m a lp o w e rp l a n t ，w i t hf a r r a g i n o u sp r o p e r t y d u r i n g t h e c o n s t r u c t i o no fn e wb o xc u l v e r t s e v e r es i l t a t i o no fo l db o xc u l v e r tw a sf o u n dw h e n t h ec o p i n gw a su n c o v e r e d ，o n l y “w o o d p e c k e r c a nw e e do u t ，h a r d e n e ds e d i m e n t c a u s e dab a di n f l u e n c et ot h eo l db o xc u l v e r tu s e ，y e tt h eb o xc u l v e r th a sl o n gr o u t e a n dt h ed r a i n a g ec a l ln o tb es t o p p e d ，t h u sd e s i l t i n gw i l lb ev e r yd i f f i c u l t f o r p r e v e n t i n gd e s i l i t i n go fn e wb o xc u l v e r t ，c o m p r e h e n s i v er e s e a r c hf o rd r a i n a g eo fn e w b o xc u l v e r ti sv e r yi n d i s p e n s a b l e b e c a u s eo ft h el a c ko fr e s e a r c ho ns i l t a t i o ni nb o xc u l v e rp r e s e n t l y , a n dt h e c o m p l e x i t yo fi t sd r a i n a g e ，w ec a no n l ys i m u l a tp r i s mc h a n n e lt os t u d y i t sh y d r a u l i c s p a r a m e t e r , r i v e r s a n d o p e n c h a n n e l ss e d i m e n tm o v e m e n tt o s t u d y i t s s e d i m e n t a t i o n t h i sa r t i c l em a i n l yb e g i n sw i t hp o l l u t a n tr e s e a r c h h y d r a u l i c sp a r a m e t e r t e s t ，w a t e rq u a l i t yi n v e s t i g a t i o n ，a n dm o d e r nt e s t i n gt e c h n i q u ef o rt h ec o m p o s i t i o n ，t o c a l c u l a t es e d i m e n te q u i l i b r i u m ，e x a m i n ei t se r o s i o na n ds e d i m e n t a t i o n ，e s t i m a t et h e q u a n t i t yo fs e d i m e n t a t i o n ，t h u sw e c a na n a l y s et h er e a s o no fc o m p o s i t i o n si n d u r a t i o n ， g i v er e a s o n a b l ea d v i c et op o l l u t i o ns o u r c ec o n t r o l l i n ga n d t h eb o xc u l v e r td e s i l t i n g ，t o i n c r e a s et h en e wb o xc u l v e r t ss e r v i c et i m el i m i t t h i sa r t i c l eg e t ss u c hc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) n e b o xc u l v e r th a sl a r g ef l o wr a t ew i t h5 4 ，0 0 3 m 3 hi nf l o o ds e a s o n ，a n dl i t t l e f l o wr a t ew i t h2 0 ，6 4 9 m 3 hi nl o ww a t e rs e a s o n ，i t sm a i nr e s o u r s e sa r ep u d d l i n gp l a n t i nw i s c oa n dq i a n g s h a nt h e r m a lp o w e rp l a n t ( 2 ) t h eb a dw a t e rq u a l i t yi sm a i n l yc a u s e db yc o k ep l a n t ，c o k eb i o c h e m i s t r ya n d s i n o p e co fw u h a n ，t h es e d i m e n tm a i n l yc o m e sf r o mp u d d l i n gp l a n ti nw i s c o ( 3 ) e r o s i o no c c u r sd u r i n gl o ww a t e rs e a s o n , s e d i m e n t a t i o no c c u r sd u r i n gf l o o d s e a s o n ，i ti sn o tc e r t a i nd u r i n go t h e rt i m e t h ea v e r a g er a t eo fs e d i m e n t a t i o ni s 3 3 c m m o n t hi nf l o o ds e a s o n ，a n d4 5 5 e m m o n t hi nl o ww a t e rs e a s o n t h ea c t u a l t h i c k n e s so fs e d i m e n ti n c r e a s e sw i t h4 1c me v e r yy e a r ( 4 ) t h ec o m p o s i t i o ni s c o n s t i t u t e db ys l a g ，q u a r t z ，f e r r im i n e r a ld e b r i s ， c e m e n t a t i o n sc o m p o s i t i o n sa r ec a l c i t ea n dc a l c i u mh y d r o x i d em a i n l y , a n dt h er e a s o n o fi n d u r a t i o ni sc a u s e db yt h eh y d r a t i o no fs l a g k e y w o r d s ：b o xc u l v e r t ，s e d i m e n t a t i o n , s e d i m e n t ，i n d u r a t i o n ，s l a g ，d e s i l t i n g i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：靴斗日期：地必斗 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经 武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：塑班鞋 武汉理j i ：大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究背景 武钢排水箱涵分老箱涵和新建箱涵，老排水箱涵建设较早，接纳武钢扎板主 厂、炼钢厂、炼铁厂、青山热电厂、石化和焦化二生化废水排水，在工业港新排 水箱涵施工过程中，将原有老箱涵顶板揭开进行施工导流时，发现老箱涵底部被 沉积的淤泥堵塞，严重影响了箱涵的使用，为了避免新箱涵发生类似淤积现象， 有必要对新箱涵的淤泥沉积情况做调查研究与分析，以便于预防新箱涵的淤泥沉 积板结问题。 1 2 武钢工业港排水箱涵概况 武钢工业港池位于武汉市青山区青山镇下游3 k n i 处，是武汉钢铁公司1 9 5 7 年为利用长江水运条件而开挖的连接长江的人工港渠，底宽6 0 m ，高程1 1 9 1 m ， 港宽2 2 5 。8 0 0 m ，全长3 1 k m ，西岸与武汉石化集团公司毗邻。目前工业港除青 山造船厂段外，其余港池已丧失交通运输水道功能。2 0 0 4 年湖北省政府为引进 中石化8 0 万吨乙烯项目，要求将武钢工业港池进行改造，改造内容包括横跨港 池新建防洪土堤、将排水明渠改建为压力箱涵、对港池软土进行处理，并填筑港 池3 5 2 6 万m 2 ，作为8 0 万吨年乙烯项目的3 撑地块。【1 】 ( 1 ) 老排水箱涵基本情况： 老排水箱涵建设较早，为3 孔( b h ) 4 x 3 5 m 钢筋混凝土箱涵，设计排水 流量为4 7m 3 s 。其起点为武钢扎板主厂、炼钢厂、炼铁厂和青山热电厂排水支 渠，与1 6 6 泵站水闸来水汇合后，中途再与烧结厂排水汇合，然后流至龙角湖水 站，在此接受石化和二生化废水，止于4 f | 调节井。在工业港新排水箱涵施工过 程中，将原有老箱涵顶板揭开进行施工导流时，发现其中一孔已完全淤积堵死， 一孔淤积物占箱涵净空的一半，另一孔淤积物占箱涵净空的三分之一。淤积物为 泥沙板结固化物，采用啄木鸟才能清除。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 新建排水箱涵基本情况： 新排水箱涵于2 0 0 6 年4 月1 8 日建成，起点为原来的老排水箱涵出口。新建 排水箱涵包括主渠和焦耐支渠，主排水箱涵全长1 8 7 9 1 m ，其中出口部分穿堤箱 涵及闸室全长5 5 4 m ，设有钢闸门2 扇，其余主箱涵长1 8 2 3 7 m ，大致呈南北走 向，焦耐支渠长2 1 7 8m 大致呈东西走向，是武汉市目前最长的压力排水箱涵。 新箱涵设有3 座调节井和1 5 个检查井，焦耐支渠设有2 个检查井，在l7 1 j 调节井 汇入主排水箱涵。 ( 3 ) 新建排水箱涵基本建设技术指标【2 】如下： 工程等级：为一等工程，主要建筑物按一级建筑物设计。 设计排水流量：第一段为新箱涵起点4 # 至l # 调节井，设计流量4 3 m 3 s ， 设计最小流量( 无雨水) 为2 7 0 5m 3 s ；第二段为l # 调节井至2 # 条调节井之间， 设计流量5 1m 3 s ，设计最小流量( 无雨水) 为3 3 0 5m 3 s ；第三段为2 | j 调节井至 出口，设计流量5 7m 3 s ，设计最小流量( 无雨水) 为3 5 0 5m 3 s 。焦耐支渠设计 流量为8m 3 s ，设计最小流量( 无雨水) 为6m 3 s 。 最大内水压力：1 2 m 水柱高。 混凝土强度等级为c 2 5 ，抗渗等级为w 6 ，钢筋强度等级为i i 级。 箱涵尺寸：共2 孔，单孔宽4 m ，高分两段，分别为4 m 、4 5 m 。焦耐支 渠l 孔，尺寸为：2 3 x 2 3 m ，其东侧有一根巾8 0 0 的混凝土排水管。 箱涵底板底高程：1 7 4 1 5 3m ，箱涵上部填土厚3 8m ，排水坡降0 1 。 新箱涵在投入使用一年后出现淤积情况。 ( 4 ) 武钢排水箱涵来水基本情况： 老排水箱涵主要接受炼铁厂、炉窑厂、热轧厂、青山热电厂、炼钢厂、焦 化二生化、石化废水、1 6 6 水闸和各厂区雨水。青山热电厂整改之前排水量为 6 0 0 0 t h ，整改之后排放量很小，排水主要工业冷却水。 1 6 6 水闸主要接收水泥厂、洗渣场废水。水泥厂以前主要排放生活污水、少 量的生产废水以和雨水，现在主要排放生活废水和雨污水，洗渣场生产废水流至 水泥厂回用，因此排放至1 6 6 泵站的洗渣场污水主要为少量生产废水水及生活杂 武汉理工大学硕士学位论文 用污水。 新箱涵在4 # 调节井承接来自老排水箱涵的出水。在l 群调节井接受焦耐支渠 来水，来水量为1 0 0 0t h ，主要为焦化厂和耐火材料厂废水，其地势较高，全年 均能自排。新箱涵下游东堤，又一排污口，即工业港b 泵站，通过5 根巾5 0 0 钢 管排放，下雨时才会有雨水排入箱涵，而且也是间歇式排放，排放设计流量为 2 8m 3 s 。2 群调节井的新增石化用地雨水泵站为预留排水入口，排水由泵站抽入 箱涵，流量为6 m 3 s ，2 年内管网无法形成，暂时没有水汇入箱涵。 ( 5 ) 箱涵排水规律以及现状： 根据调查，各个污染源污水的排放均无规律，有时连续排放，有时间歇排 放，因此其排水量也无规律，只有通过现场监测的方式获得其污水排放量。箱涵 在汛期为压力出流，在枯水期为自流。在汛期外江水位达到2 2 6 1 m 时，由泵站 抽入1 2 # 、1 5 # 、1 6 # 调节井后，靠水头差的压力出流，上游1 6 # 调节井出口控制 水位2 8 6 6 m 。 武钢工业港排水箱涵示意图如图卜1 所示。 1 3 研究目的 通过检测排水箱涵来水的流量、流速、水质、泥沙含量等参数，分析泥沙的 化学成分、矿物组成，预测箱涵在不同时段的泥沙淤积速度、淤积量，找出淤积 物的来源，并分析淤积物板结硬化原因，提出污染源的控制措施和箱涵清淤的方 案，减缓或消除新建箱涵的淤积板结问题，延长箱涵使用寿命。 1 4 技术路线 见图1 - 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 研究内容 研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 污染源的调查 根据武钢排水箱涵来水水源，对武钢焦化厂、水泥厂、石化厂、青山热电厂、 烧结厂，炼铁厂、炼钢厂、轧板厂等进行调查。调查内容包括各企业的项目概况、 工艺、废水来源、污染物的产生、处置和污水排放情况。【3 】 ( 2 ) 主要污染物的监测和结果分析 监测内容包括污染源和箱涵节点处的水质、水量，以及箱涵节点处淤积物的 取样、分析。根据现场调查结果确定污水的监测分析项目包括：流量、水温、p h 、 总悬浮物固体、氨氮、钙离子、镁离子、硫酸盐、碳酸盐、总磷、氯离子、挥发 酚和石油类等。淤积物的分析项目包括：取样高度、粒度分布等。根据淤积物的 监测结果结合水质初步分析淤积原因。 ( 3 ) 箱涵内淤积物板结硬化原因分析 通过现代测试技术( x 光衍射、x 射线荧光光谱、图象分析、i c p 等) 对淤积 的泥沙进行更深层次的分析，结合水质和淤积物的监测结果以及污染源的调查情 况，确定箱涵内淤积物的板结原因。 ( 4 ) 淤积量估算及清淤方案的制定 根据排水水力参数和含沙量，计算泥沙平衡，考查箱涵沉积和冲淤情况；计 算泥沙起动条件以及箱涵水力挟沙力；在箱涵检查井中取泥，测量高度，来估算 箱涵每年的剩余淤积量，分析各种清淤工艺，提出本工程切实可行的清淤方案。 ( 5 ) 制定源头控制措施 根据污染源调查结果和泥沙淤积板结原因，制定出污染源头控制措施，控制 排水箱涵的来水含砂量和水质，使箱涵来水符合排放要求，提高箱涵的使用年限。 4 武汉理工大学硕士学位论文 新建主排水箱涵 图列： 一一一，一 老箱涵 新箱涵 r - - l 调节井 。 检查井 水站 水闸 1 样调节 。竺弹 新箱涵起点一、 b 泵站( 雨水和生活污水) 焦化二生化 任公司 焦化有限责任公司 烧结厂 一- 、 、 ，6 6 水闸一一一 图1 - 1 武钢工业港排水箱涵管线图 5 r、 ， _ f 、r 、 武汉理工大学硕士学位论文 图卜2 技术路线 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章武钢工业港污染源调查与分析 为了详细了解武钢工业港排水箱涵的淤积物来源，有必要对排水污染源进行 调查，弄清楚各排污单位的污水排放规律。 2 1 污染源调查内容 污染源调查应该包括以下内容：企业和项目概况、工艺调查、废水治理调查、 污水排放情况调查、污染物种类、成分、性质、排放浓度、排放量、排放口位置、 排放去向等。【3 】 围绕武钢工业港排水箱涵排水来源，有以下若干企业需要调查，它们是武钢 焦化厂、水泥厂、武汉石化、青山热电厂、武钢烧结厂，炼铁厂、炼钢厂、轧板 厂等。排水性质相近的厂可以归于一类，比如水泥厂排水主要为无机硅酸盐类以 及生活杂用水；而武钢烧结厂，炼铁厂、炼钢厂、轧板厂、热轧厂等主要是生产 冷却水、生活杂用水等；焦化、石化主要是有机污染。以下为已经调查的主要污 染源企业的排水量情况。 表2 1 主要排污单位废水排放量 可见武钢炼铁厂炼铁高炉与青山热电厂的排水量较大，排水主要来源为武钢 主厂区。 2 2 主要污染源单位废水排放情况 2 2 1 焦化厂废水及焦化二生化废水 焦化厂是钢铁企业的重要组成部分，它主要生产冶金焦炭供给高炉炼铁，同 时还从焦炉煤气中回收氨、苯、煤沥青、硫酸铵、蒽油等化学产品。净化以后的 焦炉煤气可供钢铁企业作为燃料，也可供化肥厂作为生产合成氨的原料。焦化厂 的给水排水是保证化工产品生产的重要环节，而由焦化厂的回收车间、焦油车间、 武汉理工大学硕士学位论文 粗苯分离车间、终冷车间、古马隆工段、精苯车间等排放出的废水中含有大量的 有机及无机物质。 武钢集团焦化厂是生产冶金焦碳，民用煤气的专业厂家，现有固定资产逾亿 元，厂区占地面积约2 0 万平方米，主要生产焦碳、民用煤气、高新防水涂料、 粗苯及焦油等化工产品，其中用于冶炼的焦碳年产量达到1 8 万吨，工厂供应的 煤气用户达到4 万户。 炼焦就是煤在炭化室经1 0 0 0 。c 士5 0 高温，近1 6 小时隔绝空气干馏变成焦 碳。发生一系列物理化学变化后，其中7 0 7 8 转化为焦炭，1 5 1 9 转化为 焦炉煤气，其余为焦油、氨水、粗苯等物质。这些物质与焦炉煤气一起进入焦化 产品回收系统进行煤气冷却净化、化学产品回收【3 1 。整个工艺过程中产生的生产 废水全部进入生化处理系统处理后外排，焦化废水主要来自4 个方面： 煤高温裂解和荒煤气冷却产生的剩余氨水废液，这是焦化废水的主要来 源，其水质复杂，组分种类繁多，且污染物浓度较高。 煤气净化过程中煤气终冷器和粗苯分离槽排水等，此种来源废水所含污染 物浓度相对较低。 煤焦油的分馏、苯的精制及其它工艺过程的排水，废水量较小，污染物浓 度较低。 煤的运输、破碎和加工过程中的除尘洗涤水，焦炉装煤或出焦时的除尘洗 涤水，焦炭转运、筛分和加工过程的除尘洗涤水。这类废水主要含有高浓度悬浮 固体( 煤屑、焦炭颗粒物) ，一般经澄清处理后可重复使用。 焦化生产工艺及废水来源见图2 1 【4 1 。 焦化厂在焦化生产工艺流程中，煤气终冷的冷却水、粗苯加工的蒸汽冷凝分 离水、精苯加工的蒸汽冷凝水、焦油精制加工过程的蒸汽冷凝分离水和洗涤水、 车间地坪或设备清洗水以及由煤中所含水形成的剩余氨水一起称为酚氰废水，这 部分废水不仅水量大而且成分非常复杂，是炼焦化学工业中具有代表性的污水。 焦化污水的水量、水质因焦化生产的规模、采用的煤气净化工艺以及对化工 产品加工的深度不一而有所不同，但水质水量的变化基本遵从表2 1 的规律。1 5 】 武汉理：f 大学硕士学位论文 焦 古马龙废水 图2 1 焦化厂生产流程及废水排放来源 表2 1 焦化厂水量及生产出水水质 焦碳 焦化污水中单元酚量多，属于生物降解速率较快的污染物，其次是苯类、吡 啶类化合物，属于低速率降解物质，焦化污水是难降解工业污水之一。 污水首先需要预处理，除去苯、轻焦油、胶状油、重焦油等对生化处理有害 的污染物。预处理包括除油、p h 及温度调节、均和等。重质油和轻质油采用重 9 武汉理工大学硕十学位论文 力分离法清除，分离产物送回其他工序处理。乳化油和胶状油用气浮浮选法分离， 必要时投入混凝剂。最后将上述不同种污水混合加工业净化水稀释，解调p h ， 降低对生化处理的影响的不利因素。 表2 - 2 预处理后的污水水质 预处理后的污水须经曝气生化处理和混凝沉淀处理c o d 降到4 0 0 m g l ，酚、 氰均能达标，但是难降解物质如苯类、吡啶类化合物，还有硫化物、氰化物、硫 氰化物等还原性毒物仍然残留于废水当中，同时氨氮在3 0 0 4 0 0 m g l ，严重超标， 需要将它进行二生化处理。a a o 是目前处理焦化废水常用的生物处理方法。咎 坤敬【6 】研究了a 1 a 2 o 工艺在天津天铁冶金集团有限公司焦化厂的运行情况，根 据实际运行中所获得的各项参数，统计分析并总结了各单元控制的最佳工艺条 件，比较了a 1 a 2 o 工艺和a o 工艺在处理焦化污水c o d 的不同，得出了 a 1 a 2 o 比a o 更适合处理高浓度难降解的焦化污水的结果。 据调查，直接从焦化厂排出的生产循环用水以及生活用水排量为1 0 0 0 t h 左 右，直接排放至箱涵1 # 调节井，废水流至l 撑调节井时测定其温度达到2 3 ，在 龙角湖水站排出的二生化废水排量为3 0 0 t h ，由于二生化污水处理厂即将改造， 改造后预计将达到4 0 0 t h 。 根据对武钢焦化废水二生化厂排水的取样分析得到如下化验结果： 表2 3 二生化厂排水化验结果 由此可看出焦化二生化水质p h 低于标准呈酸性，氨氮严重超标，色度超标， 处理效果不尽理想。m i nz h a n g 等【7 1 对厌氧缺氧好氧工艺与缺氧一好氧工艺的比 较实验表明：前者在n h 3 - n 去除和反硝化方面均优于后者，特别是反硝化率方 面厌氧缺氧好氧工艺是缺氧好氧工艺的两倍。s t e w e nw 嘲等研究了焦化废水中 总氮的降解，指出单级污泥循环系统的生物处理法是一种有效的工艺，将废水均 1 0 武汉理_ t 大学硕七学位论文 和、投加二价铁盐以固定氰化物单体、一定量的磷源供微生物生长、合适的p h 、 温度控制在2 5 , - 一3 0 。c 可以使c o d 的去除达到预期效果；m a r v a ni g o rj ，c r a i g f r a s e r 9 】等在a l g o m a 钢铁公司焦化厂废水处理可行性研究报告中指出，好氧生物 流化床是一种可以有效解决焦化废水处理排放问题的新型处理工艺。 色度超标是焦化废水处理工程中普遍存在的问题，而目前已发表的文章中较 少涉及焦化废水中色素构成的系统分析【1 0 】。焦化废水原水中含有大量的助色基 团如氨基、巯基等，生色基团如炭炭双键、硝基、羧基等，还含有s c n 。，c n 等易与f e ”、c u 2 + 等金属离子发生络合反应而显色的离子团。其中，s c n - 、c n 与f e 3 + 发生络合反应的能力非常强，生产的络合物均为稳定的发色物质，如f e 3 f e ( c n ) 6 1 2 ( 藤氏蓝) 、f e a f e ( c n ) 6 1 3 ( 普鲁士蓝) 、【f e ( s c n ) 2 + ( 血红色) 、n h 4 s c n ( 遇光呈红色) 、【f e ( s c n ) 3 ( f f l t i f f 色) 等，这些现象在实际工程中均得到检验。由于 大多数焦化废水处理工程中均投加铁盐作为混凝剂，而降解s c n 。所需的停留时 间较长，故s c n 。、c n 。与f e 3 + 形成的络合物是构成焦化废水出水色度成分的一部 分，因此，建议后处理混凝沉淀阶段尽量少用或不用铁盐系列的混凝剂。 2 2 2 石化废水 中国石化武汉石油化工厂始建于1 9 7 1 年，现有固定资产1 6 亿元，炼油加工 能力4 0 0 万吨年，拥有1 5 套炼油、化工装置，为全国5 0 0 家最大规模工业企业 之一。生产汽油、煤油、轻柴油、石脑油、硫磺、石油酸、聚丙烯、液化石油气 等1 6 种石油化工产品。 以生产燃料油为主的石化企业污水主要来自厂区的含硫污水、含油污水( 包 括含盐污水) 、含碱污水和部分焦化污水和少量锅炉和化学水处理的再生排水等， 见图2 2 ，废水成分复杂。苯乙烯和聚苯乙烯生产废水中含有焦油、盐酸、苛性 钠、重金属的催化剂、苯乙烯芳烃、磷酸催化剂、三氯化铝等物质，有机物特别 是烃类及其衍生物含量高。【l l 】 武汉石化废水主要是含油废水和含有大量分散剂、界面活性剂的废水，另有 部分含液化气残液的废水和少量生活污水，主要化学成分是环烃、芳香烃、酚类 等难降解的有机物质组成。目前国内外一般采用物化法和生化法，污水经过沉沙 池、调节池，进入生物曝气池处理阶段，由于废水b c 值较低，直接采用好氧 武汉理工大学硕士学位论文 工艺效果不佳，曝气池一般采用a o 工艺，出水进入二沉池。w d s h e n g g 【1 2 】采 用了u a s b 反应器与曝气池联用的工艺研究了石化废水的a o 处理可行性，他 得出，原水为5 2 0 0 的c o d 盯，在适当的温度，水力停留时间2 4 小时的情况下， 经u a s b 反应器处理，c o d 盯仅达到8 3 的去除率，b o d 5 去除率仅达到8 5 ， 当废水先经过厌氧处理，好氧降解率可以增加2 0 - 3 0 。 对龙角湖水站武汉石化排水进行测试，水质见表2 4 ； 表2 4 武汉石化龙角湖水站排水水质 石化废水s s 为4 5 0 5 0 0 m g l ，严重超标，c o d ，挥发酚、石油类超标。 武汉石化厂龙角湖水站的排水量现为小于2 0 0 t h 左右。 由于石化废水中含有的乳化油和生物难降解有机物以及大量的悬浮物，为减 少悬浮物对水处理设备的磨损和减少后续生化处理的负荷，一般都要在进入a o 曝气池前用混凝法去除石化废水中大部分的乳化油、悬浮物、胶体和部分难降解 有机物。一种利用生物技术，从微生物或其分泌物提取、纯化而获得的水处理药 剂微生物絮凝剂【1 3 1 6 】因高效、无毒、无二次污染曾受到关注。金蓉【1 7 】研究了 微生物絮凝剂对石化废水浊度去除实验，发现m b f 3 3 的混凝效果最佳用量远小 于传统p a c 溶液的用量，是一种具有良好开发应用前景的微生物絮凝剂。 二沉池出水有时仍然不能达标，张雪梅等【1 8 】经过对江苏某石化工业区石化 废水处理工艺的研究，提出混凝气浮是相对廉价的深度处理工艺，活性碳吸附工 艺投资与运行费用比混凝气浮工艺稍高，两者依次作为常用和备用深度处理工 艺。包文骏等采用膜混凝反应器( m c r ) 【2 0 】对中石油集团兰州石化化工污水处 理厂二沉池出水进行研究，发现以p a c 为混凝剂，仅投药量约为1 0 m g l 就可以 明显改善污水厂出水水质，c o d 去除率3 2 ，出水平均7 5 6m g l 。 稳定塘法是一种利用天然净化能力处理的污水生物处理方法，由于其基建投 资抵、运行管理简单经济、可进行综合利用而受到人们的重视，樊萍等【2 l 】研究 了氧化塘对大庆石油化工污水的净化效果化学需氧量、石油类、总氰化物、挥发 酚、硫化物和氨氮均具有较高的去除效率，去除率分别达到7 2 5 7 、9 1 3 7 、 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 9 8 0 0 、7 7 7 8 、6 6 6 7 f f 【18 6 6 8 ，处理效果良好；s h i p i n0 v 【2 2 】认为活性污 泥可以成功得移植到稳定塘，污泥系统中的一种微型藻在一定压力下分泌的表多 糖可以对石化废水中氮的去除起到很好的絮凝作用。 图2 - 2 石化炼油工艺图 2 2 3 水泥厂 武钢华新水泥有限责任公司位于湖北省武汉市青山区，是由国家特大型钢铁 企业武汉钢铁( 集团) 公司和国家重点支持的大水泥集团公司华新水泥股份有限 公司合资组建，公司于1 9 9 9 年1 0 月成立。是一个两家大型企业优势互补，进行 资源综合利用生产水泥的新公司。 一般来说，水泥的生产以石灰石和粘土为主要原料，经破碎、配料、磨细制 武汉理工大学硕士学位论文 成生料，喂入水泥窑中煅烧成熟料，加入适量石膏( 有时还掺加混合材料或外加 剂) 磨细而成，现在的水泥生产工艺主要是干法水泥生产( 水泥生产工艺流程如 图2 3 ) 。华新水泥公司利用武钢公司现有场地，采用武钢公司的高炉炉渣进行单 独粉磨深加工成超细粉，然后与华新公司的高强超细水泥熟料粉按适当比例混合 生产高强度等级的矿渣硅酸盐水泥。 石灰石粘土铜矿渣砂页岩无烟煤石膏 图2 3 干法水泥生产流程图 水泥厂排水系统主要排放生活污水、少量的生产废水以及雨水，污水排放呈 现水质、水量基本稳定，高峰时间较短，水质变化小的特点。主要污染物为c o d 、 b o d 5 、s s 等，水泥厂常规出水水质见表2 5 。 表2 5 水泥厂常规出水水质 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 水泥厂废水经1 6 6 泵站排向箱涵4 # 调节井，取1 6 6 泵站排水进行水质化验 分析，结果如下表2 - 6 。 表2 - 6 武钢水泥厂1 6 6 泵站排水水质 由以上可看出武钢水泥厂排水t p 超标，s 0 4 2 。含量较高，排水对箱涵沉积物 板结并没有较大影响。 2 2 4 青山热电厂 热电厂由热力系统、燃料供应系统、除灰系统、化学水处理系统、电气系统、 热工控制系统、附属生产系统组成。首先燃料供应系统把能源( 一般为煤炭和燃 油) 经过处理，传输到锅炉间，为锅炉提供燃烧的能源，其间从煤场，输煤通廊， 破碎室，磨煤机，给粉机等送到炉螳，提供了把水变成蒸汽的能源。水在整个过 程中是起到能源介质作用，它变成高温高压的蒸汽冲击气轮机，带动发电机产生 电能，其工艺流程如图2 4 。 五十年来，青山热电厂发电量达1 1 8 3 亿千瓦时，向武钢供热3 7 2 亿百万千 焦，截止2 0 0 7 年青山热电厂装机容量9 8 6 万千瓦。厂现有装机容量8 2 2 万千瓦， 2 台新的3 5 万千瓦热电机组将在落成，新机投产后，装机容量将达到1 5 2 2 万千 瓦。 燃煤电厂废水来源包括： ( 1 ) 化学废水 化学废水主要包括锅炉补给水处理系统产生的废水以及锅炉排污产生的废 水。锅炉酸洗废水、锅炉排污水等化学废水，排放量大、悬浮物高、p h 值也不 符合污水综合排放标准要求，而锅炉补给水处理系统再生废水，主要是p h 值不 能满足污水综合排放标准，锅炉补给水处理系统的反冲洗水，主要是悬浮物超标。 ( 2 ) 工业废水 电厂工业废水主要有两部分，循环排污水和工业冷却水。电厂冷却塔循环水 和空气接触，使得空气中尘埃( 悬浮物) 带入循环冷却水系统，悬浮物有4 5 沉积 在冷却塔底，使循环排污水的悬浮物增加；另一方面循环水经蒸发损失后，水中 的总固态物浓度增加；还有由于循环水中投加磷酸盐引起的盐类成份的沉积。所 以循环冷却水的排污水主要是悬浮物和水中增加的固态物。 热电厂工业冷却水主要是含油废水，主要有汽机房辅机轴承冷却水、油泵密 武汉理工大学硕士学位论文 封冷却水、锅炉房润滑油坑内油箱工作时跑、冒、滴、漏及检修设备时带入的含 油水，工业废水主要是悬浮物、c o d 、油类超标。 图2 - 4 热电厂生产工艺图 工业废水占电厂排水量的3 0 6 0 ，是电厂水体污染的主要污染源之一。 其主要污染因子有：p h 值、s s 、油、c o d 等。目前大部分的电厂都能够达标排 放，但由于排放量大，对生态环境及水生生物的生存条件的影响依然较大。工业 废水中各类水的水质指标和水量受生产工艺的影响，差异巨大。 ( 3 ) 其他废水 除灰渣系统废水 除灰渣系统废水包括灰场排水和冲渣系统排水，约占全部废水量的3 0 一- 6 0 ，是电厂水体污染的主要污染源之一。其主要的污染因子为p h 值、悬浮物 粉煤灰等。 电厂生活污水 生活用水约占全厂总需水量的1 0 1 5 左右，排放量与之基本持平，其 主要的污染因子为p h 值、悬浮物、c o d 等。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 未进行供水改造热电厂排水一般状况如表2 7 2 3 】。 表2 7 常规未改造热电厂排水一般状况 青山热电厂排水量达到6 0 0 0 t h ，其中除灰渣系统废水包括灰场排水和冲渣 系统排水中含有粉煤灰，对箱涵废水中的固体物质沉积起到一定作用。 大多数热电厂废水组成相似，c o d 较低，一般废水经过调节池进入曝气池， 去除c o d 及部分油污，再进行混凝气浮，去除s s ，再进入无阀滤池或者高效纤 维过滤器进一步降低浊度，最后经消毒便可回用，直排水改循环水技术已经相对 成熟。热电厂改造后，随着排水量的减小，污水对箱涵淤积板结造成的影响也会 随之减小。 2 2 5 武钢股份有限公司炼铁厂 ( 1 ) 武钢炼铁厂简介 炼铁厂是钢铁企业的重要组成部分，炼铁将铁矿石还原成生铁。武钢股份有 限公司炼铁厂现有七座现代化大型高炉，是我国生铁的重要生产基地之一。炼铁 厂1 9 5 8 年9 月1 3 日建成投产。经过4 7 年的建设、改造和发展，年生产规模达 到1 0 0 0 万吨，从炼出第一炉铁水至今，已累计生产生铁1 6 6 4 8 万吨。 ( 2 ) 炼铁工艺过程及所需原料 铁矿石、焦炭、石灰石、空气 把铁矿石、焦炭、石灰石按一定比例分配成烧结矿炉料，从炉顶进料口分 批加入炉内，同时把预热过的空气从炉腹底部的进风口鼓入炉内。 空气通过鼓风机加压，经热风炉预热后从高炉下部的风口鼓入炉内起助燃 作用，因为热的气体由下上升，炉料由上往下落，它们在炉内能够充分接触，使 反应得以顺利进行，同时又能使炉料逐步预热，使热能得以充分利用。在进风口 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 附近，焦炭遇热空气燃烧生成二氧化碳，并放出大量的热。 二氧化碳气体上升，跟炽热的焦炭反应，生成一氧化碳。 一氧化碳气体上升，在炉身中部，跟从炉顶不断装入并逐步下降的铁矿石 接触。先后发生传热、熔融、还原、渗碳作用生成生铁，绝大部分铁的氧化物被 一氧化碳还原成铁。 在冶炼过程中，混在铁矿石里的锰、硅、硫、磷等元素也会被碳或一氧化 碳从它们的化合物中还原出来。少量的碳、锰、硅、硫、磷等在高温下熔合在铁 里，成为生铁。生铁的熔点( 1 1 0 0 - 1 2 0 0 摄氏度) 比纯铁的熔点( 1 5 3 5 摄氏度) 低得多。 图2 5 高炉炼铁生产工艺流程图 铁矿石里除了铁的氧化物外，还含有难熔化的脉石，如果不把它们除去， 就会影响生铁的冶炼。加入的石灰石是作为溶剂，用来除去脉石的。因为石灰石 在高温下分解出的氧化钙，能跟脉石里的二氧化硅起反应而生成熔点较低的硅酸 武汉理工大学硕士学位论文 钙，从矿石里分离出来，形成高炉渣，铁和渣均以液体的形态聚集在炉缸内。因 铁和渣的密度不同，它们自然分层并按生产顺序先后排除炉外。铁水可以直接送 去炼钢，或者铸成铁块；炉渣可以直接运弃于渣场，或在炉前粒化生成水渣，也 可在炉前出干渣。在炼铁过程中所产生的煤气，经过在炉内与炉料进行的热交换 后，从炉顶引出，再经除尘、净化、冷却后，作为燃料加以利用。一般炼铁厂包 括高炉、热风炉、高炉煤气洗涤设施、鼓风机站以及相应的辅助生产设施。工艺 如图2 - 5 。主要反应如下： c 0 2 + c - c o c o + f e 2 0 3 一f 时c 0 2c + f e 2 0 3 _ f e 十c 0 2 c a c 0 3 - - - c a o + c 0 2 c a 0 卜卜s i 0 2 c a s i 0 1 ( 3 ) 冲渣废水组成及特性 炼铁厂用水量很大，按产品计，每生产l t 生铁需用水1 0 0m 3 1 3 0 m 3 。铁厂 用水户主要有：高炉、热风炉冷却；高炉煤气洗涤；鼓风机站用水；炉渣的粒化、 水利运输以及干渣的喷水等。此外，还有些用水量不大的零星用户，如润湿炉 料、润湿煤粉、平台洒水、煤气水封阀用水等。以水在使用过程的作用大致可分 为设备间接冷却水，设备及产品的直接冷却用水、生产工艺过程用水以及其他用 水。高炉炼铁废水主要包括高炉直接洒水、高炉冲渣水、铸铁机用水和高炉煤气 洗涤水。根据这些废水使用条件和结果的不同可以分为间接冷却废水、设备或产 品的直接冷却废水、生产工艺过程废水等。废水污染物质主要是悬浮物。通常的 治理技术是经过沉淀，上清水循环悬浮物含量小于l o o m g l 。 熔渣【2 4 】在被大量的水急剧熄灭时，形成了海绵状浮石类物质，在急冷的过 程中，高炉渣的大部分化合物来不及形成稳定化合物，结果以玻璃态被保留了下 来，只有少数化合物，形成了稳定的晶体。同时，水也发生了变化，首先废水的 温度急剧上升，甚至可以达到将近1 0 0 ，其次是受到渣的严重污染，使水的组 成发生很大的变化。一般冲渣废水组成及水渣颗粒组成分别见表2 8 ，2 - 9 。 表2 8 废水组成 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 9 颗粒组成 筛目2 04 06 08 0 1 0 01 2 01 4 0 1 6 0 含量腻 3 15 51 1 110 50 3 o2 冲渣废水是不能任意排放的，其治理原则是适当处理、循环利用。钢铁工 业废中污染物虽高容许排放浓度【2 5 1 中规定，炼铁厂排放的废水中污染物最高 容许排放浓度如表2 1 0 。 表2 一l o 排放废水污染物最高容许浓度 武钢高炉冲渣水的渣水分离方法使用从卢森堡进口的转鼓过滤的工艺【蚓 ( i n b a 法) 冲洗，水渣分离后的废水经沉淀池沉淀一部分回用，一部分进入箱 涵主线，排向箱涵4 # 调节井，如图2 - 6 。 图2 - 6 高炉渣水淬废水沉淀池 i n b a 法口”，由卢森堡p w 公司和比利时西德玛( s i d m a r ) 公司共同开发的 炉渣处理工艺( 亦称回转筒过滤法1 ，它是将冲渣后的渣水混合物引至一个转动的 圆筒形设备内，通过均匀的分配器，使渣水混合物进入转鼓，由于转鼓的外筒是 由不锈钢丝编制的网格结构，进入转鼓内的渣和水很快得到分离。水通过渣和网， 从转鼓的下部流出，水渣则随转鼓一道作圆周运动。当渣被带到圆周的上部时， 依靠自身的重力落至装在转鼓中，t b 的输出皮带上，皮带机运转时，将水渣进出。 武汉理工大学硕士学位论文 实现了渣水分离。该法动力消耗小，对设备和管道的磨损也少。但为了防止脱水 器滤网堵塞，要用高压水对滤网进行吹扫，同时存在一定的泄漏。目前，有一种 利用气体冷却高炉熔渣的干法粒化方法被提出，但没有成熟的技术，还无法转化 为现实。 浮渣的成分分析见4 3 引3 ( 4 ) 武钢炼铁厂高炉冲渣取样测试数据： 高炉冲渣水总用水6