水电灌浆工程废水处理工艺及装备研究

肖桂华XIAO Gui-hua；
甘虎GAN Hu；
向代刚XIANG Dai-gang

（三川德青工程机械有限公司，宜昌 443000）

随着我国经济的快速发展，对能源的需求也越来越大。水电是一种清洁能源，但水电工程建设的同时也对环境造成一定程度的负面影响，水利水电工程施工期间废水排放量大、废污水类型多，主要包括砂石料处理系统废水、混凝土混合系统废水、机械整备废水、生活污水、洞室废水、混凝土养护废水和灌浆废水等[1]。灌浆工程施工废水是水利水电工程中基础灌溉向建筑物地基裂缝、断层破碎带或建筑物本身接缝、裂缝输送水泥砂浆液压的工程。通过灌浆可以提高被灌注地层或建筑物的抗渗透性和整体性，改善地基条件，保证水工建筑物的安全运行。基于灌浆工艺特性，施工过程中灌浆孔冲洗、灌浆保压、设备清洗及水泥浆的失效等因素，造成大量废浆、废水。

灌浆水泥废浆具备一定活性、板结，与混凝土商品砼废浆理化特性存在质的区别。施工场地紧张，废浆废水经常无处排放。以往对于施工期废污水处理重视不够，监管有限，施工期废污水不经处理直接排放或处理不达标排放的情况普遍存在[2]，更为严重的是有的施工企业趁监管漏洞，将废浆废水偷排乱排，给环境带来了一系列污染的问题。污染下游水源，影响河道水质情况，对生态环境造成破坏。

国内外在水电灌浆工程废浆废水排放处理领域，仍然是以传统自然沉淀直接外弃施工方法为主。SL62-2020《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》对施工中产生的废浆和废水，没有强制规定处理工艺及排放标准。据市场调研，国内外有多项类似项目研究，主要集中在混凝土商品砼废浆砂石回收利用及废浆处理技术原理、药剂以及工艺和设备的探讨，并对混凝土商品砼废浆排放技术工程应用进行了研究。

灌浆施工废水中主要污染物为悬浮物（SS），SS 主要来自打钻过程中产生的岩粉、裂隙中夹杂的泥沙，以及灌浆使用的水泥。具有以下特性：

①具有水泥活性特征。一般静置24 小时后会胶凝，静置48 小时后会板结。随着静置时间越长，结石强度越高。

②泥浆颗粒物粒径小。通过激光粒度分布仪分析检测：颗粒物粒径80%以上在50μm 以下，中位径D50约为21μm。

③沉降性好。通过沉降实验，一般静置15～20 分钟时可见分层明显，上清液已很清澈，检测出悬浮物SS 含量小于70mg/L，符合《污水综合排放标准》（GB8978-1996），可循环使用或直接排放。

④滤失性好。沉降后的泥浆经过滤失实验，加压0.8MPa 12～15 分钟，滤液清澈、泥饼成型好含水率小于25%。

⑤碱性强。沉降后的上清液及滤液经检测pH 值12～13，呈强碱性，若排放须加药中和。

3.1 水电灌浆工程废水无害化处理工艺原理（如图1）

图1 灌浆工程废浆废水无害化处理工艺流程图

工艺流程及步骤：水电灌浆工程废浆废水无害化排放处理整套工艺流程，从粗渣分离到泥浆处理，直到最后的安全排放，主要分为三个部分：一是粗渣的振动筛分，二是泥浆浓缩减量分离，三是浓密废浆的压滤分离。根据需要进行水的碱性中和处理。

水电灌浆工程废浆废水经过固控分离除去大于1mm的粗渣，分离后的浆液进入浓缩、压滤系统，最后分离成干渣和清水。

3.2 粗渣筛分工艺

废浆中含有粗颗粒时，需配置筛分系统。应用振动筛分原理除去大于1mm 的渣料，透筛泥浆进入泥浆池。

振动筛脱水筛分出渣料含水率小于25%，可直接外运。透筛泥浆进入泥浆池，通过泵送至浓密机进一步分离。

若废浆中粗颗粒含量少时，可直接采用筛网拦截。（如图2）

图2 粗渣筛分工艺

3.3 浓密分离工艺

根据泥浆特性，选择合理沉降及防板结工艺。通过沉淀方式溢流走大于90%的清水，为后续工艺减量。泥浆中的固体颗粒通过蜂窝斜管沉降滑入泥斗，上清液通过出水槽溢流。浓密机在净化区与沉降区之间设置蜂窝斜管，提高了浓密机的处理能力和水质净化的质量。

斜管浓密机利用重力沉降作用分离浆液中的固相颗粒，但其沉降作用发生在设备中各斜管间的空腔内，斜管间的间距较小，其间的流体容易形成层流，固体颗粒仅在沉降的小距离落入斜管板面，然后沿斜板下滑可以进入机体下部的泥斗。由于倾斜板层叠，充分利用空间高度，同一占地面积的斜管浓密机的沉降面积远大于普通耙子浓密机。

内部流体速度按废浆沉降速度设计。

浓密机倾斜板倾角的确定主要考虑沉淀物是否能够顺利滑落，特别是水泥浆滞留时板接合，斜板间距的确定要充分考虑斜板上的材料层厚和器壁效应，既有利于沉泥下滑，又兼顾了沉降效率；
倾斜板长度和宽度的确定主要从结构设计上考虑，便于安装、更换，同时保证了合适的刚度和厚度。当然，为了保证沉泥有足够的停留时间，斜管长度不能太短，所以斜板层数和宽度是按和谐比例设计的[3]。

斜管浓密机设计时，除了考虑流量、浓度、粒度分布、温度等参数外，其利用系数也是重要的参数指标。在结构设计中，对流道采取措施，尽量减少紊流，在确定斜管长度时，充分考虑沉降区、流入区和溢流区边界处的湍流区的大小。（如图3）

图3 浓密分离工艺原理图

3.4 废浆压滤系统的压滤工艺

压滤进料泵将浓密沉降的底泥泵送到压滤机滤室，灌浆废水中的固相颗粒被滤布拦截，逐渐积累形成滤饼，滤液透过滤布通过滤液收集水槽进入清水池。泵送泥浆过程中滤饼增厚，压力升到设定值后保压5～10 分钟，压滤机松板卸料。滤饼含水率≤25%，可作为工程回填土使用；
滤液清澈，若排放可加药中和。（如图4）

图4 压滤原理图

白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县交界处，是金沙江下游干流河段梯级开发的第二级电站以发电为主，具有防洪、拦沙、改善下游航运条件、发展库区通航等综合效益。水库正常蓄水位置825m，对应库容206亿立方米的地下厂房安装16 台机组，最初机组容量1600 万千瓦，多年平均发电量602 亿4000 万千瓦时。（如图5-图6）

图5 四川省白鹤滩水电工程基础灌浆

图6 中试现场

4.1 中试设备研制

系统设备参数：处理能力：50 方//小时，功率：75kW。

①压滤机。

过滤面积：4m2，滤室容积：约60L，过滤压力：≤1.0MPa，结构型式：厢式，液压压紧/自动保压/自动补压，滤布特性：耐强碱（pH 值=14）、易脱饼。

②压滤泵。

规格型号：螺杆泵G25-2，扬程：1.2MPa，特性：耐磨、耐强碱（pH 值=14）。

③搅拌桶。

桶体容积：400L，搅拌转速：37rpm。（如图7-图9）

图7 中试系统示意图

图8 浓密分离效果：溢流清澈，无明显沉淀物或悬浮物

图9 固液分离效果：滤液清澈，滤饼成型好、含水率低

4.2 数据检测结果（表1）

表1 检测结果分析表

现场应用效果：①分离物为水和泥饼；
②水清澈无沉淀和悬浮物，可以回用或达标排放；
③泥饼含水率低，能散装外运。

4.3 成本分析

处理水量50 方/小时。工业用电按每度0.6 元计，用电量约每小时75 度，则每小时电费45 元；
系统设备只需1人值守，按每人每班320 元计，则每小时人工费40 元；
易损件（主要是滤布）寿命按2500h 计，则每小时消耗品费用约7 元；
不计渣料外运费和处理得到的清水回用节省费用，成本每方水不超过1.84 元。

5.1 结论

水电灌浆工程废水无害化处理工艺方法在白鹤滩水电工程基础灌浆中的有效试验，从源头上解决了水电灌浆工程废浆废水的出路问题，充分显示了该工艺方法的显著优势，补齐了水电灌浆工程中废水治理中的短板，中水重复利用节约了水资源，弃碴填沟平地，既可以减少工程建设费用，又可以提高社会和环境效益。实现了废弃物的再利用，减低了管理费用，间接经济效益和社会效益显著。

5.2 建议

促进行业协会修订SL62-2020《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》，增加施工中产生的废浆废水无害化排放处理工艺或排放标准，从灌浆工程设计源头上解决成果推广应用难的问题。

提请国家相关部门提高灌浆工程的工程造价，从资金源头上解决施工企业应用该成果增加施工成本的问题。