利用排放距离控制初期雨水中重金属污染物含量

汪良珠

(株洲市规划设计院, 湖南 株洲 412007)

利用排放距离控制初期雨水中重金属污染物含量

汪良珠

(株洲市规划设计院, 湖南 株洲 412007)

针对大型重金属冶炼企业生产过程中产生的烟尘飘落物等重金属污染物情况，对初期雨水冲刷企业露天部位所产生的初期雨水重金属污染物总量和排放距离关系进行了探讨，总结了利用排放距离控制初期雨水中重金属污染物含量的方法。

烟尘； 重金属； 初期雨水； 排放距离

1 重金属污染物来源

采用火法与湿法进行生产的大型重金属冶炼企业露天部位的含重金属污染物主要是以下几条途径产生：

1)烟尘飘落；

2)输送系统的泄漏；

3)生产系统的跑、冒、滴、漏；

4)车辆运输过程的散失；

5)露天堆积场地的损失。

在生产正常进行的情况下，以第一种途径为主。重金属冶炼产生的烟尘主要是通过烟囱排放，根据烟囱的高度可以划分为低空排放和高空排放两种形式。一般情况下，高空排放的烟尘降沉区域在生产区域下风方向一定距离地方，低空排放的烟尘有很多是降落在企业生产区域。重金属冶炼企业烟尘含有各种重金属，如铅、锌、铜等，同时还含有二氧化硫及蒸气，它具有散落快、散落物较均匀、总量与时间成正比等特征。

烟尘降落露天部位含重金属降落物的体积可以表示为：

(1)

式中：V为露天部位含重金属降落物的体积，m3；si为露天部位面积，m2；hi为露天部位相应范围的含重金属降落物堆积厚度，m；

在一定时期内，如果企业未进行大面积的技改，可以视si为不变的。

当企业生产正常进行时，hi值的影响因素有：

1) 与堆积时间t成正比；

2)与气候因素中的风速相关。风速大扩散效果好，降落物就少，hi也相应减小。

3)与降雨时间间隔相关。每次降雨都会对露天部位重金属物造成冲刷减小hi值。

4)与空气对流、生产设备管理、生产情况等有关。

2 影响初期雨水中重金属污染物含量的因素

2.1 雨水的冲击

假设露天部位含重金属污染物堆积层在外力(降雨冲击、浸润，机械作用等)作用前由形状规则的微团组成，这些微团外形在整个排水过程不发生改变。随水流流动之前，它的受力情况如图1所示。

竖直向下的重力mig、垂直于支持面向上的支持力N,沿支持面切线向上的静摩擦力f。它们之间关系为：

N-migcosθ=0

(2)

migsinθ-f=0

(3)

其中：N为支持力，N；f为静摩擦力，N；mi为微团质量，kg；θ为露天部位倾角，(°)。

微团沿露天部位支承面下滑的条件：露天部位含重金属物质堆积达到足够的厚度使得累积起来的migsinθ≥f最大，有了克服最大静摩擦力的分力，堆积物可以开始滑动。这就要求θ足够大或露天部位的最大静摩擦力尽可能小。过度增大θ对生产、使用不方便，不经济。尽可能减小最大静摩擦力，从摩擦力系数可知，只有使用合适的材料。但是材料的选用必须考虑生产安全、经济的要求。重金属冶炼企业地面根据生产环境不同，一般采用混凝土、沥青、耐酸陶瓷等地面。重金属冶炼企业建筑物的屋面材料和一般建筑物屋面材料没有太大的区别。

图1 旱季含重金属污染物微团受力分析图

图2 降雨对堆积物微团冲击力示意图

当雨水继续渗入堆积层产生浸润，使其和支持面间摩擦力减小，大量的堆积层以流体状态下滑，所以堆积层随雨水流动的关键是克服摩擦力。而降水的暴雨强度和降雨历时影响微团克服上述摩擦力。

2.2 含重金属污染物的流动

在一定水流作用下，含重金属污染物由静止状态转为运动状态叫做启动，这时流速称为启动流速，含重金属污染物微团的启动流速可以参考泥沙颗粒的启动流速计算，即可按公式(4)计算

(4)

式中：U0为微团的启动流速，m/s；h为水深，m;d为沟渠(管道)内含重金属污染物粒径,m；ρs、ρ为含重金属污染物和水的密度，kg/m3。

从启动速度公式可知选定某一观察微团之后即ρs、d为定值，那么U0和水深度成正比了。

l为从启动点到进入污水处理构筑物距离，m；

v为流动过程的流速，m/s。

污染物随雨水排放过程可以分为两个阶段:

第一阶段从露天部位到第一个雨水口，其流动过程可以分为：露天部位流动→地面→雨水口(沟渠入口)。进入排水沟渠(管道)后，为第二阶段。

第二阶段即从雨水口(沟渠入口)起，按支渠(支管)→干渠(干管)→主干渠(主干管)→处理构筑物的轨迹。由于重金属冶炼企业的矿浆黏性大、容易阻塞排水通道，为了清通方便一般采用沟渠。

2.3 含重金属污染物的排放要求

积尘进入雨水后，它们的流动情况和雨水的流速、管(沟、渠)的局部阻力系数、沿程阻力系数有关，综合起来可以用下式表示：

(5)

式中：n为管渠粗糙系数；R为水力半径，m；i为水力坡度。

由于污染物排放由浓度控制转向总量控制，所以，尽可能全部地将每场降雨的初期雨水中露天部位重金属污染物排入处理设施是规划设计雨水排水必须考虑的问题。因为V=qt，假设在初期降雨过程中q不变，如果t增大，无疑会增大V即增大处理废水量，全程时间t=∑L/v，污染物排放从浓度和总量两个方面来控制。浓度要求小于最高容许排放浓度、排放总量要求小于所容许的总量，所以要求受控制的雨水中污染物在最短的时间内进入到处理设施中。

进入初期雨水的重金属污染物的总量为：

(6)

(7)

式中：Cr为污染物浓度；Cr0为积分常数，表示降雨开始时的污染物浓度；hT为总净雨深，m；F为流域面积，km2；MW为污染物总量，kg。

MW=qcFT

(8)

式中：qc为污染物冲刷率模数；T为降雨冲刷历时，h。

理论上，污染物应该全部进入污水处理系统，事实上难以做到，因为：

(1)全部污染物都进入污水处理系统势必增大初期雨水收集量，即增大处理负荷；

(2)全部含污染物初期雨水都进入可能降低污染物浓度、降低处理效率；

(3)全部初期雨水中重金属污染物都进入处理系统，忽视了重金属污染物处理的系统性，如江河湖泊中生物对重金属的吸附转化。

控制初期雨水排入处理设施的时间是关键。这个时间难以固定，需要根据季节、两次降雨间隔长短、生产系统运行情况、露天部位污染物积集情况来确定，对于指定考察企业通过多年的运行观察，可以根据各种情况下降雨情况来确定初期雨水时间，据资料，一般初期雨水控制在30分钟左右。

由此可见在经济上节约、技术上可行、环境保护上安全可行的要求下，大型重金属冶炼企业初期雨水排放的原则应该是排放距离尽可能便捷、排放时间尽可能短、排放的污染物量尽可能大。综合这几个方面的要求布置雨水排水系统时应该是分区布置，根据污染程度轻重、综合考虑污染程度严重的厂区排水距离应该最短、污染程度轻的可以相对长。

纳入处理范围的初期雨水污染物排放过程，即污染物脱离露天部位支持面随降雨在排放系统中流动，最终进入污水处理系统。

2.4 排放距离和量的关系

企业生产区域范围小，可以通过工程措施做到初期雨水排水的管(沟渠)的n、i基本相同。R主要和排水管(沟渠)断面尺寸及雨水汇集量有关。暴雨强度和降雨历时有关，由暴雨强度公式及雨水排水公式可以发现，对于企业雨水排水，可以通过设计，使得企业各分区雨水排水至控制断面的距离、汇水面积基本相等。排水管(渠)由于距离影响雨水排放时间，那么，排水管(渠)的布置形式、距离选择都有重大影响。

雨水排水主、干管(渠)是轻、中、重污染区雨水总汇，所以雨水管网规划设计时必须考虑企业生产布局、污染物排放情况。通过等距离、等汇水面积的措施，可以达到重金属冶炼企业重金属堆积物在每场降雨的初期排水，基本同时排入重金属污水处理设施。从而可以最大限度地将初期雨水纳入处理范围，收纳的初期雨水量又最小。将污染区的排放规划得离处理设施最近，轻污染区的排放距离次之，清洁区的排放距离最远。这种布置有利于在确定的初期雨水排放时间内最大限度地将企业露天部位重金属污染物纳入处理设施，同时进入处理设施的初期雨水最少。有利于初期雨水中污染物总量的控制。图3为企业雨水排放规划示意图。

3 控制污染物排放量途径

3.1 技术方面

从根本上减少生产过程中露天部位含重金属污染物积尘量才是减少重金属废水处理设施初期雨水中含重金属污染物量的关键，它可以分为以下几个方面：

(1)工艺和物料。

选用不产生或少产生粉尘的工艺、采用无害或危害性较小的物料是消除减弱粉尘危害的根本途径。

图3 重金属冶炼企业雨水排放规划示意图

(2)限制(抑制)扬尘和粉尘扩散。

a.采用密闭管道输送、密闭自动机械称量、密闭加工，防止粉尘外逸。不能完全密闭的尘源在不妨碍操作的条件下尽可能采用半封闭罩隔离室等设施来隔绝。减少粉尘加工场所空气接触，将粉尘限制在局部范围内减弱粉尘的扩散。

b.通过降低物料落差适当降低溜槽斜度、隔绝气流减少诱导空气量和设置空间等方法抑制正压造成的扬尘。

c.对亲水性弱粘性的物料和粉尘尽量采用增湿排污、喷蒸汽等措施可以消减、抑制物料在装卸转运、破碎筛分混合和清扫等过程中发出粉尘和扩散，充分喷雾有助于室内飘尘的凝聚降落。对振动筛、破碎机、皮带运输机转运点等开放性尘源均可用高压静电抑尘装置有效地抑制含重金属粉末的扩散。

d.为消除二次尘源、防止二次扬尘，应在设计中合理布置、尽量减少积尘平面。地面、墙面应平整、光滑，便于清扫。使用负压清扫装置来清除逸散沉积在地面、墙壁、构件和设备上的粉尘，严禁用吹扫方式清扫积尘。

3.2 绿化生产厂区

重金属污染物排放量一定时间内是确定的，如果通过绿化以植物吸收地面的重金属，则可以减少被冲刷进入初期雨水的重金属总量。植物吸收重金属的能力和植物种类相关，吸收重金属总量则与绿化面积相关。

4 结论

重金属冶炼企业生产区域的露天部位含重金属的堆积层被雨水冲刷形成初期雨水污染物需进行处理，处理的初期雨水量的控制既要以浓度作为控制指标又要以总量作为控制指标，所以只有通过规划将生产企业的不同程度污染区、不同生产区域按照离控制断面由近到远的方式进行分区控制，排水管(渠)的内底纵坡规划为保证汇水时间相近，保证在控制的时间内让各分区的污染物都汇入处理构筑物。

[1]严煦世,范瑾初.给水工程[M]. 北京:中国建筑工业出版社,1999,12.

[2]李勉等.草被覆盖下坡沟系统坡面能量变化试验研究[J].水土保持学报, 2005,191(5): 13-14.

[3]车伍等.城市雨水径流污染的初期弃流控制[J].中国给水排水，2007,23(6):1-5.

[4]车伍等.城市雨水径流面污染负荷的计算模型[J].中国给水排水，2004,20(7):56-56.

[5]朱春龙.截流倍数分析计算方法[J].中国给水排水，1999，45(4):45-46.

Controlofamountsofheavymetalspollutantininitialrainwaterusingdischargingdistance

WANG Liang-zhu

In view of the situations of heavy metals pollutant like ash in smoke produced in the production process in large-scale heavy metals smelter, the relationships between discharging distance and total pollutant amounts of heavy metals in initial rainwater in outdoor part washed by initial rainwater was discussed, and the methods to control the pollutant amounts of heavy metals in initial rainwater using discharging distance was summarized.

smoke; heavy metal; initial rainwater; discharging distance

汪良珠(1966—)，男，湖南浏阳人，给排水高级工程师，主要从事给排水设计。

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