基于工程模糊集的水利工程施工废水处理方法与实践研究

2018-09-21

地下水 2018年5期

(山西省水利建筑工程局，山西太原 030006)

传统水利工程废水处理方法针对不同污染源的废水进行统一处理，统一沉淀、酸碱中和、分流等处理。但在统一处理过程中无法分辨不同的污染源，无法进行“对症下药”，废水处理能力有限，废水处理效率低下[1]。为此提出基于工程模糊集的水利工程施工废水处理方法与实践研究。依托工程模糊集，构建废水组成集合，基于欧内斯特理论对定量因子集和定性因子集确定，确定废水组成与添加药剂比例。将水利工程施工废水筛分楼对废水进行分层处理，将中间层废水导入沉淀池，进行沉淀作业，将沉淀层废水直接进行脱水处理，完成砂石料加工系统与基坑系统废水处理，依托定性因子集的确定得出添加剂的使用量，对经过滤的水质中添加定量的低分子无机絮凝剂和高分子无机絮凝剂，经过精滤完成提出的水利工程施工废水处理。为了保证设计的废水处理方法的有效性，进行试验验证，利用不同类型的水利工程废水样本作为试验环境，依托两种不同废水处理方法，进行废水处理效率试验，试验结论表明，提出废水处理方法具备极高的有效性。

1 基于工程模糊集水利施工废水处理方法的设计

为解决传统水利工程废水处理方法无法分析污染源的组成和处理能力较低的不足[2]，为此引入工程模糊集理论，依托工程模糊集理论构建基于工程模糊集水利工程施工废水处理方法。并对废水来源进行分析，并判断废水来源的化学稳定性与物理稳定性，对有毒有害物质进行提早分流，对稳定性较差的废水进行提前处理。并根据欧内斯特原理进行废水的分类处理，将水利工程施工废水来源分为四类，即砂石料加工系统产生的废水、基坑系统生产的废水、含油废水(其中包括工业机油、润滑油、汽油、生活食用油等)[3]，以及水利工程施工人员产生的生活废水。根据不同的污染源进行有针对性的废水处理。拟定出一套最恰当有效的处理方案。其水利工程废水来源与处理流程如图1所示。

图1 水利工程废水来源与处理流程

1.1 工程模糊集模型的构建

将水利工程施工产生的废水看做集合A，集合的组成为A={砂石料加工系统废水，基坑系统废水，含油废水，水利工程施工人员产生的生活废水}，工程模糊集模型的构建是基于欧内斯特原理对集合A的子集进行，定量因子集的确定和定性因子集的确定，根据定量因子集和定性因子集的相关性参数进行特定方式的废水处理作业。对集合A子集的定量因子集的确定，是为了解决水利工程废水的比例分配问题和分流问题。对集合A子集的定性因子集的确定，是指出水利工程废水的具体类型处理方法。

定量因子集的确定主要对整体废水进行沉积率计算，利用计算得出不同污染物的比例，从而进行有针对性的对废水处理。定量因子集的确定公式如下[4]：

(1)

式中：T代表废水来源组成，t代表其组成比例，xj代表j阶段的废水质量，tn代表n时间的废水来源组成比例，τ代表废水溶剂率。

定性因子集的确定，主要确定能够消除判断溶于水中污染源的药品用量，以及溶液配比计算。过多的药品会对水质本身起到负面的影响，配比不合理则不能达到预期目的，甚至会产生絮状物等。定性因子集的确定计算公式如下：

(2)

式中：n代表模糊计算范围，x表物质最大含量，xi代表i位置的物质含量，xj代表j位置的物质含量。其欧内斯特原理图如图2所示。a图为定量因子集的确定，b图为定性因子集的确定。

图2 欧内斯特原理图

1.2 砂石料加工系统与基坑系统的废水处理

水利施工工程中对砂石料加工时产生的施工废水称之为砂石料加工系统废水，开挖基坑系统工作中产生的施工废水称之为基坑系统废水[5-6]。砂石料加工系统废水的产生原因是在水利工程施工中人为添加水对砂石料、包括混凝土等建筑材料进行搅拌混合，用于水利施工。这个过程会产生过量的水，这个过量的水受到不同砂石料的污染产生废水。其废水的污染源主要包括施工原料的悬浮物以及沙土石料沉淀物。基坑系统废水的产生原因是水利工程技术人员对确定基坑进行挖局作业时，对基坑防护壁、防护梁进行施工作业时，易产生砂石料加工系统废水且会并留在基坑中，同时因非人为因素、降雨等影响在基坑中留有废水，产生基坑废水[7]。基坑废水的污染源包含砂石料加工系统废水以及基坑底部的淤泥等。利用水泵水渠等方式将废水运至处理中心。

废水处理中心基于工程模糊集模型的定量因子集的确定，掌握砂石料加工系统废水与基坑系统废水占整个水利工程施工废水的比例。基于定性因子集的确定，得出砂石料加工系统废水与基坑系统废水在整体废水的位置，首先将废水引入分筛楼，依托工程模糊集模型，将悬浮层、中间层、沉淀层相互分开。将中间层引入沉砂池进行沉淀处理，沉砂处理包括自然沉砂和人工沉砂，自然沉砂将沉淀层废水引入沉砂池后使废水长时间静止不动，水中砂石沉淀后进行下一工序，人工沉砂是加入沉砂剂促进砂石快速下沉[8]，两种方法均能够实现砂石的沉淀处理，根据处理量以及沉砂池数量选择沉砂工艺。此时沉淀物质包括泥浆砂石等，经过脱水机取出沉淀物中的水，沉淀物质可以进行二次利用，上清溶液引出。沉淀层直接进行脱水机作业。引出处理后的水进过三道过滤装置，进行滤水处理，因砂石料加工系统与基坑系统的废水主要是不容水物质的污染，利用筛选、分离、过滤的方式能够达到排放要求，但此时还会混有部分部分普通悬浮物、部分含油废水与部分生活废水等，所以需要进一步处理[9]。

1.3 含油废水与生活废水处理

与砂石料加工系统废水、基坑系统废水不同的是，水利施工中使用的工业机油、润滑油、汽油等油性物质与水接触产生的废水，以及施工人员的生产生活产生的废水，处置相对较为复杂，需要进一步处理。其含油废水主要由烷烃(直链、支链、多支链)、环烷烃(单环、双环、多环)、芳烃(单环芳烃、多环芳烃)、环烷基芳烃以及含氧、含氮、含硫有机化合物、水等构成，同时伴有重金属元素(石油提炼过程中伴随的)、硫氧化物等若处理不当对水质影响较大[10]。生活废水主要包括工程技术人员日常生活排泄的洗涤用水。废水中污染物成分复杂多样。对环境有着不同层次的影响。

油烃脂与砂石料相同，为不溶水物质存在悬浮层中，利用吸附法、过滤法能够将油烃脂类物质滤出，并进行定期无害化焚烧。但溶于水中的部分重金属、氮氧化物，生活废水同时会造成硫磷含量较高、水中含氧量明显减低，为此针对溶于水中的有害物质，采用添加低分子无机絮凝剂(三氯化铁、硫酸亚铁、明矶)以及高分子无机絮凝剂(聚合硫酸铝、聚合磷酸铝、聚合磷酸铁、聚亚铁)的方式实现对含油废水与生活废水处理。

采用公式2计算基于工程模糊集模型在净水池中加入L1量的三氯化铁、L2量的硫酸亚铁、L3量的明矶、L4量的聚合硫酸铝、L5量的聚合磷酸铝、L6量的聚合磷酸铁、L7量的聚亚铁，控制反应时间T，同时经过停留式检测，控制反应量。将符合要求的水由净水池进行引流至精滤池，对精滤池水中的各个指标进行检测，达到GB3838地表水环境质量III级标准要求后进行排放。

2 试验验证

为了保证本文提出的基于工程模糊集的水利工程施工废水处理方法的有效性，进行试验验证分析。试验过程中，以不同类型的水利工程废水样本作为试验对象，进行废水处理效率试验。对水利工程废水样本的不同污染源，以及水质等进行仿真。为了保证试验的有效性，使用传统废水处理方法作为比较对象，对比两次试验结果，并将试验数据呈现在同一数据图表中。

2.1 数据准备

为了保证试验过程的准确性，对测试的试验参数进行设置。本文试验过程，采用不同类型的水利工程废水样本作为试验对象，利用两种不同废水处理方法，进行废水处理效率试验，并对试验结果进行分析。由于不同方法中得到的分析结果与分析方式是不同的，因此，试验过程中需要保证试验环境参数的一致。本文试验数据设置结果如表1所示。