化工厂区初期雨水收集系统设计探讨

2023-06-26吴鹏飞赵积洲吴俊义

化肥设计 2023年3期

吴鹏飞,王默,赵积洲,吴俊义

(1.中国五环工程有限公司,湖北武汉 430223;2.黄冈市环境保护监测站,湖北黄冈 438021;3.新疆广汇新能源有限公司,新疆哈密 839303)

由于化工项目的特殊性,在化工企业生产、运输或维修过程中,可能因某些跑、冒、滴、漏现象或废气污染物的扩散沉降,厂区露天的生产装置区、原料或产品储罐区以及装卸区等区域常常容易附着有污染物质,这些区域通常划分为“污染区”。在降雨初期,这些附着的污染物质会随着雨水的冲刷进入地面径流。初期雨水中污染成分随化工厂区原辅料及产品种类的不同而各有差异,常出现pH值、COD、氨氮、石油类、SS等污染物浓度超标。若不对初期雨水进行收集及处理,任其直接随雨水管网排出厂外,将污染受纳水体。本文结合湖北省内化工项目实际工程,对化工厂区内初期雨水收集系统的设计进行探讨。

1 初期雨水收集原则

按照“清污分流”的原则,初期雨水需要与后期雨水(也称清净雨水)分开收集。在设计过程中,需根据各建/构筑物类型、涉及的物料结合项目总平面布置,将化工厂区内各装置、工序等划分为污染区以及非污染区,其中,污染区需进行初期雨水收集。

2 初期雨水收集方式

初期雨水的收集通常有两种方式:集中收集和分区收集[1]。

2.1 集中收集

集中收集方式也称末端统一收集,是指整个化工厂区设置1个集中式初期雨水池,用于收集全厂初期雨水。该收集池容积通常较大,其优点为厂区初期雨水池的运行、维护以及管理相对而言较为容易;缺点为不适合占地面积较大的厂区以及污染区较分散的厂区。由于初期雨水收集采用重力流方式,初期雨水收集池需设置在厂区低点,管路较长,管径较大,埋深较深。集中收集方式主要应用在占地面积不大或污染区分布相对较集中的厂区。

以湖北省内某合成氨项目为例,其主要工艺路线为:利用水煤浆气化技术生产合成氨。根据该项目的环评报告可知,在进行初期雨水池容积核算时,以厂区总占地面积×降雨深度的方法计算初期雨水池有效容积,计算结果约11 000 m3。该项目初期雨水收集采用集中收集方式,但未区分污染区与非污染区,对厂区占地面积全部考虑收集。在此项目详细工程设计阶段,出于设计优化考虑,对项目污染区与非污染区进行了划分,鉴于项目污染区相对较为集中,仍采用集中收集方式,但仅收集污染区初期雨水。经核算,初期雨水池容积约3 000 m3。该合成氨项目初期雨水集中收集示意见图1。

图1 某合成氨项目厂区初期雨水集中收集示意

2.2 分区收集

分区收集方式是指整个化工厂区设置多个初期雨水池,对污染区各自单独收集;或对几个布置较集中的污染区进行集中收集,其他分散的污染区进行单独收集。其优点如下:初期雨水池的位置布置比较灵活;相对而言,单个初期雨水池的容积较小,占地面积较小、埋深较浅、初期雨水收集管路较短。其缺点如下:初期雨水池设置的数量较多,企业对其日常运行管理及维护相对集中收集方式而言会较为复杂。初期雨水分区收集方式通常应用在中大型化工厂区。

湖北省内某合成气综合利用项目采用水煤浆气化技术生产合成气制尿素、食品级CO2等化工产品,该项目占地面积较大,在工艺装置区、液体贮运设施区、装卸区及其他辅助生产设施污染区共设置11座初期雨水池,分别收集各污染片区的初期雨水。该合成气综合利用项目初期雨水分区收集示意见图2。

图2 某合成气综合利用项目厂区初期雨水分区收集示意

2.3 小结

对于集中收集方式而言,远处污染区的初期雨水进入全厂初期雨水池时,近处污染区流入全厂初期雨水池的雨水属于清净雨水。化工厂区内不同污染区与初期雨水池的距离不一致,进入初期雨水池的径流时间也各不相同。距离近的区域,径流时间短;距离远的区域,径流时间长。整体而言,分区收集方式的清污分流效果较集中收集方式更为理想。

参照GB/T 50934—2013《石油化工工程防渗技术规范》[2]规定,在进行初期雨水池及地下污水管道的防渗设计时,初期雨水池的底板及壁板、地下污水管道属于重点污染防治区,防渗等级要求高。相比集中收集方式,分区收集方式初期雨水的埋地管道长度更短,在节省工程投资的同时,也有利于降低污染物渗漏并污染地下水的风险。

针对厂区占地面积较小或者污染区域分布较集中的小型化工项目,其初期雨水收集方式可采用集中收集;针对中大型化工项目,其工艺生产装置区、液体储罐区等污染区域通常较为分散,其初期雨水收集方式建议采用分区收集。

3 初期雨水收集措施

初期雨水收集措施一般包含在污染装置区四周设置围堰或环沟、在罐区设置防火堤或围堰以及排水沟、集水坑等措施。初期雨水经上述收集措施截流后,汇入初期雨水池,最终送往污水处理设施处理。

前文提到的湖北省内某合成氨项目及某合成气综合利用项目,其初期雨水的收集措施均为:在工艺生产装置污染区四周设置围堰或环沟、围堰内设置有集水井;液体罐区设置有防火堤或围堰、防火堤内设置有集水沟及集水井。初期雨水经防火堤或围堰/环沟截留后,随集水沟流入集水井,重力流方式流入初期雨水池。

4 初期雨水池容积计算

根据GB/T 50483—2019《化工建设项目环境保护工程设计标准》[3]中第2.0.8条规定,有两种方式计算初期雨水量。方式一:取降雨初期15～30 min的雨量计算初期雨水量,通常也称“暴雨强度公式法”;方式二:取降雨初期20～30 mm厚度的雨量计算初期雨水量,通常也称“降雨深度计算法”。

4.1 暴雨强度公式

参照GB 50014—2021《室外排水设计标准》[4]中第4.1.7条的规定,初期雨水量的计算可采用如下公式:

Qs=qΨF

式中:Qs为初期雨水流量,L/s;q为暴雨强度,L/(hm2·s);Ψ为径流系数,取0.85～0.95;F为汇水面积,hm2。

4.2 降雨深度计算

参照GB 50747—2012《石油化工污水处理设计规范》[5]中第3.1.1条的规定,初期雨水量的计算可采用如下公式:

式中:V为初期雨水量,m3;h为降雨深度,取15～30 mm;F为污染区面积,m2。

方式一的计算相对较麻烦,需要查找项目所在地的暴雨强度以及确定初期雨水的收集时间。方法二的计算则较为简单、方便,在确定污染区面积的基础上,选择合适的降雨深度即可计算初期雨水池的容积。

根据GB/T 50483—2019的条文解释,降雨初期15～30 min雨量在实际操作中难以控制,根据设计经验,为提高标准的实用性,采用“降雨初期20～30 mm厚度的雨量”为初期污染雨水。

根据SH/T 3015—2019《石油化工给水排水系统设计规范》[6]中条文解释,经5 min初期雨水的冲洗,污染区基本被冲洗干净。5 min降雨深度大都在15～30 mm之间,该规范推荐采用15～30 mm的降雨深度作为初期雨水。

王堃[7]认为:采用降雨深度计算初期雨水量时,降雨深度取值大小与厂区初期雨水收集方式有关。采用集中收集方式时,降雨深度宜取大值;采用分区收集方式时,降雨深度宜取小值。夏安林[8]认为:降雨深度的取值与项目实际情况有较大关系。厂区污染的轻重、冲刷的难易程度(即污染物的附着力大小)、暴雨强度的大小、初期雨水径流汇集的时间长短等因素影响降雨深度的取值。雨季较多的地区宜采用低限值,旱季较多的地区宜采用高限值。

前文提及的湖北省内某合成氨项目,其环评报告中考虑项目建设地降雨情况,降雨深度采用20 mm计算初期雨水池容积。湖北省内某合成气综合利用项目,其环评报告参照GB 50747—2012。考虑项目建设地降雨频繁,取降雨深度低值15 mm。在项目设计阶段,降雨深度的取值均保持与环评报告一致。

综上所述,化工项目在进行初期雨水量计算时,建议优先采用降雨深度计算法(取降雨初期15～30 mm厚度值)进行计算。同时,设计阶段降雨深度的取值应满足环评报告要求。

5 初期雨水池切换控制方式

初期污染雨水与后期清净雨水的分流切换控制方式通常有两种:人工切换控制方式和自动切换控制方式[9]。

人工切换控制方式受企业现场操作人员的人为因素影响较大。人工切换控制一般采用手动阀门或者电动阀门进行开启或关闭,需要现场操作人员对切换点进行判断。如人员不按操作规程进行正常切换,就达不到初期雨水清污分流的效果。另外,也不利于环境保护主管部门对企业初期雨水的监管。

自动切换控制方式即采用联锁方式控制管路上电动阀门的开启及关闭,实现初期污染雨水与后期清净雨水的分流。自动切换控制常采用液位联锁,以初期雨水池内液位的高低作为输入信号进行切换操作。目前,化工厂区应用较多的控制方式为液位联锁的自动切换控制方式。

如图3所示,常规情况下电动阀a常闭,电动阀b常开。在出现降雨时,厂内污染区的初期雨水经收集系统逐步流入初期雨水池。当初期雨水池中的液位上升至高液位时(见图4),液位信号联锁开a、关b,此时的雨水为清净雨水,通过阀a进入厂区雨水管网系统。根据厂内污水处理站的实际处理富余能力,人为手动有序地逐步开启各个初期雨水池的提升泵,将初期雨水送至污水处理设施处理。按照GB 50684—2011《化学工业污水处理与回用设计规范》[10]中第3.0.2条的要求,初期雨水池内的初期雨水需在5 d时间以内排空,即初期雨水提升泵可参照上述规范选取合适的排空时间来确定其提升泵的流量。待初期雨水池内液位下降到低液位(停泵液位)时,通过联锁控制停止提升泵的运行。待降雨结束且初期雨水池排空后,需手动开b、关a,也可通过控制室远程手动按钮操作开b、关a,恢复电动阀a、b的常规状态。