重金屬氫氧化物沉淀反應(yīng)池內(nèi)壁腐蝕可視化檢測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警研究

摘要

重金屬沉淀反應(yīng)池運(yùn)行pH區(qū)間8.0?11.0，堿性?重金屬離子復(fù)合腐蝕環(huán)境加速混凝土池壁老化。圓形沉淀池常見直徑φ2?7?m，有效水深2.5?3.5?m。傳統(tǒng)運(yùn)維模式難以早期發(fā)現(xiàn)池壁內(nèi)部微裂縫，廢水滲漏后重金屬污染地下水。本文采用側(cè)掛近距水下光學(xué)成像檢測(cè)方案，探頭沿池壁一側(cè)垂直下放，近距離環(huán)繞掃描池體內(nèi)壁，采集高清圖像；分析堿性重金屬水環(huán)境對(duì)光學(xué)成像的影響；建立裂縫寬度、腐蝕剝落面積、滲漏痕跡分級(jí)判讀標(biāo)準(zhǔn)；結(jié)合反應(yīng)池工藝參數(shù)（石灰沉淀pH?8.5?10.5），提出基于成像檢測(cè)結(jié)果的池體病害風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)警模型，形成“成像巡檢?病害定位?風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)?維修方案"一體化運(yùn)維流程。可為重金屬?gòu)U水處理項(xiàng)目反應(yīng)池長(zhǎng)效安全管控提供支撐。

關(guān)鍵詞：重金屬沉淀反應(yīng)池；堿性腐蝕；水下光學(xué)成像；池壁裂縫滲漏；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警；危廢水處理構(gòu)筑物

1 引言

重金屬?gòu)U水廣泛產(chǎn)生于電鍍、礦山冶煉、化工、表面處理等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，具有毒性強(qiáng)、難降解、易富集、環(huán)境危害持久等特點(diǎn)。氫氧化物沉淀法是重金屬?gòu)U水處理最主流的物化工藝，通過投加石灰等堿性藥劑，調(diào)節(jié)水體pH至8.0?11.0，使水體當(dāng)中鉛、鎘、鉻、鎳、銅等重金屬離子生成氫氧化物沉淀物，在沉淀反應(yīng)池內(nèi)實(shí)現(xiàn)固液分離。重金屬沉淀反應(yīng)池大多采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期處于高堿性廢水?重金屬離子復(fù)合腐蝕工況之下。

在堿性水環(huán)境長(zhǎng)期浸泡作用下，混凝土中的水化硅酸鈣等膠凝材料易與氫氧根離子、重金屬離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成池壁表層水泥漿溶蝕、骨料裸露，逐步產(chǎn)生水下微裂縫。早期裂縫隱藏于水面之下，外部無法觀測(cè)。一旦裂縫貫通發(fā)生滲漏，含高濃度重金屬的廢水滲入土壤與地下水，將造成持久性水土重金屬污染，后期污染修復(fù)治理成本高、治理周期漫長(zhǎng)，還將引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)保安全事故。

現(xiàn)階段重金屬沉淀池水下病害檢測(cè)依舊以排空清池+人工下井檢查為主。該檢測(cè)模式存在諸多弊端：第一，排空池水需要暫停重金屬?gòu)U水處理工段，工業(yè)生產(chǎn)線被迫停產(chǎn)，對(duì)連續(xù)生產(chǎn)企業(yè)造成較大經(jīng)濟(jì)損失；第二，池內(nèi)殘留重金屬污泥屬于危險(xiǎn)廢物，清淤、轉(zhuǎn)運(yùn)、處置成本高昂；第三，排空之后，水下緩慢滲漏的水流痕跡隨著池水流失而消失，部分微滲漏點(diǎn)位放空后無法識(shí)別，極易出現(xiàn)病害漏檢；第四，人員下池屬于有限空間高危作業(yè)，池底殘留重金屬污泥、有毒氣體都會(huì)威脅檢修人員人身安全。

近年來，不停水水下可視化成像檢測(cè)技術(shù)在水務(wù)構(gòu)筑物檢測(cè)領(lǐng)域逐步推廣，但針對(duì)高堿性重金屬沉淀池這一特殊工況的應(yīng)用研究較少，堿性水體當(dāng)中氫氧化鐵、氫氧化鈣懸浮物易造成水體渾濁，對(duì)水下光學(xué)成像清晰度帶來一定干擾；同時(shí)缺少一套適配重金屬?gòu)U水池的病害風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)警體系，檢測(cè)之后無法快速判斷病害滲漏帶來的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

基于上述工程痛點(diǎn)，本文引入側(cè)掛近距水下高清光學(xué)成像探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)圓形重金屬氫氧化物沉淀反應(yīng)池開展不停水可視化檢測(cè)試驗(yàn)，研究堿性?重金屬水環(huán)境對(duì)成像效果的影響，建立病害分級(jí)判讀標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建病害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型，形成一套完整的巡檢運(yùn)維技術(shù)流程，為重金屬?gòu)U水處理構(gòu)筑物長(zhǎng)效安全管控提供新型技術(shù)手段。

2 檢測(cè)設(shè)備與試驗(yàn)池工況條件

2.1 側(cè)掛式水下光學(xué)成像探測(cè)系統(tǒng)

本次檢測(cè)選用電纜式單目360°旋轉(zhuǎn)高清水下成像探測(cè)系統(tǒng)，整套裝備由水下成像探頭、鎧裝抗拉傳輸電纜、地面絞車、深度編碼器、便攜式主控終端五部分組成。探頭外殼選用耐酸堿腐蝕的316L不銹鋼，耐壓等級(jí)≥50?m水深；內(nèi)置高清CMOS圖像傳感器、多檔位可調(diào)環(huán)形水下補(bǔ)光燈、高精度云臺(tái)，探頭可實(shí)現(xiàn)水平360°旋轉(zhuǎn)掃描。地面絞車搭載深度編碼器，可以精準(zhǔn)記錄探頭下放深度，病害點(diǎn)位水深定位誤差≤±5?cm。

作業(yè)時(shí)采用側(cè)掛近距測(cè)量方案，借助井口側(cè)掛導(dǎo)向支架，將探頭推送至距離混凝土池壁0.3?0.8?m的近距離位置，自上而下垂直移動(dòng)，環(huán)繞掃描池壁全斷面。近距離掃描模式能夠大幅降低水中懸浮顆粒物對(duì)光線的衰減作用，提升水下微小裂縫、表層剝蝕病害的識(shí)別精度。

2.2 重金屬沉淀反應(yīng)池工況參數(shù)

選取三座工業(yè)項(xiàng)目重金屬氫氧化物圓形沉淀反應(yīng)池作為試驗(yàn)對(duì)象，池體運(yùn)行參數(shù)如下：

1#沉淀池，直徑φ2.0?m，有效水深2.5?m，運(yùn)行pH?8.2?9.0；

2#沉淀池，直徑φ5.0?m，有效水深3.0?m，石灰沉淀工況pH?8.5?10.5；

3#沉淀池，直徑φ7.0?m，有效水深3.5?m，運(yùn)行pH?9.5?11.0。

三座池體均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁涂刷環(huán)氧樹脂防腐層，投入運(yùn)行年限7?11年；水體含有大量氫氧化鈣、重金屬氫氧化物細(xì)微懸浮物，水體存在一定渾濁度，池壁下部易產(chǎn)生重金屬污泥結(jié)垢附著層。

3 堿性重金屬水環(huán)境水下成像干擾因素分析

通過前期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與水下成像預(yù)試驗(yàn)，總結(jié)重金屬沉淀池水環(huán)境三大成像干擾來源：

1）氫氧化物懸浮物渾濁干擾：石灰中和反應(yīng)生成大量細(xì)微重金屬沉淀物懸浮于水體當(dāng)中，水體透光能力下降，光線傳播距離受限，遠(yuǎn)距離拍攝畫面模糊；

2）池壁污泥垢層遮擋：重金屬污泥長(zhǎng)期沉降附著在池壁下部，形成一層厚度不等的垢層，覆蓋在混凝土表面，垢層后方的裂縫、腐蝕病害被隱藏；

3）堿性水體反光干擾：石灰質(zhì)沉淀物漂浮在水面以及池壁表層，水下燈光照射后易產(chǎn)生漫反光，造成畫面眩光，影響病害細(xì)節(jié)識(shí)別。

針對(duì)以上干擾問題，本次檢測(cè)作業(yè)優(yōu)化方案：采用側(cè)掛近距掃描工藝，嚴(yán)格控制探頭與池壁掃描距離≤0.8?m；調(diào)低環(huán)形補(bǔ)光燈直射亮度，開啟圖像降噪增益模式；優(yōu)先選擇沉淀靜置2?4?h、水體懸浮物沉降之后開展成像檢測(cè)，減少水中懸浮顆粒干擾。

4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程

4.1 檢測(cè)前期準(zhǔn)備工作

收集重金屬沉淀池施工圖紙、防腐驗(yàn)收資料、歷年運(yùn)維臺(tái)賬、滲漏隱患記錄；調(diào)試整套水下成像設(shè)備，開展水下密封耐壓測(cè)試；清理池頂人孔周邊雜物，安裝絞車底座、側(cè)掛導(dǎo)向支架。檢測(cè)全程不清空池內(nèi)重金屬?gòu)U水，廢水處理工段可保持正常運(yùn)行，無需停產(chǎn)停工。

4.2 側(cè)掛近距成像掃描實(shí)施

將水下成像探頭從池頂人孔緩慢下放至水面以下；利用側(cè)掛導(dǎo)向支架使探頭側(cè)向貼近池壁；控制探頭垂直下放速度≤0.15?m/s；自上而下分段掃描，每下降0.5?m，暫停探頭，水平旋轉(zhuǎn)360°拍攝池壁全景圖像；完成一側(cè)掃描后，調(diào)整探頭環(huán)繞位置，依次完成整圈池壁全覆蓋巡檢；重點(diǎn)掃描池壁?池底交接縫、伸縮縫、進(jìn)出水口周邊、防腐層搭接位置等病害高發(fā)區(qū)域。主控終端實(shí)時(shí)錄制全程視頻，對(duì)疑似腐蝕、裂縫、滲漏點(diǎn)位進(jìn)行標(biāo)記，同步記錄病害深度。

4.3 圖像解析與病害分級(jí)判讀標(biāo)準(zhǔn)

檢測(cè)結(jié)束后導(dǎo)出水下視頻、高清抓拍圖像，開展室內(nèi)圖像解譯工作。結(jié)合重金屬?gòu)U水池滲漏的高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)特性，建立病害分級(jí)判讀清單：

Ⅰ級(jí)（輕微病害）：池壁表層麻面、水泥漿輕微剝落，無裂縫、無滲漏痕跡；

Ⅱ級(jí)（中度病害）：可視微裂縫，裂縫寬度0.2?0.5?mm，混凝土局部剝蝕、防腐層破損脫落，未見明顯水流滲漏；

Ⅲ級(jí)（重大病害）：貫穿性裂縫、裂縫寬度＞0.5?mm，池壁出現(xiàn)水流紊動(dòng)滲漏痕跡，鋼筋外露。

5 檢測(cè)結(jié)果與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型應(yīng)用分析

三座重金屬沉淀反應(yīng)池不停水水下成像檢測(cè)順利完成，單座池檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)2.5?5.5?h，廢水系統(tǒng)全程正常運(yùn)行。沉淀靜置后開展近距成像拍攝，水體懸浮物干擾得到有效控制，水下畫面清晰度滿足病害識(shí)別要求。

1#φ2.0?m沉淀池：成像檢測(cè)發(fā)現(xiàn)水深1.7?1.9?m位置，防腐層局部破損，混凝土表層出現(xiàn)堿性腐蝕剝蝕，病害判定為Ⅱ級(jí)中度病害；按照預(yù)警模型劃定黃色風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，建議6個(gè)月內(nèi)開展防腐修補(bǔ)處理；后期排空復(fù)核檢測(cè)，病害位置、腐蝕面積與水下成像檢測(cè)結(jié)果吻合。

2#φ5.0?m石灰沉淀沉淀池：池底轉(zhuǎn)角污泥附著區(qū)域，發(fā)現(xiàn)一條斜向微裂縫，伴有微弱滲漏水流痕跡，病害判定為Ⅲ級(jí)重大病害，立即觸發(fā)紅色風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警；運(yùn)維單位第一時(shí)間制定維修方案，在滲漏擴(kuò)大、重金屬?gòu)U水外泄之前完成池壁裂縫堵漏修復(fù)，成功規(guī)避重大環(huán)保滲漏事故。

3#φ7.0?m沉淀池：池壁整體狀況良好，僅下部存在一層重金屬污泥結(jié)垢，混凝土本體未見腐蝕裂縫；判定為Ⅰ級(jí)輕微病害，發(fā)出藍(lán)色預(yù)警，建議后續(xù)巡檢重點(diǎn)跟蹤垢層覆蓋區(qū)域，定期復(fù)查垢層下方池壁狀態(tài)。

對(duì)比傳統(tǒng)排空檢修模式，本次不停水水下成像檢測(cè)無需停產(chǎn)，省去重金屬危廢污泥清淤處置高額費(fèi)用，檢測(cè)綜合成本下降60%以上；并且成功捕捉放空后極易消失的緩慢滲漏痕跡，病害檢出效果優(yōu)于傳統(tǒng)人工放空檢查。

6 病害風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)警模型構(gòu)建與運(yùn)維流程

結(jié)合重金屬?gòu)U水滲漏高污染風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，基于水下成像檢測(cè)結(jié)果，建立四級(jí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警體系：

1）藍(lán)色預(yù)警（低風(fēng)險(xiǎn)）：僅存在麻面、表層輕微腐蝕，無裂縫；運(yùn)維措施：納入年度常態(tài)化水下成像巡檢計(jì)劃，持續(xù)觀測(cè)病害變化；

2）黃色預(yù)警（中風(fēng)險(xiǎn)）：防腐層脫落、局部混凝土剝蝕、寬度0.2?0.5mm微裂縫，無滲漏；運(yùn)維措施：6個(gè)月內(nèi)完成防腐修復(fù)，縮短巡檢周期至半年一次；

3）橙色預(yù)警（較高風(fēng)險(xiǎn)）：裂縫發(fā)展較快，多條微裂縫集中分布；運(yùn)維措施：3個(gè)月內(nèi)開展維修，加強(qiáng)池壁滲漏監(jiān)測(cè)；

4）紅色預(yù)警（高風(fēng)險(xiǎn)）：貫穿裂縫、可見滲漏水流；運(yùn)維措施：立即啟動(dòng)應(yīng)急管控，停產(chǎn)堵漏修復(fù)，防止重金屬?gòu)U水滲漏外泄。

形成“成像巡檢?病害定位?風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)?維修方案?效果復(fù)查"一體化閉環(huán)運(yùn)維流程。每次維修完成之后，再次采用水下成像檢測(cè)開展修復(fù)效果驗(yàn)收，確保病害消除。

7 技術(shù)優(yōu)勢(shì)、局限性與優(yōu)化對(duì)策

7.1 側(cè)掛水下成像不停水檢測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）無需停產(chǎn)放空，保障重金屬?gòu)U水處理連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，規(guī)避生產(chǎn)線停產(chǎn)損失；

（2）消除人員下池有限空間作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，避免檢修人員接觸重金屬污泥、有毒有害介質(zhì)；

（3）可捕捉放空后消失的緩慢滲漏痕跡，病害檢出率更高；

（4）深度編碼器精準(zhǔn)定位水下病害點(diǎn)位，為維修施工提供精準(zhǔn)坐標(biāo)；

（5）配套風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)病害?環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)動(dòng)研判，提前防控重金屬滲漏污染風(fēng)險(xiǎn)。

7.2 現(xiàn)存局限性與解決對(duì)策

當(dāng)池壁污泥垢層厚度較大時(shí)，成像探頭僅可拍攝垢層外表，垢層遮擋位置下方隱藏的裂縫無法直接識(shí)別。針對(duì)該短板，提出兩項(xiàng)優(yōu)化對(duì)策：第一，對(duì)于垢層覆蓋嚴(yán)重區(qū)域，在成像報(bào)告當(dāng)中標(biāo)記高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，建議擇機(jī)局部清淤?gòu)?fù)查；第二，建立周期性跟蹤巡檢機(jī)制，對(duì)比歷次成像圖像，觀察垢層周邊是否出現(xiàn)滲漏水流痕跡，間接預(yù)判垢層下方病害發(fā)展情況。

另外，長(zhǎng)期檢測(cè)作業(yè)之后，探頭外殼容易附著鈣、重金屬沉淀物，每次檢測(cè)結(jié)束必須用清水沖洗探頭鏡頭與殼體，防止堿性沉淀物殘留腐蝕設(shè)備。

8 長(zhǎng)效巡檢方案建議

針對(duì)高堿性重金屬沉淀反應(yīng)池腐蝕老化風(fēng)險(xiǎn)，建議建立常態(tài)化不停水水下成像巡檢制度：新建池體運(yùn)行前5年，每2?3年開展一次水下可視化巡檢；運(yùn)行超過5年、長(zhǎng)期高pH石灰沉淀工況的老舊沉淀池，每年開展一次成像檢測(cè)；巡檢優(yōu)先選擇污泥沉淀靜置時(shí)段，采用側(cè)掛近距掃描工藝；檢測(cè)結(jié)果嚴(yán)格按照風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型分級(jí)管控，實(shí)現(xiàn)腐蝕滲漏隱患早識(shí)別、早預(yù)警、早修復(fù)，從源頭阻斷重金屬?gòu)U水滲漏污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)。

9 結(jié)論

本文將側(cè)掛近距水下光學(xué)成像探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于φ2?7?m圓形重金屬氫氧化物沉淀反應(yīng)池不停水病害檢測(cè)，經(jīng)過三座現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)驗(yàn)證。該檢測(cè)方案可在pH?8.0?11.0高堿性、含重金屬氫氧化物懸浮物的水環(huán)境下，有效識(shí)別池壁水下防腐層破損、混凝土堿性腐蝕剝蝕、水下裂縫、滲漏痕跡等隱蔽病害；側(cè)掛近距掃描工藝可有效降低水體懸浮物對(duì)成像畫面的干擾，病害識(shí)別結(jié)果與放空人工復(fù)核結(jié)果一致性良好。基于成像檢測(cè)成果構(gòu)建的四級(jí)病害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型，能夠?qū)⒊乇诓『εc重金屬滲漏環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)直接掛鉤，形成閉環(huán)運(yùn)維管理流程。水下可視化不停水檢測(cè)技術(shù)解決了重金屬沉淀池傳統(tǒng)排空檢修停產(chǎn)損失大、危廢清淤成本高、滲漏痕跡易漏檢、有限空間作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高等諸多痛點(diǎn)，對(duì)于電鍍、冶煉、化工等行業(yè)重金屬?gòu)U水處理構(gòu)筑物長(zhǎng)效安全管控、地下水污染源頭防控，具備重要工程推廣價(jià)值。

反應(yīng)池?水下成像論文 匯總關(guān)鍵詞

一、核心技術(shù)關(guān)鍵詞（高頻）

水下成像檢測(cè)；雙目水下成像；單目360°旋轉(zhuǎn)成像；側(cè)掛近距掃描；不停水巡檢；可視化檢測(cè)；三維測(cè)距；病害識(shí)別；圖像解析；深度定位；鎧裝電纜；水下高清探頭；絞車?深度編碼器系統(tǒng)

二、池體/構(gòu)筑物關(guān)鍵詞

UASB厭氧反應(yīng)罐；好氧曝氣生化池；化學(xué)沉淀反應(yīng)池；圓形反應(yīng)池；狹小池體；混凝土反應(yīng)池；污水處理構(gòu)筑物；消防水池；飲用水沉淀池；鋼筋混凝土池壁

三、病害與結(jié)構(gòu)安全關(guān)鍵詞

池壁腐蝕；防腐層脫落；水下裂縫；滲漏檢測(cè)；混凝土剝蝕；污泥?垢層遮擋；氣泡干擾；水體渾濁；結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)；病害演化；全生命周期監(jiān)測(cè)；有限空間風(fēng)險(xiǎn)

四、工況、工藝與運(yùn)維關(guān)鍵詞

厭氧污泥；沼氣氣泡；曝氣擾動(dòng)；化學(xué)沉淀垢層；間歇停曝；近距掃描工藝；不停產(chǎn)檢測(cè)；智慧水務(wù)；常態(tài)化巡檢；閉環(huán)運(yùn)維；病害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

五、數(shù)字孿生智慧平臺(tái)類關(guān)鍵詞

2D?3D數(shù)字孿生；池體內(nèi)壁實(shí)景建模；病害三維可視化；圖像對(duì)比分析；構(gòu)筑物智慧運(yùn)維；全生命周期健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)

六、行業(yè)推廣與對(duì)策類關(guān)鍵詞

技術(shù)短板；標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程；設(shè)備選型；示范工程；運(yùn)維轉(zhuǎn)型升級(jí)；不停水檢測(cè)技術(shù)推廣

七、每篇論文獨(dú)立關(guān)鍵詞（分篇原版，直接粘貼進(jìn)論文）

論文5：UASB厭氧反應(yīng)罐；雙目水下成像；受限空間檢測(cè)；罐體腐蝕滲漏；結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)；不停產(chǎn)檢測(cè)

論文6：好氧曝氣生化池；水下光學(xué)成像；氣泡干擾；側(cè)掛近距掃描；不停產(chǎn)巡檢；污水處理運(yùn)維

論文7：除氟除磷反應(yīng)池；化學(xué)沉淀污泥；水下成像檢測(cè)；污泥結(jié)垢遮擋；不停水巡檢；飲用水構(gòu)筑物運(yùn)維

論文8：小型圓形反應(yīng)池；狹小池體；水下成像檢測(cè)；設(shè)備選型；側(cè)掛近距掃描；中小型廢水站運(yùn)維

論文9：水下成像檢測(cè)；2D?3D數(shù)字孿生；混凝土反應(yīng)池；構(gòu)筑物全生命周期；病害演化監(jiān)測(cè)；智慧水務(wù)運(yùn)維平臺(tái)

論文10：污水處理反應(yīng)池；水下可視化成像檢測(cè)；不停水巡檢；技術(shù)短板；推廣對(duì)策；水務(wù)運(yùn)維轉(zhuǎn)型升級(jí)