水口山鉛冶煉污水處理工藝探索及優(yōu)化

魯春艷,胡衛(wèi)文,夏兵偉,龐文林

(1.中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長沙 410083;2.湖南水口山有色金屬集團(tuán)有限公司,湖南衡陽 421513;3.湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

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水口山鉛冶煉污水處理工藝探索及優(yōu)化

魯春艷1,胡衛(wèi)文2,夏兵偉2,龐文林3

(1.中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長沙 410083;2.湖南水口山有色金屬集團(tuán)有限公司,湖南衡陽 421513;3.湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

介紹湖南水口山有色金屬集團(tuán)有限公司鉛冶煉煙氣制酸污水處理系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀,冶煉煙氣制酸產(chǎn)生的酸性廢水pH值在1以下,且含有大量的Zn、Pb、Cd、As等污染物,采用石灰中和治理工藝,通過不斷的研究與試驗(yàn),對(duì)部分工藝條件進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn),使得污水處理裝置運(yùn)行指標(biāo)更加合理,設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定,目前污水處理裝置運(yùn)行穩(wěn)定,治理后污水可達(dá)標(biāo)排放,各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到或超過設(shè)計(jì)值。處理后的廢水滿足回用和澆花,處理成本有較大降低,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。該工藝具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

冶煉煙氣;制酸;污水處理;改造;電絮凝

湖南水口山有色金屬集團(tuán)有限公司鉛冶煉廠屬國家環(huán)保立項(xiàng)的技改工程,該廠于2005年初建成,其冶煉工藝采用的是該公司自主研發(fā)的SKS煉鉛法(即氧氣底吹熔煉-鼓風(fēng)爐還原工藝),該工藝采用富氧熔煉,使SO2煙氣濃度達(dá)到制酸要求,同時(shí)制酸產(chǎn)生的廢水采用五段中和處理,但因廢水處理成本高,工藝設(shè)計(jì)與實(shí)際出入大,經(jīng)過不斷整改完善,并配套電絮凝深度凈化,處理后廢水全部回用,并低于《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—1996)中的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn),徹底解決了困擾水口山多年的鉛冶煉廢水污染問題。

1 工藝過程

該廠污水主要來自硫酸凈化系統(tǒng)和冶金爐座地面沖洗水,每天處理污水量為100～200 m3/d,硫酸凈化車間排出的污酸進(jìn)入污酸貯槽,再揚(yáng)至污酸中和槽,在槽內(nèi)加石灰漿進(jìn)行中和,控制pH=2～3左右,中和后的漿液流至污酸渣濃縮池沉淀,底流用泵揚(yáng)至壓濾機(jī)脫水,其固體為石膏渣,進(jìn)入渣斗外運(yùn)。壓濾機(jī)濾液及濃密機(jī)上清液用泵揚(yáng)至污水中和槽,在槽內(nèi)加石灰乳進(jìn)行中和,控制pH=7左右,流至氧化反應(yīng)槽,在槽內(nèi)加次氯酸鈣,將三價(jià)砷氧化成五價(jià)砷,再自流至一段中和槽,在槽內(nèi)加石灰乳,控制pH =9,再自流進(jìn)一段沉淀池,沉淀池底流用泵揚(yáng)至砷渣濃縮池壓濾,上清液用泵揚(yáng)至二段中和槽,在槽內(nèi)加三氯化鐵和石灰乳,其中Fe3+/As=2,控制pH= 9左右,再自流進(jìn)二段沉淀池沉淀,沉淀池底流用泵送至砷渣濃縮池壓濾,上清液用泵送至三段中和槽,同時(shí)酸性污水調(diào)節(jié)池的水用液下泵揚(yáng)至該槽,在槽內(nèi)加三氯化鐵和石灰乳,Fe3+/As=4,控制pH=8左右,再自流進(jìn)三段沉淀池沉淀,池內(nèi)投加3#絮凝劑,沉淀池底流進(jìn)入砷渣濃縮池壓濾,上清液回流至回用水池回用,多余水外排。

其簡要工藝流程圖如圖1所示。

圖1 改造前工藝流程圖

2 存在問題及改造措施

該套污水處理裝置于2005年8月底投入試生產(chǎn),由于理論與實(shí)際生產(chǎn)出入較大,幾次開車系統(tǒng)均無法正常運(yùn)行,后經(jīng)過不斷改造完善,并配套電絮凝處理技術(shù),現(xiàn)污水能夠達(dá)標(biāo)排放?，F(xiàn)將該套裝置存在的主要問題及改造措施介紹如下。

2.1 系統(tǒng)存在的問題

1.由于設(shè)計(jì)部分工藝設(shè)備及管道選型過于理想化,設(shè)計(jì)污水處理藥劑選用的都是純度很高的藥劑,但在生產(chǎn)過程中,企業(yè)不僅要考慮污水的達(dá)標(biāo)排放,也要考慮企業(yè)的生產(chǎn)成本,購買精石灰粒度因?yàn)闆]有達(dá)到要求,試運(yùn)行不到兩天,石灰制備槽管路堵塞嚴(yán)重,疏通管路運(yùn)行后不到半天時(shí)間又出現(xiàn)同樣問題。同時(shí)管道彎頭多,阻力大,清理管道難度大。

2.設(shè)計(jì)pH控制過于理想化,在實(shí)際生產(chǎn)過程中,若污酸中和槽pH控制在2～3,污水中和槽pH控制在7,則必須在污水中和槽內(nèi)加入大量石灰中和,結(jié)果是污水中和槽內(nèi)大量積渣,最終導(dǎo)致管道堵塞而影響生產(chǎn),而當(dāng)污酸中和槽內(nèi)pH控制在6以上時(shí),則會(huì)造成大量硫酸鈣在管道內(nèi)結(jié)垢,這種垢硬度較大,生產(chǎn)中很難除去,同時(shí)由于結(jié)垢,使管道內(nèi)徑變小,容易造成中和槽冒槽。

3.酸性廢水調(diào)節(jié)池內(nèi)兩臺(tái)提升泵不能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求,生產(chǎn)過程中時(shí)常會(huì)有管道堵塞,在清理管道的過程中,難免會(huì)有渣流入酸性廢水調(diào)節(jié)池;下雨天地面也會(huì)有大量塵渣流入酸性廢水調(diào)節(jié)池;壓濾過程中一旦出現(xiàn)跑渾,也會(huì)有渣流入酸性廢水調(diào)節(jié)池,結(jié)果是酸性廢水調(diào)節(jié)池內(nèi)渣越積越多,原設(shè)計(jì)的提升泵根本無法滿足要求。

4.污酸廢水處理站由于操作流程比較復(fù)雜,操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度較大,因此水質(zhì)波動(dòng)大,處理效果難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

5.采用現(xiàn)有工藝處理藥劑成本大,主要是次氯酸鈣、氯化鐵、3#絮凝劑處理污水成本較高。同時(shí),人力成本高(每天三班,每班4～5人),據(jù)測算,目前噸水處理成本約為17元。

2.2 改造措施

1.為滿足生產(chǎn)要求,該廠首先對(duì)石灰制備槽的管道和泵進(jìn)行了改造,主要是將石灰制備管道由原來的DN40改為DN80,泵的選型也作相應(yīng)調(diào)整,為了滿足原設(shè)計(jì)要求,將原來四臺(tái)石灰乳制備槽合并為兩臺(tái)使用就可滿足生產(chǎn)要求,同時(shí)可將1#、2#石灰制備槽內(nèi)石灰乳直接輸送至污酸中和槽、污水中和槽、一段中和槽。

2.由于設(shè)計(jì)中管道彎頭過多,清洗管道不方便,故在改造過程中盡量減少彎頭,并給管道增加活節(jié),便于管道的疏通。

3.酸性廢水調(diào)節(jié)池內(nèi)積渣嚴(yán)重,原提升泵無法滿足要求,改造過程中改為排砂泵,將原管道也做調(diào)整,使酸性廢水調(diào)節(jié)內(nèi)泥漿可輸入到一、二、三段中和槽,防止了部分渣在三段沉淀池來不及沉淀而流入回用水池。同時(shí)增設(shè)一泥漿泵,可以將酸性廢水調(diào)節(jié)池內(nèi)泥漿直接輸送到砷渣濃縮池進(jìn)行壓濾,防止了一、二、三段沉淀池管道堵塞。

4.取消次氯酸鈣、氯化鐵、3#絮凝劑的添加,取消氧化反應(yīng)槽,增加一套電絮凝處理裝置,即通過五段中和后,直接進(jìn)入電絮凝處理系統(tǒng)進(jìn)行處理,電絮凝斜管沉降槽污泥返回砷渣濃縮池進(jìn)行壓濾,濾液進(jìn)污酸中和槽。

5.該廠將外排口堵住,三段沉淀池出水到預(yù)處理池回調(diào)pH,在pH到7左右,送電絮凝系統(tǒng)處理,處理后水作硫酸系統(tǒng)凈化和干吸補(bǔ)充水用,使污水形成閉路循環(huán),實(shí)現(xiàn)廢水零排放。

改造后工藝流程如圖2所示。

圖2 改造后工藝流程圖

2.3 改造后的工藝控制

經(jīng)過整改后,仍保留原五段中和處理,不添加次氯酸鈣和氯化鐵,配套電絮凝處理技術(shù),該工藝控制仍從控制pH入手:由于污水中雜質(zhì)含量的變化,使得處理過程中pH值也相應(yīng)發(fā)生變化,通過加入石灰,調(diào)節(jié)各段pH,基本能夠?qū)崿F(xiàn)重金屬離子的沉淀。就污水處理站連續(xù)5 d的源污水取了5個(gè)樣,該廢水的雜質(zhì)含量和pH見表1。

2.3.1 污水中鋅、鉛、鎘的沉淀分離

污水中鋅、鉛、鎘的沉淀分離是根據(jù)重金屬離子與OH-生成難溶解的氫氧化物沉淀的原理,沉淀效果取決于溶液中重金屬離子濃度和OH-離子濃度。即對(duì)一定濃度的重金屬離子來說,溶液中pH值的大小決定該金屬沉淀的效果。根據(jù)金屬氫氧化物Me(OH)n的沉淀-溶解平衡,以及水的離子積Kw=[H+]×[OH-],可以計(jì)算出金屬氫氧化物沉淀所需的最低pH值。

表1 混合廢水的雜質(zhì)含量和pH值

式中n為某金屬離子的價(jià)數(shù);[Me+]為某金屬離子濃度;Ksp為某金屬氫氧化物溶度積。

由式(1)可知,當(dāng)金屬離子濃度[Me+]相同時(shí),溶度積愈小,則開始析出氫氧化物沉淀時(shí)的pH值就愈低。有關(guān)金屬氫氧化物溶度積見表2。

表2 有關(guān)金屬氫氧化物的溶度積

根據(jù)公式(1)和表1、表2數(shù)據(jù)即可計(jì)算出各金屬氫氧化物沉淀所需的pH值見表3。

表3 金屬氫氧化物沉淀所需的pH值

由表1和表3可以繪出三種金屬的濃度-pH控制圖如圖3、圖4、圖5所示。

由圖3、圖4、圖5可以看出隨著源污水金屬含量不同,金屬沉淀時(shí)的pH控制也相應(yīng)發(fā)生了變化,同一金屬離子,濃度愈高,則開始析出氫氧化物沉淀時(shí)的pH值就愈低,而在分步沉淀過程中,隨著金屬離子逐步沉淀同時(shí),濃度也在逐漸變低,相應(yīng)沉淀的pH就會(huì)升高。當(dāng)pH控制在9時(shí),Pb、Zn、Cd沉淀較為理想。

圖3 鋅金屬濃度-pH控制

圖4 鉛金屬濃度-pH控制

圖5 鎘金屬濃度-pH控制

通過理論計(jì)算,同時(shí)考慮到防止污酸中和槽底流管道內(nèi)硫酸鈣結(jié)垢,故將污酸中和槽pH設(shè)定在4,一段沉淀池pH控制在9.5,二段中和槽內(nèi)pH控制在10,三段中和槽pH控制在9。

2.3.2 污水中砷的沉淀分離

砷在酸性廢水中以兩種形態(tài)存在;一種是亞砷酸,另一種是固體三氧化二砷,在石灰中和過程中,生成偏亞砷酸鈣沉淀下來。

其反應(yīng)化學(xué)方程式如下:

通過計(jì)算和分析并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),將污酸中和槽pH設(shè)定在4、污水中和槽pH設(shè)定在7.5、三段中和槽pH設(shè)定在9,可以達(dá)到滿意的效果,通過加入石灰控制pH值,原5個(gè)污水樣處理后排放情況見表4。

表4 混合廢水處理后雜質(zhì)和pH值

2.3.3 石灰中和后廢水經(jīng)過電絮凝系統(tǒng)進(jìn)一步處理

經(jīng)石灰中和處理后廢水基本能夠?qū)崿F(xiàn)達(dá)標(biāo)排放,但隨著新的排放標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái),需要進(jìn)行進(jìn)一步處理,將處理后廢水經(jīng)酸回調(diào)后進(jìn)入電絮凝處理系統(tǒng),處理后的廢水遠(yuǎn)低于國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

電絮凝處理廢水工作原理:以鋁、鐵等金屬為陽極,在直流電的作用下,陽極被溶蝕,產(chǎn)生Al3+、Fe2+等離子,再經(jīng)一系列水解、聚合及亞鐵的氧化過程,發(fā)展成為各種羥基絡(luò)合物、多核羥基絡(luò)合物以至氫氧化物,使廢水中的膠態(tài)雜質(zhì)、懸浮雜質(zhì)凝聚沉淀而分離。同時(shí),帶電的污染物顆粒在電場中運(yùn)動(dòng),其部分電荷被電極中和而促使其脫穩(wěn)聚沉,廢水進(jìn)行電解絮凝處理時(shí),不僅對(duì)膠態(tài)雜質(zhì)及懸浮雜質(zhì)有凝聚沉淀作用,而且由于陽極的氧化作用和陰極的還原作用,能去除水中多種污染物。總的來說,從離子的產(chǎn)生到形成絮體包括三個(gè)連續(xù)的階段:(1)在電場的作用下,陽極產(chǎn)生電子形成“微絮凝劑”——鐵或鋁的氫氧化物;(2)水中懸浮的顆粒、膠體污染物在絮凝劑的作用下失去穩(wěn)定性;(3)脫穩(wěn)后的污染物顆粒和微絮凝劑之間相互碰撞,結(jié)合成肉眼可見的大絮體。

電絮凝法中常用的電極材料為鋁和鐵,在陽極和陰極之間通以直流電,發(fā)生的電極反應(yīng)如下:

另外,水的電解還有氧氣放出:

其除污過程如圖6所示。

圖6 電化學(xué)去除污染物過程

在電絮凝系統(tǒng)的電場作用下,金屬離子進(jìn)一步形成Zn(OH)2、Pb(OH)2、Cd(OH)2沉淀物,金屬沉淀物和少量偏亞砷酸鈣與鐵或鋁的氫氧化物形成絨體凝膠下沉,從而達(dá)到共沉淀的目的,同時(shí)鈣鎂離子濃度也大大降低,解決了凈化系統(tǒng)回用水結(jié)垢的問題。該廠通過電絮凝系統(tǒng)進(jìn)一步處理后的廢水取樣結(jié)果見表5。

表5 混合廢水經(jīng)電絮凝系統(tǒng)處理后雜質(zhì)和pH值

生產(chǎn)實(shí)踐證明,通過電絮凝系統(tǒng)進(jìn)一步處理后的廢水遠(yuǎn)低于國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 語

通過兩次工藝整改和不斷完善,該工藝滿足了生產(chǎn)要求,降低了污水處理成本,廢水完全實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)并回用于硫酸凈化系統(tǒng)和用于廠區(qū)澆花,沒有廢水外排。該廠污水處理完全實(shí)現(xiàn)了廢水零排放,噸廢水處理成本小于15元。具有良好的環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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Sks Lead Smelting Wastewater Treatment Technology Exploration and Optimization

LU Chun-yan1,HU Wei-wen2,XIA Bing-wei2,PANG Wen-lin3

(1.School of Metallurgical Science and Engineering,Central South University,Changsha410083,China;2.Hunan Shuikoushan Nonferrous Metals Group Co.,Ltd,Hengyang421513,China;3.Hunan Research Instiute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

This article introduces the current statusof lead smelter acid wastewater treatment system of Nonferrous Metals Group Co.,Ltd.Acidic waste water from a metallurgical acid plant had pH value of below 1 and contained a large mount of heavy metal pollltion factors,such as Zn,Pb,Cd,As,and so on.After several repeated experiments on waste water sample,a neutralization treatment process was selected which used line neulralization.Some process conditions were adjusted and improved through continuous researches and experiments,and the production process and equipment were improved and optimized,with more reasonable operation indexes and more steady equipment.Now,the waste water treatment plant is running steadily and treated water can meet the national waste water discharge standard.Every operation index of the wastewater treatment plant reached or was superior to the design values.The treated wastewater meet the reuse and water the flowers.Treatment cost is greatly reduced, and it achieves the objective of energy saving and emission reduction.The environmental benefits and economic benefits are remarkable.

smelting gas;sulfuric acid production;wastewater treatment;tansformation;electrocagulation

X75

A

1003-5540(2012)03-0062-04

魯春艷(1978-),女,工程師,主要從事有色金屬質(zhì)量管理工作。

2012-03-15