高含泥礦井水除鈾處理

邱曉光

（中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北 石家莊050021）

某礦床為鈾鐵伴生礦床，經(jīng)過多年鐵礦開采，已經(jīng)接近鈾礦床，甚至局部巷道已穿過鈾礦體，造成礦井外排水鈾濃度超標(biāo)，經(jīng)檢測其外排水平均鈾濃度約為6～8mg／L，已超出《鈾礦冶輻射防護(hù)和環(huán)境保護(hù)規(guī)定》（GB23727－2009）中外排廢水中鈾濃度的要求，若不經(jīng)過處理直接排入自然水體，必將造成環(huán)境污染，影響人們的健康生活。根據(jù)《放射性污染防治法》和《鈾礦冶輻射防護(hù)和環(huán)境保護(hù)規(guī)定》等要求，該省環(huán)保局要求其盡快整改，建設(shè)污水處理設(shè)施，確保污水達(dá)標(biāo)排放。

筆者以該礦礦井水除鈾工程為例，從礦井水水質(zhì)、工藝流程及設(shè)備選擇、建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了分析和探討，以期為同類項目的建設(shè)提供借鑒和參考。

1 水量和水質(zhì)

1．1 水量

根據(jù)該礦礦井排水口外排水統(tǒng)計，礦井正常排水量約5000m3／d，最大排水量約為9600m3／d。

依據(jù)礦井最大排水量，該裝置設(shè)計污水處理規(guī)模9600m3／d，可滿足礦井最大外排水處理的需要。

1．2 水質(zhì)

該礦礦井水原液取樣檢測鈾濃度約6～8mg／L，總α≈250．7Bq／L，Ra≈0．6Bq／L，總β≈44．3Bq／L，總懸浮固體濃度約150mg／L，礦井水主要化學(xué)成分分析與國家《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》［GB8979－1996］、《鈾礦冶輻射防護(hù)和環(huán)境保護(hù)規(guī)定》［GB23727－2009］外排標(biāo)準(zhǔn)對照表見表1。

表1 礦井水化學(xué)成分分析與外排標(biāo)準(zhǔn)對照表

從水質(zhì)說明及表1中可看出：①該礦礦井水中除鈾濃度超標(biāo)外，其它元素均能滿足環(huán)保外排標(biāo)準(zhǔn)；②水質(zhì)檢測報告中總懸浮固體濃度較高，達(dá)150ppm。

2 處理工藝的確定

根據(jù)礦井排水含固量高的特點，該礦委托研究單位針對該礦礦井水進(jìn)行了除泥、除鈾工藝試驗。試驗發(fā)現(xiàn)礦井水經(jīng)自然沉降24h后，含泥量仍高達(dá)139ppm，澄清液在吸附除鈾運(yùn)行幾個周期后樹脂床層發(fā)生堵塞。礦井水中加入一定絮凝劑沉降后上清液濁度可降至10．7mg／L，水中U濃度無變化，該濁度可滿足離子交換除鈾設(shè)備的進(jìn)料要求，除泥后清液采用除鈾專用樹脂對水中的鈾酰離子進(jìn)行吸附，吸附尾液U濃度＜0．05mg／L。飽和樹脂鈾含量約60mg／L。表明該樹脂能夠?qū)ΦV井水中的鈾酰離子進(jìn)行選擇性吸附，樹脂吸附效果好，有利于鈾金屬的回收。

試驗推薦采用上進(jìn)料式固定床離子交換設(shè)備，該類設(shè)備在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)當(dāng)處理液中懸浮物較多時，懸浮物的累積會造成操作壓力升高、吸附流量降低，頻繁反沖洗又易造成塔頂濾網(wǎng)破損，當(dāng)懸浮物進(jìn)入塔底鵝卵石層，甚至與上層細(xì)小卵石粘在一起，造成反沖洗失效［1］。鑒于該礦礦井排水含固量高，根據(jù)試驗報告并結(jié)合固定床離子交換塔具體應(yīng)用，設(shè)計采用礦井水加絮凝劑除懸浮物，清液離子交換除鈾工藝。

工藝過程為：礦井水在貯池收集后，送至一體化水處理設(shè)備除泥，除泥清水經(jīng)中間水池緩沖后送密實固定床離子交換塔除鈾，除鈾過程采用兩塔串聯(lián)吸附，吸附尾液檢測合格后外排。飽和樹脂采用碳酸鈉、氯化鈉溶液解吸，解吸合格液送附近某鈾水冶廠處理。

3 主要設(shè)備及設(shè)計參數(shù)

3．1 礦井水貯池

礦井水貯池主要用于井下排水的收集貯存，貯池容積按雨季時最大排水停留2．5h考慮，容積取1000m3，可滿足暴雨時井下排水的收集。

該礦井水中懸浮物自然沉降速率低，采用大面積的貯池，對礦井水的澄清效果不明顯，同時占地面積大。本案設(shè)計澄清池高度為3．5m，有效容積率90%，結(jié)合場地形狀，設(shè)計澄清池尺寸長×寬×高為40m×8m×3．5m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3．2 全自動一體化水處理設(shè)備

全自動一體化水處理設(shè)備是礦井水除泥的關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備集混凝、沉淀、過濾、反沖洗和排泥于一體，利用水力作用自動運(yùn)行。設(shè)備混凝利用來水壓力，采用渦流反應(yīng)使來水和混凝劑充分混合，生成較大絨體的礬花；沉淀池采用上向流斜管沉淀法，表面負(fù)荷為6～7m3／m2·h；過濾池采用無閥濾池，自動運(yùn)行，濾池底部進(jìn)水，濾料為雙層濾料（石英砂和無煙煤），濾速為10m／h，反沖洗周期為12h左右，反沖洗歷時為5～10min。無需另設(shè)反沖洗水泵或空壓機(jī)等輔助設(shè)備，可節(jié)省一定的基建投資及日常運(yùn)行、維修、保養(yǎng)費(fèi)用。該設(shè)備較其它常規(guī)水處理設(shè)備比較具有占地面積小，與一般凈水構(gòu)筑物相比，可節(jié)省占地50%以上，運(yùn)行穩(wěn)定，自動化程度高，動力消耗少的優(yōu)點。處理后礦井水總懸浮固體量約10mg／L，可滿足離子交換除鈾設(shè)備的進(jìn)料要求。

根據(jù)礦井正常排水量約5000m3／d，最大排水量約為9600m3／d的特點，設(shè)計水處理能力為9600÷24＝400m3／h。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的處理能力，主要有10t／h、30t／h、50t／h、100t／h、200t／h處理能力五種型號?？蛇x單臺處理能力100m3／h設(shè)備4臺（方案一）或200m3／h設(shè)備2臺（方案二），兩方案均能滿足生產(chǎn)需要。水處理設(shè)備方案比較見表2。

表2 一體化水處理設(shè)備方案比較表

從表2可看出，方案二較方案一存在廠房面積小，設(shè)備投資省，工程量小等優(yōu)點，綜合考慮設(shè)計選用FA－200型一體化水處理設(shè)備2臺，單臺處理能力200m3／h。當(dāng)?shù)V井正常排水時開啟一臺水處理設(shè)備，水量加大時開啟另一臺。

3．3 中間水池

除泥后出水考慮到與后續(xù)處理設(shè)施的銜接，設(shè)中間水池1座。中間水池有效容積按1h蓄水量，即400m3考慮，有效容積率取90%，為節(jié)省投資與礦井水貯池貼建，有效水深同礦井水貯池，取3．5m，設(shè)計澄清池尺寸長×寬×高為16m×8m×3．5m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3．4 離子交換塔

離子交換塔是礦井水除鈾中核心設(shè)備，根據(jù)液相和樹脂在塔中的接觸方式不同，離子交換塔主要分為固定床、密實移動床、流化床三種類型［2］。

本工程中礦井水處理量大，鈾濃度低，對比三種類型離子交換塔的優(yōu)劣，選擇密實固定床離子交換塔，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作穩(wěn)定，傳質(zhì)效率高，床層濃度梯度明顯、穩(wěn)定，樹脂磨損?。?］。

考慮礦井正常排水約5000m3／d，最大排水量約9600m3／d，水量波動較大的特點，除鈾設(shè)施設(shè)4條生產(chǎn)線，單線處理能力400m3／h。每條線設(shè)DN2500×6500（含裙座）密實固定床離子交換塔3臺。操作方式為2塔串聯(lián)吸附，1塔解吸，吸附空塔線速度20～25m／h，塔內(nèi)填料為除鈾專用樹脂，樹脂高度2．5m，工作容量為60mg·U／mL，吸附接觸時間2．5min，吸附尾液 U濃度≤0．3mg／L。解吸空塔線速度1～1．5m／h，解吸劑為60g／L（NaCL）＋10g／L（Na2CO3），具有弱腐蝕性，設(shè)備材質(zhì)采用鋼襯玻璃鋼，設(shè)計壓力0．4MPa，進(jìn)料方式為上進(jìn)料下出料。吸附和解吸工序在同一設(shè)備中進(jìn)行，解吸合格液為3倍樹脂床體積，合格液U濃度約15g／L。

4 廠房布置

4．1 工藝設(shè)備布置

礦井水處理廠房為該設(shè)施的核心，考慮輸送及管理方便，處理廠房布置在礦井排水口與外排受納水體之間。該地氣候寒冷，除貯池外所有工藝設(shè)備集中在廠房內(nèi)布置。廠房內(nèi)部工藝設(shè)備按礦井水水流走向布置，分為除泥區(qū)、除鈾區(qū)及輔助生產(chǎn)區(qū)。室外貯池緊鄰生產(chǎn)廠房，布置在廠房與山體之間。該方案優(yōu)點是合理利用地形，布置緊湊、集中，工藝物料輸送方便，動力損失小，便于生產(chǎn)管理，尤其是占地面積小，投資省。

4．2 工藝管道布置

工藝管道布置是廠房布置中的重要部分，其布置是否合理直接影響到日后的生產(chǎn)和管理，在廠房布置時需綜合考慮重要管道、大管徑管道的走向，對主要工藝管道進(jìn)行規(guī)劃，確保工藝管道走向流暢，運(yùn)輸距離短［4］。本廠房管道布置主要沿建筑物軸線的鋼柱、梁及平臺底部成組、成排布置，管道支吊架依托位于建筑物軸線的柱、梁及平臺立柱等生根設(shè)置。

管道材質(zhì)根據(jù)輸送物料的壓力及腐蝕性不同，采用不同壓力等級及材質(zhì)的管道，本工程中物料輸送主要為離心泵輸送，輸送泵最高揚(yáng)程45m，入口壓力為3m水柱，操作溫度為常溫。根據(jù)離心泵出口管道的設(shè)計壓力不應(yīng)小于吸入壓力與揚(yáng)程相應(yīng)壓力之和的要求，管道設(shè)計壓力約為P≥（0．45＋0．03）×1．1＝0．53MPa，管道壓力等級選1．0MPa。

輸送介質(zhì)為礦井水、解吸劑（氯化鈉和碳酸氫鈉溶液），礦井水呈中性，解吸劑為弱堿性，工作環(huán)境為常溫、常壓。礦井水輸送管道選擇碳鋼管，解吸劑中含有氯化鈉，具有一定腐蝕性，同時工作壓力較小，選用增強(qiáng)聚丙烯管道，該材質(zhì)管道價格低廉，應(yīng)用廣泛，安裝維修方便。

表3 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表4 吸附尾液主要元素分析表

4．3 廠房建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

廠房建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計主要依據(jù)工藝生產(chǎn)要求確定，根據(jù)工藝設(shè)備布置需要，廠房總長78m，寬12m，單層，除鈾區(qū)離子交換設(shè)備較高，該區(qū)凈高8．5m，輔助區(qū)及除泥區(qū)凈高5．5m，可滿足設(shè)備安裝操作要求。該項目為環(huán)保項目，進(jìn)度要求快，廠房采用跨度12m門式鋼架結(jié)構(gòu)，柱距6m，屋面及外墻采用夾芯板，地面采用環(huán)氧自流平。

該地區(qū)緯度高、冬季寒冷，室外貯池池頂設(shè)100mm厚夾芯彩鋼板保溫，池壁設(shè)70mm厚擠塑聚苯板保溫。

5 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及處理效果

礦井水除鈾工程主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表3。裝置生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定后，吸附尾液主要污染元素及總放射性分析見表4。

如表4所示，尾液中鈾濃度約0．1mg／L，經(jīng)受納水體（稀釋倍數(shù)5倍以上）稀釋后，第一取水點經(jīng)分析水中鈾濃度＜0．05mg／L，同時尾液總α≈0．9Bq／L，Ra≈0．6Bq／L，總β≈0．60Bq／L，均達(dá)到了國家《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》［GB8979－1996］及《鈾礦冶輻射防護(hù)和環(huán)境保護(hù)規(guī)定》［GB23727－2009］中的排放要求。

6 結(jié) 論

1）該礦井水除鈾設(shè)施的建設(shè)使得該礦外排水達(dá)到了國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

2）采用一體化水處理設(shè)備除泥與離子交換塔除鈾組合處理含懸浮物高的含鈾礦井水，解決了樹脂床層堵塞問題。

［1］ 韓偉，趙伍成，龍青，等．某鈾礦碳酸鹽浸出液離子交換工藝有關(guān)問題探討［J］．鈾礦冶，2013，32（2）：81－85．

［2］ 于湘浩，周秀溪，劉正鏞，等．密實移動床吸附塔吸附及多塔串聯(lián)解吸的研究［J］．鈾礦冶，1997，16（3）：167－173．

［3］ 楊伯和，鈾礦加工工藝學(xué)［R］．北京：核工業(yè)北京化工冶金研究院，2001，490．

［4］ 劉剛槍，朱愛敏．張小樓選煤廠設(shè)計總結(jié)［J］．煤炭加工與綜合利用，2013，23（3）：20－21．