還原-中和工藝處理氧化釩廢水

張 奎

引言

為充分利用釩資源，提高西昌某釩業(yè)公司的經(jīng)濟(jì)效益和市場競爭能力，由我院承擔(dān)設(shè)計(jì)的“鈣化焙燒—硫酸浸出”氧化釩清潔生產(chǎn)線于2012年12月建成投產(chǎn)。設(shè)計(jì)年產(chǎn)V2O312625 t、V2O54000 t、FeV5018800 t。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量含釩、鉻、鎂、錳、鈣等離子的酸性廢水，最大廢水量約120 m3/h。

1　廢水性質(zhì)及回用標(biāo)準(zhǔn)

由沉淀工序排出的廢水呈酸性，主要含有釩、鉻、鎂、錳、鈣等污染物，具有酸性強(qiáng)、成分復(fù)雜、水質(zhì)變化大、毒性大、腐蝕性強(qiáng)、可生化性差等特點(diǎn)；若直接排放，則污染大，不能滿足國家《釩工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 26452—2011）的排放要求；若處理后達(dá)標(biāo)排放，則處理難度大、運(yùn)行成本貴、工程投資高。為此，經(jīng)多次氧化釩廢水中試處理試驗(yàn)后，設(shè)計(jì)提出了將處理后的廢水回用至沉淀工序，且作為該工序生產(chǎn)線補(bǔ)充用水，以實(shí)現(xiàn)廢水零排放的目標(biāo)要求。

目前，關(guān)于釩工業(yè)廢水處理后回用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本次設(shè)計(jì)主要污染物參照《釩工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 26452—2011）中的間接排放標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合氧化釩生產(chǎn)線工藝用水指標(biāo)要求（不影響產(chǎn)品產(chǎn)量及質(zhì)量），最終確定了回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)廢水量為120 m3/h，其進(jìn)水、回用水水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1　設(shè)計(jì)進(jìn)水及回用水水質(zhì)

2　處理工藝選擇

目前，國內(nèi)外對氧化釩廢水常用的處理方法主要有：還原中和法、鐵鋇鹽法、離子交換法、電滲析法、溶劑萃取法、生物法、微波法等。還原中和法是利用還原劑將廢水中的 V5+、Cr6+還原成 V3+、Cr3+，再用堿性溶液中和，使 V3+、Cr3+形成沉淀而分離；還原劑為硫酸亞鐵、亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉、液態(tài)或氣態(tài)SO2等，其中硫酸亞鐵作還原劑是最常用的方法，其工藝簡單，運(yùn)行費(fèi)用低；亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉、液態(tài)或氣態(tài) SO2作還原劑時(shí)，一次性投資及運(yùn)行費(fèi)用較高。鐵鋇鹽法對釩的去除率不到 50%，且?guī)砹虽^鹽污染。離子交換 、電滲析、溶劑萃取法適合于濃度低、排放量小的廢水。生物法、微波法是近期才發(fā)展起來的水處理技術(shù)，對單一含鉻含釩廢水處理效果較好，但對污染物質(zhì)種類多的廢水效果仍不理想。

結(jié)合上述處理工藝特點(diǎn)及工程廢水性質(zhì)和同類含釩含鉻酸性廢水處理的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)綜合分析、比較，最后確定選擇硫酸亞鐵還原—石灰中和法。

3　工藝流程

工藝流程見圖1。

圖1　工藝流程

酸性廢水首先進(jìn)入調(diào)節(jié)池，再由泵送至初沉池進(jìn)行預(yù)處理，處理后的廢水進(jìn)入中間水池，并由泵送入還原槽進(jìn)行還原處理，在還原槽中投加還原劑硫酸亞鐵，將V5+還原為V4+，Cr6+還原為Cr3+。經(jīng)還原后的廢水流入一、二級(jí)中和槽，在中和槽中投加石灰乳溶液進(jìn)行中和反應(yīng)。經(jīng)還原、中和后的廢水重力進(jìn)入濃縮池進(jìn)行濃縮澄清，濃縮池澄清水流入溢流水池，再經(jīng)泵加壓送至纖維束過濾器，廢水經(jīng)過濾處理后進(jìn)入調(diào)酸罐，根據(jù)回用水pH值（pH=4～6）控制要求，通過加酸裝置投加稀硫酸對回用水pH值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，經(jīng)加酸調(diào)節(jié)后的回用水排入回用水池，再用泵送至車間循環(huán)使用。

調(diào)節(jié)池、初沉池及中間水池污泥（主要為釩等沉淀物）由沉淀工序回用；濃縮池沉淀污泥（主要為釩、鉻、硫酸鈣、氫氧化鎂、氫氧化錳等沉淀物）排入濃縮池下部泥漿槽內(nèi)，經(jīng)泥漿泵送至壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾脫水，濾液返回濃縮池重新處理，泥餅外運(yùn)處理。

4　主要構(gòu)筑物及設(shè)備

（1）調(diào)節(jié)池。1座，尺寸33.0 m×18.0 m×4.5 m，總有效容積約2350 m3，2格，停留時(shí)間約19.6 h。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯8 mm乙烯基酯樹脂。

（2）中間水池。1座，尺寸 33.0 m×18.0 m×4.5 m，總有效容積約2350 m3，2格，停留時(shí)間約19.6 h。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯8 mm乙烯基酯樹脂。

（3）提升泵站。1座，尺寸 27.0 m×6.0 m×8.1 m，半地下式，地下4.2 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯耐腐磚。泵站內(nèi)設(shè)：提升泵4臺(tái)（3用1備）、中間水泵4臺(tái)（3用1備）、泥漿泵1臺(tái)。

（4）初沉池。2座，單座直徑12.0 m，高3.3 m，沉淀時(shí)間約4 h，下部為泥漿泵站。初沉池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯8 mm乙烯基酯樹脂，內(nèi)設(shè)直徑12.0 m濃縮機(jī)1臺(tái)；泵站設(shè)泥漿攪拌槽（直徑2.0 m，高2.5 m，帶攪拌機(jī)）1座、泥漿泵2臺(tái)（1用1備）。

（5）還原、中和及藥品貯存制備間。1座，尺寸39.0 m×15.0 m×15.0 m，2層，框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)：還原槽8座，單座直徑1.2 m，高1.5 m，上部設(shè)攪拌機(jī)1臺(tái)，停留時(shí)間約6 min；槽體為碳鋼，內(nèi)襯5 mm氯丁橡膠。中和槽8座，單座直徑2.2 m，高2.5 m，上設(shè)攪拌機(jī)1臺(tái)，停留時(shí)間約18 min；槽體為碳鋼，內(nèi)襯5 mm氯丁橡膠。硫酸亞鐵攪拌罐3座，單座直徑2.2 m，高2.5 m，上設(shè)攪拌機(jī)1臺(tái)，槽體為碳鋼，內(nèi)襯8 mm乙烯基酯樹脂；配硫酸亞鐵泵 3臺(tái)，2用1備。石灰乳制備裝置1套，包括石灰儲(chǔ)罐（V=45 m3，碳鋼，2座）、石灰漿槽（直徑2.2 m，高2.5 m，碳鋼，內(nèi)襯6 mm乙烯基酯樹脂，2座）、石灰漿泵（4臺(tái)，2用2備）、石灰乳攪拌槽（直徑2.2 m，高2.5 m，碳鋼，內(nèi)襯6 mm乙烯基酯樹脂，3座）、石灰乳泵（3臺(tái)，2用1備）等。

圖2　總平面布置圖

（6）濃縮池。6座，單座直徑12.0 m，高3.3 m，沉淀時(shí)間約12 h，下部為泥漿泵站。濃縮池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯8 mm乙烯基酯樹脂，內(nèi)設(shè)直徑12.0 m濃縮機(jī)1臺(tái)；泵站設(shè)泥漿攪拌槽（直徑2.0 m，高 2.5 m，帶攪拌機(jī)）1座、泥漿泵 2臺(tái)（1用 1備）。

（7）污泥處理間。1座，尺寸54.0 m×15.0 m×15.0 m，2層，框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)：板框壓濾機(jī)6臺(tái)，單臺(tái)外形尺寸6.98 m×2.42 m×2.55 m，過濾面積200 m2。泥餅外運(yùn)，濾液返回濃縮池處理。

（8）溢流水池。1座，尺寸 18.0 m×12.0 m×4.5 m，有效容積約720 m3，停留時(shí)間約6 h。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯8 mm乙烯基酯樹脂。

（9）過濾器。2臺(tái)，單臺(tái)處理量150 m3/h，直徑3.0 m，高5.0 m，碳鋼。過濾器反洗用水采用生產(chǎn)新水，反洗排水進(jìn)入廢水調(diào)節(jié)池。

（10）調(diào)酸罐。2臺(tái)，單臺(tái)直徑2.0 m，高2.0 m，頂部設(shè)攪拌機(jī)1臺(tái)；罐體為碳鋼，內(nèi)襯氯丁橡膠。

（11）加酸裝置。1套，包括濃硫酸儲(chǔ)罐（V=5 m3，碳鋼，1座）、配套儀表及控制等。

（12）回用水池。1座，尺寸18.0 m×12.0 m×4.5 m。有效容積約720 m3，停留時(shí)間約6 h。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯8 mm乙烯基酯樹脂。回用廢水送車間使用。

5　總平面布置

為節(jié)省工程投資，減少工程占地面積，在進(jìn)行總平面布置時(shí)，綜合考慮擬建場地位置、廠區(qū)規(guī)劃、新建構(gòu)筑物工藝要求等實(shí)際，設(shè)計(jì)按“一”字形排列布置，其總平面見圖2。

6　調(diào)試及運(yùn)行

工程2011年9月設(shè)計(jì)，2012年12月施工完畢，2013年3月進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試先將調(diào)節(jié)池中廢水送至初沉池，其出水進(jìn)入中間水池，再由泵送至還原槽，在還原槽中投加濃度為20%的硫酸亞鐵溶液，將 V5+還原為 V4+，Cr6+還原為 Cr3+，用量約 420 kg/h；經(jīng)還原后的廢水流入一級(jí)、二級(jí)中和槽，在中和槽中投加濃度為20%的石灰乳溶液進(jìn)行中和反應(yīng)，一級(jí)中和槽石灰乳投加量約7000 kg/h，二級(jí)中和槽石灰乳投加量約1600 kg/h；經(jīng)中和后的廢水流入濃縮池，其出水進(jìn)入溢流水池，再通過加酸裝置投加稀硫酸將回用水的pH值調(diào)節(jié)至4～6，最后由泵送至車間循環(huán)使用。

初沉池污泥（主要為釩等沉淀物）由沉淀工序回用，濃縮池污泥（主要為鉻、硫酸鈣、氫氧化鎂、氫氧化錳等沉淀物）送至污泥處理間。

經(jīng)5個(gè)月的調(diào)試，運(yùn)行效果良好，處理后出水水質(zhì)滿足氧化釩清潔生產(chǎn)線回用指標(biāo)要求，連續(xù)2個(gè)月每天監(jiān)測時(shí)間段水質(zhì)指標(biāo)（范圍值）見表2。

表2　監(jiān)測時(shí)間段水質(zhì)指標(biāo)

7　主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

工程廢水處理水量約120 m3/h，占地面積約9000 m2，總投資約5000萬元。運(yùn)行成本約25.19元/m3，其中電費(fèi)為4.3 元/m3，能源介質(zhì)（氣、水）費(fèi)為3.64元/m3，藥劑（石灰、硫酸亞鐵、濃硫酸等）費(fèi)為13.35元/m3，人工費(fèi)為3.9元/m3。

8　結(jié)束語

還原—中和工藝處理氧化釩廢水是可行的，其運(yùn)行效果穩(wěn)定，出水水質(zhì)符合氧化釩清潔生產(chǎn)線回用指標(biāo)要求。初沉、還原、中和、沉淀、過濾、調(diào)酸是該廢水處理工藝的核心，設(shè)計(jì)通過硫酸亞鐵、石灰乳投加量自動(dòng)控制以及濃硫酸調(diào)酸裝置自動(dòng)調(diào)酸等方式，保證了回用廢水水質(zhì)指標(biāo)要求。該工藝流程簡單，設(shè)備自動(dòng)化程度高，既可有效地去除釩、鉻及鈣等污染物，又能實(shí)現(xiàn)廢水中釩資源的回收利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

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