某鎢礦井下廢水處理系統(tǒng)改造方案研究與實施

陳后興，賴蘭萍，王 明，陳東英

（贛州有色冶金研究所有限公司，江西 贛州 341000）

0 引言

有色金屬是工業(yè)生產必不可少的自然資源。在有色金屬礦山選礦、開采和礦區(qū)修復等環(huán)節(jié)，不可避免地會產生廢水。而廢水在未經處理的情況下直接排放到自然流域中，會造成嚴重的水生態(tài)污染[1-2]。

2004年公司在放水窿口建有一套廢水處理設施，由于處理能力不足，目前該處理設施處于停用狀態(tài)。2013年公司對放水窿廢水處理設施進行了改造，增加了兩個沉淀池、兩個污泥干化池以及一套加藥裝置，提高了一定的廢水處理能力，但是該套系統(tǒng)設計存在一定的缺陷，主要包括：（1）沉淀池進、出水及配水方式不合理；（2）池型結構不合理；（3）加藥方式不合理，無法隨廢水量的變化自動調整加藥量；（4）排泥方式不合理，不能自動排泥，污泥無法及時排除。這些缺陷導致沉淀池沉淀效率低，外排廢水渾濁，無法滿足達標排放的要求，對下游水體環(huán)境造成一定的影響。

由于礦井不斷往深部開拓，廢水量也逐年增加到現在的1 000 m3/h，現有處理設施已無法滿足廢水穩(wěn)定達標排放的要求。為響應國家“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，以及監(jiān)管部門對企業(yè)節(jié)能減排的要求，同時考慮企業(yè)的實際情況，擬在現有處理設施的基礎上進行改造，提高沉淀池的沉淀效率，并改進排泥方式，提高自動化水平，使廢水達標排放。

本項目先通過現場取樣，在試驗室進行小型試驗研究，確定最佳的工藝及參數。然后進行現場驗證試驗，驗證工藝的可靠性、藥劑種類和使用量的合理性以及放水窿出口的排水溝作為混凝反應裝置的可行性。最后以試驗數據為依據，進行廢水處理工程改造方案設計和工程實施，從而切實為企業(yè)解決外排廢水引起的環(huán)境污染問題。

1 試驗

1.1 廢水的性質

井下廢水的水質主要與礦圍巖（頂板、底板）巖石成分與組成有關。該鎢礦井下廢水呈黃色，水質檢查結果見表1。

表1 井下廢水水質成分 mg/LTab.1 Water quality components of underground wastewater

從表1可以看出，廢水中除懸浮物不能滿足《污水綜合排放標準》（GB8978—1996）中第二類污染物最高允許排放濃度一級標準要求外，其余項目均達標。因此，懸浮物是該廢水的主要處理對象[3]。

1.2 試驗藥劑及儀器

試驗所需的主要藥劑及儀器見表2。

表2 主要試驗藥劑及儀器一覽表Tab.2 List of main test reagents and instruments

1.3 試驗方案

試驗的目的是通過試驗研究，了解廢水的性質，找出最佳的廢水處理工藝及工藝參數，為工程設計提供設計依據。

首先對井下廢水進行自然沉降試驗，分析廢水中懸浮物的沉降性能；然后向廢水中分別加入不同種類和不同用量的混凝劑，優(yōu)選出最佳的藥劑種類和加藥量；再對優(yōu)選出的藥劑和加藥量進行綜合試驗[4-5]；最后，進行現場驗證試驗，驗證藥劑種類和使用量的合理性以及利用現有60 m的排水溝作為絮凝反應裝置的可行性[6]，試驗工藝流程如圖1所示。

圖1 廢水處理試驗工藝流程Fig.1 Flowchart of wastewater treatment test

通過觀察混凝過程中礬花的形成過程及沉降速度來評價混凝效果，礬花形成速度快且沉降速度快說明混凝效果好。污染因子COD用重鉻酸鉀滴定法測定，懸浮物用重量法測定（GB11901—891），重金屬用原子吸收分光光度法測定，pH用玻璃電極法測定，污泥含水率用重量法測定。

2 試驗結果分析與討論

2.1 自然沉降結果

取1 000 mL廢水置于量筒中，觀察廢水中懸浮物在24 h內的自然沉降規(guī)律，每間隔一小時觀察懸浮物的沉降性能。通過試驗發(fā)現，廢水通過自然沉淀時，沉淀效果差。廢水中的懸浮物主要以膠體的形式存在于廢水中，由于布朗運動的作用以及膠體的荷電特性，使細小的懸浮物能夠長時間穩(wěn)定的存在于廢水中。需通過加入藥劑，改變膠體的荷電特性，使膠體脫穩(wěn)、凝聚，懸浮物加速沉淀，從而實現廢水達標排放。

2.2 藥劑種類對比

比較了多種混凝劑和絮凝劑的不同組合對廢水中懸浮物的去除效果，通過觀察試驗現象和檢測數據選擇最佳的藥劑組合。先向燒杯中加入一定量的井下廢水，然后先后加入不同的混凝劑和絮凝劑，攪拌后靜置20 min，觀察混凝沉淀的效果，取上清液檢測懸浮物含量，對比試驗數據結果如表3所示。

表3 混凝沉淀對比試驗數據Tab.3 Comparative test data sheet

從表3數據中可知，用PFS和PAM處理的效果不理想，單獨使用藥劑PAC的效果也不理想，藥劑PAC、PAM和PFS聯(lián)合使用與藥劑PAC、PAM聯(lián)合使用的效果都比較好?？紤]到節(jié)省成本和操作的便利性，試驗采用PAC與PAM聯(lián)用是最佳的組合。

該鎢礦井下廢水中含有微細的懸浮顆粒物，形成一個分布均勻相對穩(wěn)定的膠體分散系。膠體之所以穩(wěn)定，是因為分散微粒細小，布朗運動產生的擴散作用與其自身重力達到一種平衡。同時這種平衡相對于外系統(tǒng)而言，又是一種脆弱的平衡，因為膠體是一個多相分散系，擁有廣闊的相間界面和巨大的自由能，其微細粒子趨向于相互結合為粗粒聚集體，因而這種穩(wěn)定膠體是可以破壞的膠體，這為膠體脫穩(wěn)提供了理論依據。處理該鎢礦廢水首先考慮通過加混凝劑，使廢水中的懸浮物從穩(wěn)態(tài)中解脫，促使微細顆粒趨向于結合為粗顆粒聚合體，再加入絮凝劑加速粗顆粒聚合體的形成和沉降[7-8]。

2.3 藥劑投加量

采用PAC與PAM藥劑組合，改變兩種藥劑的投加量，通過觀察混凝沉淀的現象，分析污泥性能及上清液懸浮物含量，優(yōu)選最佳的藥劑用量，試驗數據如表4所示。

表4 投加量對比試驗數據Tab.4 Dosage contrast test data sheet

從表4中數據可知，3組試驗的上清液懸浮物含量相差不大，且沉淀效果都較好。隨著PAC的藥劑量加大污泥體積也隨之增大，且污泥含水率也增加，綜合考慮藥劑成本和處理效果，PAC和PAM的最佳投藥量分別是40 mg/L和0.4 mg/L。

2.4 pH的影響

每種混凝劑都有一個最佳的pH值使用范圍，針對不同的廢水pH值范圍也有所不同，需要通過試驗來確定。在燒杯中分別取一定量的廢水，投加相同量的混凝劑，PAC和PAM的投藥量分別是40 mg/L和0.4 mg/L，用氫氧化鈉和硫酸調節(jié)廢水的pH，加入混凝劑后，攪拌、靜置沉淀，觀察混凝效果。pH對混凝沉淀效果的影響見表5。

表5 pH對混凝沉淀效果的影響Tab.5 Effects of pH value on coagulation

從表5中數據可以看出，pH在6.0～8.5之間，混凝效果均較好，且出水懸浮物濃度均能滿足達標排放要求。原水的pH在7.3～7.8很小的范圍內波動，為了節(jié)省成本，工程設計時可以考慮不增加pH調節(jié)系統(tǒng)。

2.5 重復驗證試驗結果

做重復驗證試驗，取500 mL廢水，PAC和PAM的最佳投藥量分別是40 mg/L和0.4 mg/L，試驗數據如表6所示。

表6 重復驗證試驗數據Tab.6 Repeat validation test data sheet

2.6 現場驗證試驗結果

先測定廢水的流量，然后按照小試的試驗結果配置一定量的10%濃度PAC溶液和0.1%濃度的PAM溶液。按照PAC投加量40 mg/L，PAM投加量0.4 mg/L的藥劑量，在放水窿出口不同位置分別人工均勻地投加這兩種藥劑，藥劑在排水溝內發(fā)生絮凝反應，在沉淀池的入口處取樣，觀察絮凝反應的效果和污泥的沉降性能，驗證60 m排水溝作為混凝反應裝置的可行性。

廢水流量的測定，在正常水泵開啟的情況下，采用浮標法測定廢水的流量。選取一段平直且水流均勻排水溝作為測量段，長度約10 m，通過測定浮標的通過時間和排水溝內水橫斷面的面積，計算廢水的流量數據。

通過取樣發(fā)現，現場驗證試驗結果與小型試驗結果相符合。在2#沉淀池入口用15 L桶取樣，廢水中絮體顆粒大、沉淀快，在5 min以內全部沉入桶底，上清液清澈，現場驗證試驗數據如表7所示。

表7 現場驗證試驗數據Tab.7 Field verification test data recorder

3 改造方案設計

3.1 工藝流程及說明

放水窿出口，排水溝前端設置超聲波流量計，為滿足超聲波流量計的安裝要求，跌水池需加高0.5m，適當抬高水位，以保證流量的準確測定。流量計對放水窿出水水量進行實時監(jiān)測，計量泵通過流量計反饋的流量信號同步調整加藥量，在排水溝不同位置分別加入PAC和PAM，使加藥量與廢水量相匹配，實現自動控制加藥，從而達到最佳的絮凝效果。藥劑與廢水在排水溝內迅速混合，并發(fā)生絮凝反應，絮凝體不斷凝聚增大。小部分廢水流入廢棄沉淀池和1#原沉淀池，澄清后上清液排入小溪，底部污泥定期由鏟車從沉淀池底部鏟運至現有的污泥干化池自然晾干后，用汽車運至尾礦庫，大部分廢水經由排水溝進入經改造的2#沉淀池配水槽，使廢水均勻地分布在整個沉淀池橫斷面上，在沉淀池進行固液分離，上清液排入小溪，小溪下游利用攔水壩將處理后的水返回選廠回用。沉淀池中的污泥通過定時器自動或手動啟動污泥泵排入新建污泥池，污泥經壓濾機脫水后定期運至尾礦庫堆存。經過論證，最終確定的廢水處理工藝流程如圖2所示。

圖2 廢水處理工藝流程Fig.2 Flow chart of wastewater treatment process

3.2 主要構筑物設計及設備選型

放水窿出水口改造。對放水窿出水口進行改造，出水口及鄰近的排水溝加高0.5 m，抬高出水口水位，以便超聲波流量計準確測量流量。

排水溝改造。在大水量排水時，排水溝在直角拐彎處存在水臃積現象，為了解決水流擁堵的問題，需要對直角進行倒角，加大水溝入口面積，以減小局部阻力，使排水順暢。

加藥系統(tǒng)改造。改造現有的PAC加藥裝置，保留現有的2個加藥桶，用2臺機械隔膜泵取代現有的PAC加藥泵。另外增加一套PAM加藥系統(tǒng)，與PAC加藥系統(tǒng)配合使用，增加一套自動控制系統(tǒng)。

2#沉淀池改造。對2#沉淀池的改造，增加配水系統(tǒng)、污泥斗、導流墻和出水堰等，沉淀池內部需要新增16個污泥斗，每個污泥斗內設置單獨排泥管，排泥管與污泥泵連接，污泥斗內的污泥通過污泥泵定期排入污泥池。配水系統(tǒng)的配水墻和導流墻采用磚混結構，斜坡道需清除，使池底平整?，F有出水堰不平整，且偏高，需要降低50 mm，再安裝可調節(jié)高度的三角堰板，均勻排水。

新建污泥池。在2#沉淀池附近增加一個污泥池，用于中轉沉淀池排出的污泥，污泥池中設置高、低位液位控制器，液位達到高位時自吸式無堵塞污泥泵關閉，達到低位時壓濾機入料泵關閉。污泥池中的污泥定期通過螺桿泵打入廂式壓濾機脫水，脫水后定期運至尾礦庫堆存。

井下廢水處理系統(tǒng)的主要構筑物及設備分別見表8和表9。

表8 主要構筑物一覽表Tab.8 List of major structures

表9 主要設備一覽表Tab.9 List of major equipment

3.3 運行效果

該工程于2020年1月底開始施工，同年12月底投入使用，實際運行效果良好，處理后各項指標均能穩(wěn)定達到《污水綜合排放標準》（GB8978—1996）一級排放標準要求，出水各項檢測指標如表10所示，能夠實現隨著廢水量的變化自動調節(jié)加藥量及定時自動排泥，提高了自動化水平。

表10 各項檢測指標 mg/LTab.10 Testing indicators

3.4 技術經濟分析

水量按滿負荷10 000 m3/d計，廢水處理直接運行費用包括電費、藥劑費，具體運行成本統(tǒng)計如下：

（1）電費?？傃b機容量21.13kW，污水處理系統(tǒng)平均每小時耗電量為6 kW·h。電費按0.60元/kW·h計，處理每噸廢水電費為0.008 6元。

（2）藥劑費。PAC加藥量每噸廢水40g，1500元/t計，處理每噸廢水PAC藥劑費為0.06元。PAM加藥量每噸廢水加0.4 g，10 000元/t計，處理每噸廢水PAM藥劑費為0.004元。

（3）運行費。運行費用按照最大的設計流量計算（未計折舊費和人工費等）0.072 6元/m3。

（4）主要技術經濟指標。該設計工程總投資為29.6萬元，包含用地范圍內的土建、設備和安裝調試工程建設總投資。具體各指標如表11所示。

表11 主要技術經濟指標Tab.11 Key technical and economic indicators

4 結論

老礦山的廢水處理設施基礎相對薄弱，自動化水平低，且環(huán)保投入有限，需要在充分利用現有處理設施的基礎上，挖掘潛能提高廢水處理能力，改善廢水處理的效果。

（1）試驗證明采用PAC+PAM混凝沉淀工藝處理鎢礦山井下廢水技術可行，可實現自動化控制，易管理、操作方便。相較于有僅投加PAC的處理工藝，懸浮物沉降速度更快，直接運行費用低，每噸廢水運行成本約0.072 6元。

（2）現場驗證試驗結果與小型試驗結果相符，且60 m長排水溝作為絮凝反應裝置可行。通過對沉淀池進行適當的改造，可大幅提高廢水處理效率。

（3）工程實際運行效果良好，各項控制指標均能穩(wěn)定達標，能夠實時自動控制加藥量和自動排泥，避免了人工控制帶來的不確定因素，且降低了操作人員的勞動強度。