含鈾礦井水處理設施的研究與設計

侯偉強

(中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

鈾礦開采過程會產(chǎn)生大量礦井水，尤其在南方地區(qū)雨季時，某些礦井的涌水量每天能達幾千立方米。這些礦井水，除小部分復用外，大部分需要排放到自然體系中。礦井水中鈾質量濃度一般在0.3～4.0 mg/L，超過了《鈾礦冶輻射防護和輻射環(huán)境保護規(guī)定》(GB 23727—2020)的排放限值，如果不能妥善處理后排放，不僅會污染環(huán)境，而且會導致鈾資源流失[1-2]。

目前，國內外應用最廣泛的含鈾礦井水處理方法是化學沉淀法和離子交換法[3-7]?；瘜W沉淀法無法回收鈾資源，還會產(chǎn)生二次廢渣；而離子交換法對礦井水中的鈾回收率高，樹脂具有吸附容量大、易再生且無二次廢渣等特點。針對離子交換法對含鈾廢水處理效果的研究較多，而關于實際應用的報道較少。筆者結合某鈾礦礦井水處理設施的設計，對礦井水處理的工藝流程、設備布置、材質選擇及經(jīng)濟效益等進行分析。

1 工藝設計

1.1 礦井水參數(shù)

某鈾礦井處于南方地區(qū)，受自然條件影響，礦井涌水量較大，目前270 m中段正常涌水量約為1 275 m3/d，最大涌水量為2 019 m3/d。

該礦井水主要是HCO3-SO4-Na及HCO3-Ca-Na型，侵蝕性CO2平均質量濃度為17.15 mg/L(最高39.6 mg/L)，pH為5.4～6.8。正常涌水量時，礦井水中鈾平均質量濃度為2.8 mg/L。礦井水的主要成分見表1。

表1 礦井水主要成分及排放標準Table 1 The main components of mine water and emission standards

從表1可看出，該礦井水除鈾濃度超標外，其他成分均滿足《鈾礦冶輻射防護和環(huán)境保護規(guī)定》中的排放限值。

1.2 設計輸入條件

該礦井水在最大涌水量時，水質清澈，濁度較低，其中鈾質量濃度低于1.5 mg/L。因此，設計處理規(guī)模按正常涌水量考慮，但離子交換塔處理能力按最大涌水量考慮。年工作300 d，采用201×7強堿性陰離子樹脂，樹脂工作容量取20 mgU/mL，吸附時間為10 min；淋洗劑為75 g/L NaCl+25 g/L Na2CO3溶液，淋洗時間為60 min，樹脂殘余容量取1 mgU/mL。

1.3 工藝流程

根據(jù)該礦礦井水量較大、鈾濃度較低等特點，選擇密實固定床離子交換工藝，其特點是料液處理量大、樹脂磨損率低，且操作簡單[8-9]。

根據(jù)吸附、淋洗時間要求，結合離子交換塔選型計算，選擇3塔串聯(lián)吸附、2塔串聯(lián)淋洗，并預留1塔來滿足豎井延深時礦井水量增加的需求。本礦井水處理工藝流程如圖1所示。礦井水經(jīng)澄清池澄清后，泵入離子交換塔吸附，吸附尾液外排；淋洗劑由塔頂進入，對飽和樹脂淋洗；淋洗合格液流入淋洗合格液貯槽，然后泵入罐車運至水冶廠處理。

圖1 礦井水處理工藝流程Fig. 1 The process flow diagram for mine water treatment

1.4 主要設備選型計算

1.4.1 礦井水澄清池

礦井水停留時間按正常涌水量停留12 h考慮。結合現(xiàn)場地形，通過拉格朗日函數(shù)按定體積求澄清池的經(jīng)濟邊長，設計澄清池單池規(guī)格為長×寬×高=18 m×4 m×3 m，結構為鋼筋砼池，共設置3座，總容積648 m3，并預留1個礦井水澄清池來滿足礦井延深后水量增加的需求。

1.4.2 離子交換塔

以270 m中段礦井水最大處理量2 019 m3/d，料液波動系數(shù)1.1，吸附空塔速度20 m/h(一般密實固定床空塔速度20～30 m/h)[10]，每天工作24 h來計算，塔直徑D=[2 019×1.1/(20×24×π)]1/2×2=2.42 m，設計取塔徑2.5 m。

根據(jù)礦井水含鈾特性，選用201×7強堿性陰離子樹脂，單塔床層高3.5 m?？紤]樹脂膨脹等因素，塔直筒段取5.5 m。當填充樹脂后，樹脂床層孔隙率約為0.35，吸附液在床層中線速度為20/0.35=57 m/h。為保證吸附時間大于10 min，總床層高度最少需9.5 m，因此設計3塔串聯(lián)吸附。

淋洗空塔線速度取2 m/h，淋洗劑在樹脂床層中的線速度為5.7 m/h。為保證淋洗時間大于60 min，總床層高度最少為5.7 m，因此設計2塔串聯(lián)淋洗。

1.4.3 淋洗劑配制罐

單塔飽和樹脂體積V=17.17 m3，淋洗劑總用量取3 BV(BV為樹脂床層體積)，兩塔共為103 m3。以12 h淋洗完畢考慮，淋洗劑流速為8.5 m3/h。因吸附周期為3～4個月，因此淋洗劑配制罐體積不宜過大，設計淋洗配制罐直徑為1.8 m、高2.5 m，有效容積5.5 m3，共設置2個。

1.5 設備布置

按《巖土工程勘察規(guī)范》腐蝕性評價標準判定，該礦井水對鋼結構具有弱腐蝕性，廠房不宜采用鋼結構。因該礦處于南方地區(qū)，可利用自然通風。因此，本礦井水處理廠房選擇混凝土框架結構，廠房為局部二層，一層設2 m高圍墻。

廠房內設備布置需滿足工藝流程要求，滿足操作、檢修和施工要求，且盡量減少占地[11]。礦井水依次經(jīng)過澄清池和離子交換塔，5臺離子交換塔中心線對齊成排布置在廠房一側，另一側布置值班室、合格液貯槽、淋洗劑配制槽及吊裝檢修區(qū)，中間為操作主通道。在廠房二層設置電動葫蘆，為離子交換塔、輸送泵及攪拌器吊裝服務。該礦井水處理設施三維設備布置如圖2所示。

圖2 礦井水處理設施三維設備布置圖Fig. 2 The three-dimensional equipment layout of the mine water treatment facility

1.6 設備及管道材質

礦井水呈弱酸性，淋洗劑(氯化鈉和碳酸鈉)為弱堿性，體系中主要腐蝕介質為礦井水和淋洗劑。不銹鋼在含氯化物溶液中不耐應力腐蝕，易發(fā)生點蝕及縫隙腐蝕，且相比于普通碳鋼，不銹鋼成本更高[12]。因此，離子交換塔不宜選用不銹鋼材質；可選擇以碳鋼為主體，內襯防腐材料，如內襯環(huán)氧樹脂、聚酯、聚氨酯、聚四氟乙烯等。其中環(huán)氧樹脂耐酸堿腐蝕性好、粘結強度高，可在-10～80 ℃使用；相比其他內襯材料，還具有施工簡單、價格低廉的特點，被廣泛應用[13-16]。

該礦井水具有弱腐蝕性，操作溫度為常溫，操作壓力約為0.5 MPa，整個運行條件均在環(huán)氧樹脂承受范圍內。因此，離子交換塔、淋洗劑配制罐選碳鋼襯環(huán)氧樹脂，室外礦井水澄清池、淋洗合格液貯槽為砼襯環(huán)氧樹脂。

各類材質管道的適用性及價格見表2，表中價格均為DN100、PN1.0MPa規(guī)格管材的價格。針對介質的化學腐蝕特性和操作條件，輸送管道不宜選用純鋼管或一般牌號不銹鋼；而鋼襯防腐材料管道的成本較高，因此選擇工程塑料管。工程塑料管適用于不同情況腐蝕介質，且安裝維修方便快捷，價格低廉。

表2 不同材質管道適用性及價格Table 2 The applicability and price of pipes of different materials

因本工程有室外管線，由于聚氯乙烯(PVC)管不耐長久日曬；因此綜合考慮耐受性、價格因素，可選擇FRPP、UPVC或HDPE等工程塑料管。

2 經(jīng)濟效益分析

處理礦井水的總成本包括原材料消耗、人工費、設備費、電耗等，按正常水量(1 275 m3/d)計算，各項成本見表3。

表3 礦井水處理費用明細Table 3 The cost list of mine water treatment

經(jīng)測算，礦井水處理成本為1.58元/m3；其中電費占總成本比例最高，達46%。礦井水輸送泵為主要耗電設備。因此，需選擇合適的輸送泵型號和配置變頻器，根據(jù)實際礦井水量來實時調節(jié)礦井水輸送泵參數(shù)，以減少泵的能耗，降低礦井水的處理成本。

3 工程運行效果

本工程2014年建成，離子交換塔采用鋼襯環(huán)氧樹脂，玻璃鋼布采用中堿無捻粗紗方格玻璃纖維布，共襯3層，襯布厚度：里層0.2 mm，中間層0.4 mm，外層0.2 mm。管道采用FRPP管，設計處理水量2 100 m3/d，出水中鈾質量濃度小于0.3 mg/L。實際運行中，樹脂操作容量約23 mgU/mL。經(jīng)2年運行，設備及管道未見明顯腐蝕，設施運行良好，出水水質監(jiān)測結果見表4。出水水質均符合《鈾礦冶輻射防護和環(huán)境保護規(guī)定》中的排放限值要求。

表4 出水水質監(jiān)測結果Table 4 Test results of effluent water quality

4 結論

采用澄清-吸附-淋洗工藝流程處理含鈾礦井水，可使礦井水達標排放。設計采用帶頂混凝土框架結構廠房，無需整體封閉，既可減少廠房造價又有利于廠房通風。廠房內塔體一排布置，塔區(qū)局部二層，既有利于人員操作，又有利于廠房的整體性。離子交換塔設備選用碳鋼內襯環(huán)氧樹脂，管道選用FRPP工程塑料管，既滿足耐腐蝕要求，又具有很好的經(jīng)濟性。礦井水水輸送泵能耗費用占礦井水處理總成本的46%，應合理選擇泵型號和配置變頻器，來降低礦井水處理成本。