CO2協(xié)同生物法處理鉛鋅選礦廢水的應(yīng)用

李 星，楊有才，李緒忠，王 杰

（1.長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長沙 410019；2.湖南中金嶺南康盟環(huán)保科技有限公司，湖南長沙 410221）

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國每年產(chǎn)生的有色金屬采選廢水高達(dá)1.2×109~1.5×109m3，占整個(gè)有色金屬工業(yè)廢水總量的30%左右，其排放總量約占全國工業(yè)廢水總量的1/10〔1?2〕。為降低行業(yè)整體能耗，《鉛鋅行業(yè)規(guī)范條件》要求選礦廢水的循環(huán)利用率應(yīng)達(dá)到85%以上，選礦用新水單耗不高于1.5 m3/t。然而隨著尾礦充填技術(shù)的不斷發(fā)展，國家對(duì)尾礦庫建設(shè)的批復(fù)日漸縮緊，現(xiàn)有選廠將選礦廢水輸送至尾礦庫自然降解后回用的方法無法持續(xù)。經(jīng)濟(jì)高效地處理、資源化回用采選廢水是有色金屬采選企業(yè)亟待解決的重要課題。

選礦廢水的處理目前多采用化學(xué)法，但各種化學(xué)藥劑將影響處理后廢水的回用，降低選礦回收率及品位。此外，化學(xué)法的處理成本較高，導(dǎo)致廢水量極大的選礦廠無法承受。筆者對(duì)CO2協(xié)同生物法處理鉛鋅選礦廢水進(jìn)行介紹，整個(gè)處理過程不引入其他離子及藥劑，處理后的水回用于選礦工藝而不影響選礦指標(biāo)，可為選礦廢水的生物處理及回用工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

南方某鉛鋅礦集采礦、選礦于一體，依托品位高、儲(chǔ)量大的礦山資源，成為國內(nèi)主要的鉛鋅礦種生產(chǎn)基地。該選礦廠產(chǎn)生的選礦廢水水量約27 911 m3/d，包含鉛精礦工段、混精礦工段、鋅精礦工段、鋅尾礦工段及地溝廢水。

1.1 設(shè)計(jì)水量與水質(zhì)

根據(jù)選礦廠的實(shí)際運(yùn)行水量并考慮一定余量，工程設(shè)計(jì)規(guī)模為30 000 m3/d。該選礦廢水為含重金屬的難降解有機(jī)廢水，主要重金屬污染物為鉛、鋅，有機(jī)物主要為選礦過程添加的各種選礦藥劑。自然狀態(tài)下，該廢水的可生化性較低（B/C 約0.20）。因鉛鋅選礦廢水處理后回用指標(biāo)尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，確定設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)，如表1 所示。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)Table 1 Design inlet and outlet water quality

1.2 廢水有機(jī)成分分析

該選礦廢水主要含有的有機(jī)物包括：黃藥、乙硫氮、二號(hào)浮選油、腐殖酸鈉等〔3〕。其中，乙硫氮、黃藥為小分子有機(jī)物，易生物降解，二號(hào)浮選油、腐殖酸鈉為大分子有機(jī)物，難生物降解。此外，黃藥、乙硫氮都是強(qiáng)堿條件下生產(chǎn)的藥劑，在堿性條件下較穩(wěn)定，在中性及酸性條件下自然分解，產(chǎn)生CO32?、HCO3?、HS?、CS3?等產(chǎn)物。鑒于選礦廢水中存在大量有機(jī)物，選礦廢水的生物處理成為可能。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 工藝流程

因場(chǎng)地緊張，且采用現(xiàn)有水池改造而成的均質(zhì)調(diào)節(jié)池容積有限，為減少水質(zhì)波動(dòng)對(duì)生化系統(tǒng)的影響，該工程采用抗沖擊負(fù)荷更強(qiáng)的DAT-IAT 生化反應(yīng)池。該反應(yīng)池容積利用率高，無需建設(shè)二沉池，且能在單格反應(yīng)池連續(xù)進(jìn)水，節(jié)省占地，同時(shí)提高了后續(xù)運(yùn)行管理的便利性。系統(tǒng)產(chǎn)生的底泥以無機(jī)污泥為主，為降低前期工程投資，該工程暫不建設(shè)污泥處理系統(tǒng)，僅預(yù)留建設(shè)用地，前期底泥用選廠現(xiàn)有尾砂輸送系統(tǒng)輸送至尾礦庫。

工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程Fig.1 Technological process

2.2 主要建（構(gòu)）筑物及工藝參數(shù)

（1）均質(zhì)調(diào)節(jié)池。均質(zhì)調(diào)節(jié)池為利舊水池，尺寸（L×B×H）為35 m×45 m×4.2 m，有效容積約6 200 m3，調(diào)節(jié)時(shí)間約5 h。配進(jìn)水泵3 臺(tái)，單泵性能：Q=625 m3/h，H=15 m，P=45 kW，n=1 450 r/min，2 用1 備，變頻運(yùn)行。

（2）pH 調(diào)節(jié)槽。pH 調(diào)節(jié)槽作為DAT?IAT 池進(jìn)水的預(yù)處理系統(tǒng)，是關(guān)鍵處理單元之一，其處理效果直接影響后續(xù)DAT-IAT 池的運(yùn)行情況。項(xiàng)目設(shè)計(jì)廢水進(jìn)水pH 為10~12，含有一定量的鉛、鋅離子，用CO2調(diào)節(jié)廢水pH 至9，使鉛、鋅離子進(jìn)入最佳沉淀pH 進(jìn)而生成碳酸鉛、氫氧化鉛、氫氧化鋅等沉淀；同時(shí)，黃藥、乙硫氮自然分解，廢水的可生化性得以提高。

pH 調(diào)節(jié)槽分2 組并聯(lián)運(yùn)行，單組調(diào)節(jié)槽由2 個(gè)D8 000 mm×10 000 mm 鋼襯FRP 攪拌槽串聯(lián)而成，調(diào)節(jié)槽底部設(shè)CO2通氣管，進(jìn)出水均設(shè)置pH 監(jiān)測(cè)計(jì)，通過pH 調(diào)節(jié)CO2通氣量，控制調(diào)節(jié)槽出水pH 為9。調(diào)節(jié)槽設(shè)攪拌系統(tǒng)，單槽攪拌功率30 kW。調(diào)節(jié)槽配套設(shè)置液態(tài)CO2儲(chǔ)罐2 個(gè)，單罐D(zhuǎn)3 300 mm×15 000 mm，有效容積70 m3。

（3）斜板沉淀池。廢水調(diào)節(jié)pH 后會(huì)產(chǎn)生碳酸鉛、氫氧化鋅等沉淀，此外還有隨廢水一同進(jìn)入處理系統(tǒng)的礦渣，采用沉淀池進(jìn)行渣水分離。因處理出水需回用去選礦，添加絮凝劑將影響選礦指標(biāo)，故沉淀階段不添加絮凝劑，通過降低沉淀池的負(fù)荷保證出水效果。斜板沉淀池分2 組并聯(lián)運(yùn)行，單池尺寸（L×B×H）42 m×12 m×4.5 m，表面負(fù)荷1.60 m3/（m2·h）。沉淀池配刮吸泥機(jī)，跨度12 m，行駛速度1.12 m/min，用于排除池底沉淀。

（4）DAT-IAT 池。DAT-IAT 池是整個(gè)工藝的主體和核心，由連續(xù)曝氣池（DAT 池）和間歇曝氣池（IAT 池）串連而成。DAT 池保持連續(xù)進(jìn)水，并在整個(gè)反應(yīng)周期連續(xù)曝氣，其出水連續(xù)流入IAT 池，IAT池在1 個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)分別完成曝氣反應(yīng)、沉淀、出水等工序。DAT 池是生物反應(yīng)系統(tǒng)的主反應(yīng)池，絕大部分有機(jī)物在DAT 池中被降解，池中水流呈完全混合態(tài)。IAT 池連續(xù)進(jìn)水，間斷排水，且在反應(yīng)工序進(jìn)行曝氣，強(qiáng)化處理效果。系統(tǒng)處理后出水和剩余活性污泥均由IAT 池排出，從而保證穩(wěn)定的處理效果。根據(jù)項(xiàng)目前期試驗(yàn)結(jié)果，預(yù)處理后廢水總曝氣時(shí)長≥8 h 時(shí)，出水CODCr能穩(wěn)定<40 mg/L。

設(shè)DAT-IAT 池1 座，分4 格運(yùn)行，尺寸（L×B×H）為50 m×48 m×6.5 m。單格DAT 池有效容積1 875 m3，單格IAT 池有效容積1 580 m3，總水力停留時(shí)間11.5 h。IAT 池運(yùn)行周期為曝氣1.5 h、沉淀1 h、潷水1.5 h。池底設(shè)管式微孔曝氣器進(jìn)行充氧曝氣，平均供氣量8 036 m3/h。IAT 設(shè)污泥回流泵，污泥回流比100%。

2.3 工程投資及運(yùn)行成本

該工程總投資5 130.07 萬元，其中建設(shè)工程費(fèi)用4 859.58 萬元。污水處理運(yùn)行成本包含藥劑費(fèi)、電費(fèi)、人工費(fèi)及活性污泥送檢費(fèi)用。此外，為保證生化反應(yīng)系統(tǒng)的污泥活性，每月需定期補(bǔ)充活性污泥。藥劑費(fèi)主要包括CO2（0.70 元/t）和石灰（0.09 元/t），處理噸水電費(fèi)為0.72 元，人工費(fèi)折合為0.29 元/t，日常送檢費(fèi)折合為0.22 元/t，活性污泥補(bǔ)充成本約0.48 元/t，噸水處理總運(yùn)行成本為2.50 元。

3 運(yùn)行效果及對(duì)比

3.1 運(yùn)行效果

該工程于2020 年9 月清水試車，2021 年1 月同選廠同步聯(lián)調(diào)，出水基本穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。水處理系統(tǒng)2021 年1—8 月的進(jìn)出水?dāng)?shù)據(jù)如圖2 所示。

由圖2 可見，出水CODCr基本穩(wěn)定在20 mg/L，SS為18 mg/L，Pb2+為0.05 mg/L，Zn2+為0.47 mg/L，出水水質(zhì)可滿足原設(shè)計(jì)出水要求。處理后的出水回用于選廠選礦，能滿足選礦浮選要求。

圖2 水處理系統(tǒng)的進(jìn)出水情況Fig.2 Inlet and outlet water of treatment system

3.2 同類項(xiàng)目對(duì)比

將該工程的進(jìn)出水水質(zhì)均值與某采用混凝沉淀+活性炭吸附法處理鉛鋅選礦廢水工程的年進(jìn)出水水質(zhì)均值進(jìn)行對(duì)比，如圖3 所示。

由圖3 可知，該工程對(duì)CODCr、Pb2+、Zn2+的處理效果均優(yōu)于采用普通物化法的對(duì)比工程。對(duì)比工程投加了絮凝劑且工藝后段用活性炭進(jìn)行過濾，因此出水SS 較優(yōu)。鑒于SS 并非影響處理后回用的關(guān)鍵因素，2 種處理方法均能滿足回用要求。對(duì)比工程采用活性炭吸附，運(yùn)行過程有大量活性炭需要再生，處理成本高且不適于大規(guī)模水處理系統(tǒng)。

圖3 同類項(xiàng)目進(jìn)出水指標(biāo)對(duì)比Fig.3 Comparison of inlet and outlet water quality with similar projects

4 結(jié)論

（1）采用生物法處理鉛鋅選礦廢水切實(shí)可行，出水CODCr穩(wěn)定在20 mg/L，SS 穩(wěn)定在18 mg/L。

（2）生物法處理鉛鋅選礦廢水的預(yù)處理方法是生物法成功運(yùn)行的關(guān)鍵。CO2回調(diào)可在調(diào)節(jié)選礦廢水pH 的同時(shí)，有效去除廢水中的鉛鋅離子，降低生物毒性，提高廢水的可生化性，且不引入其他離子，避免循環(huán)過程中出現(xiàn)離子富集從而影響選礦。

（3）與化學(xué)法處理相比，CO2協(xié)同生物法處理鉛鋅選礦廢水的成本較低，經(jīng)濟(jì)效益明顯。