MVR處理中性地浸采鈾礦山蒸發(fā)池廢水技術(shù)研究

王占龍,杜 娟,李 利,何立寧,馬琳娜,連國璽,曹俊鵬

(1.中核第四研究設(shè)計工程有限公司,河北 石家莊 050021;2.中核通遼鈾業(yè)有限責任公司,內(nèi)蒙古 通遼 028000)

目前,地浸采鈾生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的放射性廢水,均排入蒸發(fā)池通過自然蒸發(fā)進行處理[1]。采用自然蒸發(fā)法處理地浸采鈾廢水,可充分利用當?shù)刈匀粭l件,降低廢水處理成本[2]。但該法受自然條件影響較大,蒸發(fā)量隨季節(jié)變化較大,且處理能力主要依賴蒸發(fā)池面積,千噸級鈾礦生產(chǎn)基地的蒸發(fā)池面積預計將達到1.2×105m2。隨著地浸礦山規(guī)模的增加,采用自然蒸發(fā)法處理廢水面臨挑戰(zhàn)。

風能輔助強制蒸發(fā)技術(shù)通過增加廢水與空氣的接觸面積,可將液面蒸發(fā)拓展到立體蒸發(fā);但蒸發(fā)效果受溫度和風速影響較大,尤其是在冬季該工藝的處理效果并不理想[3]。機械蒸汽再壓縮(Mechanical Vapor Recompression)簡稱MVR,是利用蒸發(fā)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的二次蒸汽及其能量,將低品位蒸汽經(jīng)壓縮機的機械做功提升為高品位蒸汽。與傳統(tǒng)的多效蒸發(fā)相比,MVR技術(shù)節(jié)能效果顯著,已被廣泛應用于化工、制藥、造紙、污水處理、海水淡化等行業(yè)[4-5]。為從源頭減少蒸發(fā)池的廢水量,筆者開展MVR技術(shù)在地浸采鈾行業(yè)中的研究應用,提高廢水的蒸發(fā)速度,逐步實現(xiàn)蒸發(fā)池減容甚至替代。

1 室內(nèi)試驗部分

1.1 廢水來源及水質(zhì)情況

某中性地浸采鈾工程進入蒸發(fā)池的廢水主要包括:樹脂轉(zhuǎn)型廢水(前3個樹脂床的轉(zhuǎn)型廢水直接排入蒸發(fā)池)、電滲析濃水、沉淀母液,以及清洗濾袋廢水等4種類型[6]。各廢水月均排放量與水質(zhì)情況見表1。選取廢水量較大且具有代表性的電滲析濃水和蒸發(fā)池廢水作為研究對象。

1.2 試驗設(shè)備

室內(nèi)試驗設(shè)備包括反應攪拌設(shè)備、油浴加熱設(shè)備、蒸餾冷凝設(shè)備、減壓調(diào)節(jié)設(shè)備,以及蒸殘液過濾設(shè)備。

1.3 試驗方法

通過室內(nèi)蒸發(fā)試驗確定廢水蒸發(fā)的主要工藝參數(shù),并檢驗蒸發(fā)效果。對電滲析濃水和蒸發(fā)池廢水分別進行蒸發(fā)試驗,采用油浴加熱,根據(jù)不同壓力和溫度下的蒸發(fā)量,確定最佳蒸發(fā)壓力和溫度參數(shù);并對冷凝水進行水質(zhì)檢測,驗證蒸發(fā)效果。

表1 廢水月均排放量與水質(zhì)情況

1.4 試驗參數(shù)選擇

取電滲析濃水(1#廢水)和蒸發(fā)池廢水(2#廢水)分別在絕對壓力0.10、0.07、0.03 MPa下進行室內(nèi)蒸發(fā)試驗,確定最佳蒸發(fā)壓力和溫度,考察原水pH及主要離子濃度對蒸發(fā)的影響。廢水處理量每批次取1 000 mL,蒸發(fā)時間均取3 h,固定油浴加熱溫度為130 ℃。其他試驗參數(shù)見表2。

表2 室內(nèi)蒸發(fā)試驗參數(shù)

2 室內(nèi)試驗結(jié)果及分析

每隔30 min對蒸發(fā)量進行統(tǒng)計,1#-0.10、1#-0.07、1#-0.03、2#-0.10、2#-0.07、2#-0.03廢水實際蒸發(fā)溫度分別為100、89、72、100、87、74 ℃。

蒸發(fā)初期,溶液為澄清狀態(tài);隨著蒸發(fā)進行,溶液開始略微渾濁。隨廢水體積的減少,溶液中的鹽逐漸析出,緊貼在燒瓶內(nèi)壁上。蒸發(fā)結(jié)束后,晃動燒瓶,盡量將燒瓶內(nèi)壁的白色析出鹽沖刷到殘液內(nèi),經(jīng)抽濾后得到白色殘渣。

2.1 蒸發(fā)量分析

2.1.1 蒸發(fā)時間對蒸發(fā)量的影響

各廢水均取3 h的試驗數(shù)據(jù)進行對比,蒸發(fā)時間對蒸發(fā)量的影響見圖1?？梢钥闯?1#-0.10、2#-0.10屬于常壓蒸發(fā),蒸發(fā)量較低,約為38～45 mL/30 min,蒸發(fā)速度較慢;1#-0.07、1#-0.03、2#-0.07、2#-0.03屬于減壓蒸發(fā),蒸發(fā)量較大,約為124～147 mL/30 min,減壓蒸發(fā)速度約是常壓蒸發(fā)速度的3倍。常壓蒸發(fā)時,蒸發(fā)速度較為穩(wěn)定;減壓蒸發(fā)時,最后30 min的蒸發(fā)速度出現(xiàn)明顯下降。分析認為這是由于燒瓶中廢水體積太少導致的,但大體上整個蒸發(fā)過程中的蒸發(fā)速度較為穩(wěn)定。

圖1 蒸發(fā)時間對蒸發(fā)量的影響

2.1.2 蒸發(fā)壓力對蒸發(fā)量的影響

各壓力下均取3 h的試驗數(shù)據(jù),將其折算成30 min平均蒸發(fā)量進行對比,蒸發(fā)壓力對蒸發(fā)量的影響見圖2?？梢钥闯?壓力在0.10～0.07 MPa時,線段斜率最大,表明該段壓力變化引起的平均蒸發(fā)量增加最為明顯;進一步降低壓力至0.03 MPa,平均蒸發(fā)量有所下降。因此,壓力為0.07 MPa、89 ℃時,平均蒸發(fā)量最大,即蒸發(fā)速度最快。

2.1.3 pH及離子濃度對蒸發(fā)的影響

1#原水的pH及主要離子濃度低于2#原水,1#原水的平均蒸發(fā)量與2#原水的平均蒸發(fā)量相差不大(圖2)。因此,認為原水的pH及主要離子濃度對蒸發(fā)量基本無影響。

2.2 冷凝水水質(zhì)分析

對1#和2#試驗得到的冷凝水進行水質(zhì)檢測,分析電導率、TDS,以及其中相關(guān)離子的濃度,結(jié)果見表3。

圖2 蒸發(fā)壓力對蒸發(fā)量的影響

表3 1#、2#冷凝水主要指標

對比表3和表1數(shù)據(jù)可知,冷凝水中各離子濃度較原廢水均降低1～2個數(shù)量級。不同減壓條件下,冷凝水的水質(zhì)指標相近,各離子濃度及電導率等基本處于同一數(shù)量級,且均低于常壓蒸發(fā)冷凝水中各離子濃度及電導率。各冷凝水中U、226Ra均達到了《鈾礦冶輻射防護和輻射環(huán)境保護規(guī)定》(GB 23727—2020)中表3的排放限值(ρ(U)≤0.3 mg/L、C(226Ra)≤1.1 Bq/L)[7],pH、CODMn均達到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中表1的三類水標準限值(pH=6～9、CODMn≤6 mg/L)[8]。

3 廢水MVR蒸發(fā)處理工藝現(xiàn)場試驗

3.1 MVR蒸發(fā)處理工藝流程

根據(jù)廢水室內(nèi)試驗結(jié)果,搭建的MVR蒸發(fā)處理工藝流程見圖3。MVR蒸發(fā)處理工藝流程分為預處理及進料、預熱、強制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶、蒸汽壓縮、離心出鹽5個工段。

3.1.1 預處理及進料工段

廢水自界外打入原料緩沖罐,并投入消泡劑,再經(jīng)過進料泵輸送到冷凝水預熱器預熱,然后進入強制循環(huán)換熱器,當蒸發(fā)結(jié)晶器液位達到設(shè)計液位時,啟動強制循環(huán)泵,進料結(jié)束。

3.1.2 預熱工段

向強制循環(huán)換熱器殼程通入生蒸汽給料液進行開機預熱,當料液溫度達到設(shè)定的蒸發(fā)溫度時,開啟蒸汽壓縮機,系統(tǒng)開始進入蒸發(fā)狀態(tài);常溫的廢水進入冷凝水預熱器(板式換熱器)和90 ℃的高溫冷凝水換熱,廢水溫度由25 ℃預熱到55 ℃以上后進入強制循環(huán)換熱器。

圖3 MVR蒸發(fā)處理工藝流程圖

3.1.3 強制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶工段

廢水與循環(huán)料液混合后進入強制循環(huán)換熱器,以1.5～2.0 m/s的流速流過換熱器的每根換熱管;與此同時,與換熱器殼程內(nèi)100～110 ℃的加熱蒸汽(來自壓縮機出口)進行換熱,受熱后的料液在蒸發(fā)結(jié)晶器底部沿切線進入蒸發(fā)結(jié)晶器進行蒸發(fā)(0.07 MPa、90 ℃)。當料液上升至接近液面時,料液由過飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài),部分結(jié)晶顆粒析出;析出的晶體在強制循環(huán)系統(tǒng)進行循環(huán)、沉降、生長,集鹽腿收集的鹽漿自流排入離心機進行固液分離。

3.1.4 蒸汽壓縮工段

蒸發(fā)結(jié)晶器蒸發(fā)出的二次蒸汽(0.07 MPa、90 ℃)進入蒸汽壓縮機,經(jīng)壓縮做功后蒸汽壓力和溫度得以提升,其壓力由0.07 MPa升至0.10～0.14 MPa,溫度由90 ℃升至100～110 ℃(飽和溫度),然后再進入強制循環(huán)換熱器給廢水加熱。整個蒸發(fā)過程由壓縮機建立起完整的熱能循環(huán)。

3.1.5 離心出鹽工段

過飽和溶液通過重力自流進入離心機,離心出固體鹽;母液自流排入母液罐,經(jīng)母液泵一路返回MVR繼續(xù)蒸發(fā),一路開路外排或母液中有機物富集到一定程度影響正常蒸發(fā)時整罐外排。

3.2 MVR設(shè)計參數(shù)及材質(zhì)選擇

MVR蒸發(fā)處理裝置設(shè)計蒸發(fā)量80 L/h,主要設(shè)計參數(shù)見表4。

表4 MVR系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)

3.3 MVR蒸發(fā)處理設(shè)備選型及組裝

根據(jù)MVR蒸發(fā)處理工藝流程進行設(shè)備選型,各設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 MVR蒸發(fā)處理主要設(shè)備

廢水含有大量氯離子,腐蝕性較強,按照《腐蝕數(shù)據(jù)和選材手冊》及工程經(jīng)驗進行選材。強制循環(huán)換熱器的換熱管采用TA2,結(jié)晶器和強制循環(huán)管材質(zhì)選擇雙相不銹鋼2205,可有效減緩設(shè)備的腐蝕。

現(xiàn)場組裝完成后,MVR設(shè)備長×寬×高=3.60 m×2.20 m×4.80 m,質(zhì)量約3.5 t,系統(tǒng)裝機功率約24 kW(不含蒸汽發(fā)生器)。由于試驗現(xiàn)場沒有生蒸汽來源,本試驗配備1臺蒸汽發(fā)生器作為預熱MVR蒸發(fā)系統(tǒng)的熱源。MVR蒸發(fā)系統(tǒng)外接動力電380 V、自來水0.15 MPa。

3.4 電滲析濃水試驗結(jié)果及分析

對電滲析濃水進行MVR蒸發(fā)處理試驗,取電滲析濃水4 m3存放于試驗原料桶中。為防止蒸汽夾帶霧沫進入壓縮機而導致冷凝水不能達標排放,在原料桶中投加消泡劑(主要成分為改性有機硅,每m3廢水投加0.1～0.2 L消泡劑)[9]。

試驗進行7 d,每天連續(xù)運行8 h,分別在不同參數(shù)條件下進行設(shè)備調(diào)試,使系統(tǒng)穩(wěn)定運行;記錄各參數(shù)下正常運行時(每天選取4 h,每小時記錄1次)的壓力、溫度、蒸發(fā)量及耗電量,驗證MVR系統(tǒng)的蒸發(fā)效果和能耗情況。

3.4.1 MVR系統(tǒng)運行情況分析

3.4.1.1 蒸發(fā)壓力對蒸發(fā)效果的影響

調(diào)節(jié)蒸發(fā)結(jié)晶器在不同的蒸發(fā)壓力條件下(0.06、0.07、0.08 MPa),對MVR系統(tǒng)的蒸發(fā)量及耗電量進行考察,試驗平均結(jié)果見表6?？梢钥闯?蒸發(fā)壓力為0.07 MPa時,平均蒸發(fā)量相對最大,平均耗電量相對最低,平均蒸發(fā)量約83 L/h,平均耗電量約11.3 kW·h/h。

3.4.1.2 壓縮機出口壓力對蒸發(fā)效果的影響

在蒸發(fā)結(jié)晶器壓力一定的情況下(0.07 MPa、90 ℃),調(diào)節(jié)壓縮機出口壓力條件(0.10～0.11 MPa、0.12～0.13 MPa),對MVR系統(tǒng)的蒸發(fā)量及耗電量進行考察,試驗平均結(jié)果見表7。

表6 蒸發(fā)壓力對MVR蒸發(fā)效果的影響

表7 壓縮機出口壓力對MVR蒸發(fā)效果的影響

由表7可知,兩組壓力下的蒸發(fā)量基本持平,說明壓縮機出口壓力對蒸發(fā)量基本無影響;壓縮機出口壓力為0.10～0.11 MPa的平均耗電量相對較低。

3.4.2 冷凝水水質(zhì)分析

MVR系統(tǒng)蒸發(fā)產(chǎn)生的冷凝水比較清澈,無明顯雜質(zhì)。對1#-1、1#-2、1#-3、1#-4試驗產(chǎn)生的冷凝水分別取樣進行水質(zhì)檢測,結(jié)果見表8。可以看出,電滲析濃水經(jīng)MVR蒸發(fā)后得到的4組冷凝水水質(zhì)指標相近。各冷凝水中U、226Ra均達到了《鈾礦冶輻射防護和輻射環(huán)境保護規(guī)定》(GB 23727—2020)表3的排放限值,總α放射性、總β放射性均達到了《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)的表1要求,pH、CODMn、NH3-N、TP、F-及重金屬等均達到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)表1的三類水標準限值[10],達標排放率100%。冷凝水也可回用于生產(chǎn)。

3.4.3 母液水質(zhì)分析

由于進入MVR系統(tǒng)的電滲析廢水濃度較低,試驗過程中未能結(jié)晶出鹽,MVR系統(tǒng)蒸發(fā)到無法循環(huán)運行后,最終得到母液約0.165 m3(排回到蒸發(fā)池)。根據(jù)處理的總廢水4 m3計算,產(chǎn)生冷凝水約3.835 m3,減容率約為95.9%。

表8 1#-1、1#-2、1#-3、1#-4冷凝水主要指標

表9 母液主要指標

3.5 蒸發(fā)池廢水試驗結(jié)果及分析

對蒸發(fā)池廢水進行MVR蒸發(fā)處理試驗,按照MVR處理電滲析濃水的最佳蒸發(fā)壓力和溫度,保持蒸發(fā)結(jié)晶器壓力和溫度分別為0.07 MPa、90 ℃,壓縮機出口壓力為0.10～0.11 MPa,并在原料中投加消泡劑。按每天24 h連續(xù)進行,MVR系統(tǒng)的冷凝水排放量(蒸發(fā)量)基本穩(wěn)定在80～90 L/h左右。試驗期內(nèi)冷凝水水質(zhì)清澈,冷凝水部分指標見表10。

表10 2#-1、2#-2、2#-3冷凝水部分指標檢測結(jié)果

試驗運行20 d,試驗期內(nèi)共處理蒸發(fā)池廢水約35 m3,累計耗電量約3 069 kW·h(不含蒸汽發(fā)生器),最終剩余含固母液約600 L,減容率約98%。對含固母液進行離心分離,得到少量結(jié)晶鹽,剩余母液排回蒸發(fā)池。對結(jié)晶鹽進行X射線熒光分析及質(zhì)譜測定,結(jié)果見表11。結(jié)晶鹽主要成分為氯化鈉、硫酸鈉,并含有少量鎂、鈾及其他雜質(zhì)。其中,鈾質(zhì)量分數(shù)為0.11 mg/g,放射性水平較低。建議將結(jié)晶鹽裝入廢物桶貯存,待礦山退役治理時一并處置。

表11 結(jié)晶鹽檢測結(jié)果

3.6 能耗分析及經(jīng)濟評價

噸水用電88 kW·h、需要消泡劑0.1～0.2 L,以電價0.5～0.6元/(kW·h)、藥劑單價20元/L計,MVR處理每噸廢水的運行費用為46～57元。本試驗運行費用與其他行業(yè)(如:化工、醫(yī)藥、印染、食品等[11])采用MVR技術(shù)處理含鹽廢水的噸水運行費用(約40～50元)相近。

4 結(jié)論

采用MVR技術(shù)處理中性地浸采鈾礦山蒸發(fā)池廢水,技術(shù)可行,產(chǎn)生的冷凝水可達標排放或回用,減容率達95%。

原水pH及離子濃度對蒸發(fā)量及蒸發(fā)效果基本無影響,蒸發(fā)結(jié)晶器壓力和溫度分別在0.07 MPa、90 ℃時,蒸發(fā)效果最好;壓縮機出口壓力在0.10～0.11 MPa時,耗電量最低;噸水處理費用約為46～57元。

MVR蒸發(fā)產(chǎn)生的冷凝水,U、226Ra滿足《鈾礦冶輻射防護和輻射環(huán)境保護規(guī)定》(GB 23727—2020)排放限值,總α放射性、總β放射性滿足《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)要求,pH、CODMn、NH3-N、TP、F-及重金屬等均達到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)的三類水標準限值,冷凝水可回用于生產(chǎn)。