某銻礦采選廠尾礦廢水處理工藝設(shè)計

唐 沙

(湖南博世科環(huán)?？萍加邢薰?，湖南 長沙 418000)

湖南某銻礦廠設(shè)計采用上向水平分層充填采礦法，選礦采用浮選法，設(shè)計年采選銻礦30000 t，年產(chǎn)銻精礦2200 t。該銻礦采選廠產(chǎn)生的廢水主要包含采礦礦井廢水、選礦工藝廢水及尾礦廢水。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該銻礦采選廠的采礦礦井廢水、選礦工藝廢水與尾礦槳一起輸送到尾礦庫，經(jīng)過尾礦庫的自然澄清后，尾礦廢水從尾礦壩底排水口流出。由于尾礦廢水中含銻(Sb)、砷(As)等重金屬污染物，未經(jīng)處理外排，會對附近地表水及地下水造成污染，進而影響周邊居民的安全飲水，而長期攝入銻、砷重金屬可引發(fā)癌癥、心肌萎縮、動脈硬化、人體免疫系統(tǒng)削弱，嚴(yán)重影響人體健康，因此，尾礦廢水需經(jīng)過處理達標(biāo)后方可外排。

1 設(shè)計規(guī)模與水質(zhì)

1.1 設(shè)計規(guī)模

廢水設(shè)計規(guī)模1200 m3/d，24 h連續(xù)運行，每小時處理量50 m3/h。

1.2 設(shè)計水質(zhì)

經(jīng)過調(diào)研附近同類型礦廠尾礦廢水水質(zhì)，并同時對該尾礦廢水進行連續(xù)7天取樣檢測，各污染物濃度如表1所示。

表1 實測進水水質(zhì)及同類型尾礦廢水進水水質(zhì)

經(jīng)過類似尾礦廢水水質(zhì)及實測廢水水質(zhì)分析，可確定該尾礦廢水設(shè)計進水水質(zhì)。尾礦廢水經(jīng)過廢水站處理之后，出水執(zhí)行《錫、銻、汞工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB30770-2014)中表2直接排放限值。設(shè)計進出水水質(zhì)如表2所示。

表2 設(shè)計進出水水質(zhì)

2 工藝比選

目前處理含銻、砷廢水的方法主要有化學(xué)沉淀法、吸附法、鐵氧體法、生物制劑法、離子交換法等。

2.1 化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法的原理是通過投加某種化學(xué)藥劑與廢水中的Sb、As等重金屬生成難溶物質(zhì)，經(jīng)沉淀得以分離去除。常用的化學(xué)藥劑有硫化劑、鐵鹽、石灰等。對于Sb、As含量較高的酸性廢水，采用硫化沉池法可去除廢水中約99%以上的Sb、As，形成以Sb2S5、As2S5為主的難溶硫化物廢渣，有利于Sb、As的回收利用[1-2]，但該方法不適用于污水中的微量Sb、As的去除，只適用于對工業(yè)生產(chǎn)的高含量Sb、As污水初步除Sb、As。鐵鹽、石灰沉淀法是通過投加鐵鹽、石灰與廢水中Sb、As生成難溶的FeAsO4、CaAsO4、FeSbO4、CaSbO4并通過沉淀分離的方法[3]，該方法應(yīng)用廣泛，效果優(yōu)良?；瘜W(xué)沉淀法后面通常會輔助使用混凝沉淀法，通過混凝劑吸附架橋作用，使廢水中的Sb、As達標(biāo)排放。

2.2 吸附法

吸附法是采用具有多孔與大比表面積的吸附質(zhì)，通過靜電引力、范德華力或化學(xué)鍵力等作用力吸附廢水中的重金屬離子及有機物并使其去除的方法，吸附法同時兼具脫色除臭的功能。吸附法效率高、操作簡單、資源節(jié)約、原材料易得、對金屬離子的吸附選擇性好、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，在重金屬廢水處理中得到廣泛應(yīng)用[4]。但是吸附重金屬后的吸附劑通常屬于危險固廢，處理較困難，成本較高。

2.3 鐵氧體法

鐵氧體法是日本電氣公司研究出來的一種從廢水中除去重金屬并制取高級磁性材料超性鐵氧體的工藝技術(shù)。在重金屬廢水中投加鐵鹽，通過控制投加比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)pH值等工藝參數(shù)，使廢水中的各種重金屬離子形成不溶性的鐵氧體晶粒。廢水中Fe3+∶Fe2+=2∶1，pH值為8～9時，便可形成理想鐵氧體，若廢水中存在其他重金屬離子時，這些重金屬離子就取代晶格中的Fe2+位置，形成多種多樣的鐵氧體。Sb、As屬于兩性物質(zhì)，具有金屬和非金屬性質(zhì)，同樣可以用鐵氧體法處理[5]。鐵氧體法形成的沉淀顆粒大，便于分離，且顆粒不會再溶解，去除效果較好，無二次污染。但是鐵氧體法在應(yīng)用中需進行升溫至60 ℃及以上，存在操作較為復(fù)雜，處理成本較高等問題。

2.4 生物制劑法

生物制劑是從自然界中篩選的優(yōu)勢菌種或通過基因組合技術(shù)生產(chǎn)出的高效菌種，采用先進的生物技術(shù)和特殊的生產(chǎn)工藝制成的高效生物活性菌劑，生物制劑含有大量羥基、巰基、羧基、氨基等功能基團組，可與廢水中的重金屬離子結(jié)合形成生物配合體而實現(xiàn)重金屬深度脫除[5-6]。重金屬廢水生物制劑法可解決目前化學(xué)藥劑難以同時深度凈化多金屬離子的缺陷，生物制劑深度處理與回用技術(shù)可同時實現(xiàn)對鎘、砷、鉛、鋅、汞、銅等重金屬離子的高效去除，同時兼有高效絮凝、協(xié)同脫鈣等作用。

2.5 離子交換法

離子交換的實質(zhì)是不溶性離子交換劑上的可交換離子與溶液中的其他同性離子的交換反應(yīng)，是一種特殊的吸附過程，通常是可逆性化學(xué)吸附。廢水中重金屬離子基本上是以離子狀態(tài)存在，用離子交換法處理能有效地除去和回收廢水中的重金屬離子[7]，具有處理容量大，出水水質(zhì)好，能回收水等特點而得以應(yīng)用。離子交換常常要求廢水處理物濃度不宜太高，具有交換樹脂需要頻繁地再生，操作費用高等缺點，有的還存在樹脂中毒和老化等問題。

通過對上述重金屬去除工藝的分析，并結(jié)合本項目尾礦廢水實際情況，設(shè)計采用鐵鹽石灰化學(xué)沉淀的主體工藝。鑒于尾礦廢水中同時存在Sb3+、As3+與Sb5+、As5+，而Sb3+、As3+毒性大，且不易于沉淀分離，則在化學(xué)反應(yīng)前進行曝氣氧化處理，將Sb3+、As3+充分氧化為Sb5+、As5+。鐵鹽在反應(yīng)中不僅發(fā)揮化學(xué)沉淀藥劑的作用，在堿性條件下還可水解成混凝劑Fe(OH)3，通過混凝劑的吸附架橋作用，可將更細(xì)微的重金屬沉淀物去除。為了保障化學(xué)沉淀的充分性，設(shè)計采用兩段沉淀法，通過控制每段反應(yīng)的pH值，使廢水中的各種重金屬離子得以充分去除。另外，為了進一步保障出水能夠達標(biāo)排放，在末端設(shè)計砂濾工藝，同時設(shè)計超越管道系統(tǒng)，以實現(xiàn)不同工況下采用不同的運行方式，保證出水達標(biāo)并節(jié)省運行費用。

3 工藝設(shè)計

3.1 工藝流程圖

尾礦廢水采用“兩段鐵鹽石灰化學(xué)沉淀+砂濾”的主體工藝，污水處理工藝流程圖如圖1所示。

圖1 污水處理工藝流程圖

3.2 工藝流程說明

尾礦廢水自尾礦庫排水口通過渠道連接進入截流井(截流井可截流旱季全部廢水，雨期時廢水可由截流井溢流至初期雨水池)，然后提升至沉砂調(diào)節(jié)池，沉砂池可去除較重的砂粒物，可有效減輕對后續(xù)設(shè)備管道的沖擊，調(diào)節(jié)池可起均質(zhì)均量作用，調(diào)節(jié)池底部設(shè)置預(yù)曝氣系統(tǒng)，充分氧化廢水中的正三價高毒性Sb3+、As3+為正五價低毒性Sb5+、As5+。其后廢水提升至兩段化學(xué)沉淀池，依次經(jīng)過氧化、中和、絮凝、沉淀，將廢水中的有害重金屬離子去除，在氧化反應(yīng)池與中和反應(yīng)池分別投加亞鐵鹽和石灰，第一段控制pH為7～8，反應(yīng)時間1 h，第二段控制pH為9～10，反應(yīng)時間1 h。經(jīng)過兩段化學(xué)沉淀后的廢水自流進入pH回調(diào)池，調(diào)節(jié)pH為6～9，再將廢水提升至砂濾器進一步過濾去除細(xì)微的重金屬顆粒物及懸浮物SS，最后經(jīng)由巴氏計量槽達標(biāo)排放。當(dāng)廢水經(jīng)過兩段化學(xué)沉淀處理后，其重金屬污染物已達到排放要求時，可直接超越至巴氏計量槽排放。沉淀池產(chǎn)生的化學(xué)污泥經(jīng)過污泥濃縮池重力濃縮，降低污泥的含水率，再泵入板框壓濾機進一步脫水至含水率70%以下，干泥委托有資質(zhì)單位定期外運處置。

3.3 主要構(gòu)筑物及設(shè)計參數(shù)

(1)截流提升泵池：1座，尺寸L×B×H=8.90×5.60×4.20 m，配置過水閘門1臺，規(guī)格B×H=500×500 mm，功率1.5 kW；潛水提升泵2臺(1用1備)，流量50 m3/h，揚程8 m，功率2.2 kW。

(2)初期雨水池：有效容積1000 m3，1座，尺寸L×B×H=30.00×10.00×4.00 m，配置回用水泵2臺(1用1備)，流量50 m3/h，揚程40 m，功率15 kW。

(3)沉砂調(diào)節(jié)池：1座，尺寸L×B×H=14.10×8.60×4.80 m，配置砂水分離器1臺，處理能力5～12 L/s，功率0.37 kW；吸砂泵2臺(1臺冷備)，流量5 m3/h，揚程10 m，功率0.55 kW；調(diào)節(jié)池提升泵3臺(2用1備)，流量25 m3/h，揚程15 m，功率2.2 kW。

(4)兩段反應(yīng)與沉淀池：1座，分2組并聯(lián)設(shè)計，尺寸L×B×H=20.00×10.90×5.50 m，配置協(xié)管填料100 m2，規(guī)格?100×870 mm；立式排污泵5臺(1臺冷備)，流量50 m3/h，揚程10 m，功率3.0 kW。

(5)砂濾及出水計量池：1座，清水池L×B×H=2.60×3.10×4.50 m，計量池L×B×H=6.70×1.00×1.00 m，配置砂濾器3臺，尺寸?2.00×3.80 m，正常濾速5 m/h，強制濾速8 m/h，濾料粒徑0.8～1.2 mm，高2 m，承托層粒徑2～4 mm，高0.2 m，水洗強度8 L/m2·s，氣洗強度20 L/m2·s；砂濾器進水泵3臺(2用1備)，流量25 m3/h，揚程15 m，功率2.2 kW；反洗水泵2臺(1用1備)，流量150 m3/h，揚程20 m，功率15 kW；反洗風(fēng)機2臺(1用1備)，風(fēng)量3.75 m3/min，風(fēng)壓0.5 kPa，功率5.5 kW；巴氏計量槽1臺，喉道寬度76 mm。

(6)污泥濃縮池：1座，尺寸?4.00×3.00 m，干泥量0.45 t/d，進泥含水率98.5%，出泥含水率97%，配置攪拌機1臺，懸掛式中心傳動濃縮機，直徑4.0 m，外緣線速度1～2 m/min，功率0.75 kW；壓濾機進泥泵2臺(1用1備)，污泥螺桿泵，流量8 m3/h，揚程60 m，功率3.0 kW。

(7)污泥脫水綜合間：1座，包含污泥脫水、加藥、配電間、風(fēng)機房等。處理污泥量15 m3/d，進泥含水率97%，出泥含水率70%，日產(chǎn)絕干污泥0.45 t/d，日產(chǎn)脫水污泥1.5 m3/d。設(shè)污泥脫水機1臺，板框壓濾機，有效過濾面積40 m2，濾板規(guī)格870×870 mm，濾板數(shù)量37塊，干泥處理量≥0.25 tDS/次，每次過濾周期4 h/次，脫水泥餅含固率70%，功率2.2 kW；干污泥暫存儲罐10個，容積1 m3/個；石灰乳投加系統(tǒng)1套，含石灰料倉1臺，容積20 m3，尺寸?2.40×7.10 m，無軸螺旋輸送機1臺，規(guī)格螺旋外徑220 mm，輸送長度10 m，傾斜角度20°，轉(zhuǎn)速18 r/min，功率1.1 kW，粉料投加裝置1臺，輸送量0～1 m3/h，功率0.75 kW，石灰乳液箱1臺，有效容積3 m3，尺寸?1.50×2.50 m，配備頂進漿葉式攪拌機1臺，功率0.55 kW；亞鐵鹽加藥裝置1套，容積1.0 m3，尺寸?1.0×1.5 m，配備頂進漿葉式攪拌機1臺，功率0.1 kW，配備計量泵2臺(1用1備)，流量100 L/h，揚程0.5 MPa，功率0.18 kW；硫酸加藥裝置1套，儲藥罐1臺，容積1.0 m3，尺寸?1.0×1.5 m，配備計量泵2臺(1用1備)，流量100 L/h，揚程0.5 MPa，功率0.18 kW；PAM加藥裝置2套，藥劑制備能力1000 L/h(濃度0.1%)，功率(0.37+0.25×3)kW，PAM加藥泵，4臺(2用2備)，螺桿泵，流量0.8 m3/h，揚程0.6 Mpag，功率0.75 kW；曝氣風(fēng)機，2臺(1用1備)，羅茨風(fēng)機，風(fēng)量6.38 m3/min，風(fēng)壓0.5 kPa，功率11 kW。

4 工藝特點

(1)尾礦壩出口設(shè)置截流井，旱季時截流全部尾礦廢水，送至污水處理廠處理。雨季時，尾礦廢水經(jīng)由截流井溢流至初期雨水池，回用于礦廠選礦。

(2)在調(diào)節(jié)池設(shè)置預(yù)曝氣系統(tǒng)，充分氧化廢水中的正三價Sb3+、As3+高毒性重金屬離子為正五價Sb5+、As5+低毒性重金屬離子，有利于后續(xù)化學(xué)沉淀法對Sb、As的去除。

(3)采用亞鐵鹽作為除銻除砷藥劑，在曝氣反應(yīng)池中，亞鐵鹽氧化為三價鐵鹽，與銻砷結(jié)合生成沉淀物，在中和反應(yīng)池中三價鐵與氫氧根結(jié)合生成混凝劑Fe(OH)3，亞鐵鹽充當(dāng)除銻除砷藥劑與混凝劑的雙重作用，具有較好的除砷除銻效果。

(4)在工藝流程末端設(shè)置砂濾系統(tǒng)，并設(shè)超越管道系統(tǒng)，當(dāng)兩段鐵鹽石灰化學(xué)沉淀池出水重金屬不達標(biāo)時可經(jīng)過砂濾進一步過濾處理，反之，則可超越至巴氏計量渠直接排放。

(5)化學(xué)沉淀反應(yīng)，中和反應(yīng)，混凝反應(yīng)等反應(yīng)池，池子分格數(shù)量多，設(shè)計均采用曝氣攪拌混合，減少了攪拌設(shè)備的投資。

(6)沉淀池采用斜板沉淀池，可取較大的水力表面負(fù)荷，減少項目用地。

5 運行效果

該尾礦廢水站目前已進入試運行階段，通過采樣檢測及在線檢測儀表數(shù)據(jù)反饋顯示：進水Sb含量為0.22～3.85 mg/L，進水As含量為0.07～1.82 mg/L，進水SS含量為102～335 mg/L，各污染物實際進水指標(biāo)均小于設(shè)計值。出水Sb含量為0.08～0.19 mg/L，出水As含量為0.01～0.06 mg/L，出水SS含量為8～12 mg/L，各污染物實際出水濃度均低于排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，在各污染物進水濃度不超過設(shè)計進水濃度的前提下，經(jīng)廢水站處理，均能達到設(shè)計排放標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)折算，每年可削減排放Sb約1.6 t，As約0.82 t，SS約138.24 t，具有顯著的環(huán)境效益和社會效益，如表3所示。

表3 試運行進出水水質(zhì)

6 工程投資與運行成本

污水廠工程總投資為525萬元，直接工程費用為455萬元，土建費250萬元，設(shè)備購置及安裝費205萬元，土建費占比為55%，設(shè)備購置及安裝費占比為45%。直接運行費主要包含電費、藥劑費、人工費、污泥處置費等。(1)電費：系統(tǒng)裝機容量120.85 kW，工作容量81.25 kW，試運行階段實際每天平均耗電量約為1560度，以0.6元/度計，噸水電耗約為0.78元；(2)藥劑費：投加藥劑包含亞鐵鹽、石灰、PAM、硫酸等，折算噸水藥劑費約為0.45元；(3)人工費：試運行階段由礦廠工人兼職運營，后期擬配2名專職人員運營；(4)污泥處置費：脫水后的干泥屬于危險固廢，需委外定期處置。綜上，污水廠的直接運行成本約為1.23元/噸水(不計人工與污泥處置費)。

7 結(jié) 論

某銻礦采選廠尾礦廢水處理站設(shè)計采用“兩段鐵鹽石灰化學(xué)沉淀+砂濾”的主體工藝，出水可穩(wěn)定達到《錫、銻、汞工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB30770-2014)中表2直接排放限值，該工藝技術(shù)穩(wěn)定，經(jīng)濟合理，操作簡單，在同類工程具有較大參考意義。