某鈾礦含氟礦井水處理工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行分析

張 羽,陳偉山,楊彥虎

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司,河北 石家莊 050021)

由于某鈾礦礦石具有螢石含量高的特性,礦井水中除放射性元素鈾超標(biāo)外,非放射性元素氟也存在超標(biāo)現(xiàn)象。鈾礦冶企業(yè)須將礦井廢水處理達(dá)標(biāo)后排放。如直接采用化學(xué)或物理方法從該體系中除氟,存在鈾元素被沉淀或吸附等情況,無(wú)法實(shí)現(xiàn)鈾資源的充分回收。因此,在處理工藝中先采用離子交換法吸附鈾,對(duì)吸附尾液再進(jìn)行氟元素的處理,保證鈾的回收利用,最大限度實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。由于離子交換法除鈾工藝在鈾礦冶企業(yè)應(yīng)用較為成熟,所以筆者重點(diǎn)對(duì)某鈾礦礦井水除氟工藝的方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及運(yùn)行管理等進(jìn)行分析。

1 礦井水除氟工藝設(shè)計(jì)

1.1 水質(zhì)分析

某鈾礦床地下水水質(zhì)類型主要為HCO3-Ca·Na型,HCO3-SO4-Na和SO4-HCO3-Ca·Mg型水次之,浸蝕性CO2質(zhì)量濃度為5.29～25.43 mg/L。在構(gòu)造帶和變質(zhì)巖地下水中Ca2+、Mg2+增高,巖漿巖地下水中K+、Na+增高。地下水的礦化度為0.05～0.17 g/L,屬低礦化、弱酸性至中性水。礦床開(kāi)采期間,地下水的鈾質(zhì)量濃度達(dá)1.42～3.84 mg/L。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》判定,地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)均具有弱腐蝕性。

礦井水經(jīng)密實(shí)固定床離子交換工藝吸附除鈾后再進(jìn)入除氟工藝處理設(shè)施[1]。礦井水主要組分和排放限值(《鈾礦冶輻射防護(hù)和輻射環(huán)境保護(hù)規(guī)定》和《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn))見(jiàn)表1?？梢钥闯?礦井水經(jīng)過(guò)離子交換除鈾后,除氟質(zhì)量濃度和pH超標(biāo)外,其余污染物組分均滿足排放限值要求。

表1 礦井水主要污染物組分及排放限值Table 1 Main pollutant components and emission limits of the mine water

1.2 除氟工藝選擇

目前,應(yīng)用比較普遍的含氟廢水處理技術(shù)主要有化學(xué)沉淀法、混凝沉淀法、吸附法等,其中化學(xué)沉淀法主要用于處理高濃度含氟廢水,存在氟離子難以達(dá)標(biāo)排放的問(wèn)題,需要和其他方法聯(lián)合使用;吸附法適用于處理低濃度含氟廢水,但需要特定設(shè)備且吸附劑再生頻繁,成本較高[2]。離子交換法、膜分離法、電凝聚法等應(yīng)用相對(duì)較少,其中離子交換法也存在樹(shù)脂再生問(wèn)題,且再生過(guò)程容易造成氟離子二次污染;膜分離法處理效果好,不引入雜質(zhì)離子,但運(yùn)行成本高,存在濃鹽水后處理問(wèn)題,操作管理較復(fù)雜;電凝聚法存在電極鈍化,不易清理,專業(yè)維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題[3]。

該礦井水氟離子平均質(zhì)量濃度為22.01 mg/L,屬于低濃度含氟廢水?；炷恋矸捎糜谔幚淼蜐舛群鷱U水,廢水與絮凝劑混合后形成絮體,通過(guò)吸附、配合、離子交換等作用將氟去除[4]126。混凝沉淀法設(shè)備簡(jiǎn)單,操作管理簡(jiǎn)便,較為適合該鈾礦含氟礦井水的水質(zhì)特點(diǎn)和運(yùn)行管理水平。因此,礦井水除氟處理工藝采用混凝沉淀法,工藝流程見(jiàn)圖1。

1—提升泵;2—靜態(tài)混合器;3—垂直軸槳葉攪拌機(jī);4—桁車式吸泥機(jī);5—中心傳動(dòng)濃縮機(jī);6—自動(dòng)廂式壓濾機(jī);7—污泥泵;8—電動(dòng)葫蘆;9—NaOH加藥裝置;10—PAC加藥裝置;11—PAM加藥裝置;a—礦井水;b—污泥;c—污泥上清液。圖1 礦井水除氟工藝流程示意圖Fig. 1 Schematic diagram of mine water defluorination process

1.3 除氟藥劑選用

當(dāng)采用聚合氯化鋁(PAC)絮凝除氟時(shí),在氟離子質(zhì)量濃度低于100 mg/L條件下,對(duì)廢水的處理效果好。此外,聚丙烯酰胺(PAM)作為助凝劑,可以充分發(fā)揮其吸附架橋作用,促進(jìn)絮凝體快速形成,并使沉淀速度加快[4]128。因此,除氟工藝的絮凝劑和助凝劑分別選用PAC和PAM。

1.4 主要構(gòu)筑物、設(shè)備選型及控制

鈾礦山礦井水處理設(shè)施使用年限較長(zhǎng),即使礦井退役后,礦井水仍在不斷外排,如采用一體化處理設(shè)備(多為碳鋼材質(zhì)),在南方潮濕氣候下容易腐蝕老化。因此,主要處理構(gòu)筑物采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),在構(gòu)筑物內(nèi)壁襯環(huán)氧樹(shù)脂防腐。

某鈾礦井在礦床開(kāi)采期間,正常排水量約為2 382 m3/d,最大排水量約為3 179 m3/d。礦井水處理規(guī)模按最大排水量考慮,設(shè)計(jì)處理量Q=3 200 m3/d=0.037 m3/s。

1.4.1 調(diào)節(jié)池

礦井水經(jīng)離子交換塔除鈾后進(jìn)入調(diào)節(jié)池,調(diào)節(jié)池水力停留時(shí)間6 h,總有效容積為800 m3。根據(jù)地形條件,其規(guī)格為20 m×12 m×4 m(長(zhǎng)×寬×深)。調(diào)節(jié)池采用半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),內(nèi)設(shè)2臺(tái)提升泵。

1.4.2 混合設(shè)施

管式靜態(tài)混合器構(gòu)造簡(jiǎn)單,不需外加動(dòng)力設(shè)備,安裝及維護(hù)管理方便,且不需另建混合池,節(jié)省占地面積[5]。蜂窩狀高頻旋流混合器是1種新型管式混合器(圖2),它在特制圓管內(nèi)串聯(lián)安裝多道環(huán)狀A(yù)BS混合內(nèi)芯,混合內(nèi)芯前端裝有分流帽;通過(guò)分流帽和蜂窩內(nèi)芯多單元多級(jí)折轉(zhuǎn)水流方向,形成水流高頻次微渦旋并打破跟隨效應(yīng),使藥劑與水流迅速混合均勻,從而達(dá)到快速水解、聚合及顆粒脫穩(wěn)的目的。本研究混合設(shè)施選用高頻旋流混合器。本工藝選用蜂窩狀高頻旋流混合器,管徑(d)=225 mm,長(zhǎng)(L)=3 m。以下對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

1—分流帽;2—ABS混合內(nèi)芯;3—固定法蘭;4—加藥口;5—目鏡;6—特制圓管;7—可伸縮法蘭。圖2 蜂窩狀高頻旋流混合器構(gòu)造示意圖Fig. 2 Structure diagram of honeycomb high frequency cyclone mixer

1.4.2.1 總水頭損失計(jì)算

管道截面積(S)計(jì)算:

管道流速(v)計(jì)算:

分流帽處流速(v帽)計(jì)算:

分流帽處局部水頭損失(h帽)計(jì)算:

混合內(nèi)芯流速(v內(nèi)芯)計(jì)算:

混合內(nèi)芯水頭損失(h內(nèi)芯)計(jì)算:

混合器沿程水頭損失(h1)計(jì)算:

混合器總水頭損失(h總)計(jì)算:

h總=h1+n(h帽+h內(nèi)芯)=0.021+3(0.044+

0.174)=0.675 m>0.5 m;

式中:K1—分流帽與管道斷面面積比,K1=30%;ξ1—分流帽處局部水頭損失系數(shù),取0.5;β—混合內(nèi)芯等效開(kāi)孔比,取0.5;ξ2—蜂窩混合內(nèi)芯處局部水頭損失系數(shù),取1.0;L—管式混合器總長(zhǎng)度,取3 m;n—串聯(lián)放置的混合內(nèi)芯個(gè)數(shù),取3;i—水力坡降(m/m),查管道水力計(jì)算表可知,在Q=0.037 m3/s、d=225 mm時(shí),水力坡降1 000i=6.84[7]350。由于單個(gè)混合內(nèi)芯有效容積占整個(gè)管道混合器的比例很小,所以混合內(nèi)芯對(duì)沿程水頭損失的影響可忽略不計(jì)。

1.4.2.2 混合時(shí)間計(jì)算

管道混合器的總體積(V總)計(jì)算:

V總=S·L=0.04×3=0.12 m3;

單個(gè)混合內(nèi)芯有效容積(V芯)計(jì)算:

V芯=S·L1·K2=0.04×0.18×10%=0.000 72 m3;

管道混合器有效容積(V有效)計(jì)算:

V有效=V總-nV芯=0.12-3×0.000 72=0.118 m3;

混合時(shí)間(t)計(jì)算:

t=V有效/Q=0.118/0.037=3.2 s>3.0 s

式中:L1—單個(gè)管道混合器內(nèi)芯長(zhǎng)度,取0.18 m;K2—單個(gè)管道混合器內(nèi)芯的有效容積占比,取10%;n—串聯(lián)放置的混合內(nèi)芯個(gè)數(shù),取3。

通過(guò)計(jì)算可知,主要設(shè)計(jì)參數(shù)滿足水流通過(guò)混合器的總水頭損失(h總)不小于0.5 m、混合時(shí)間(t)不小于3 s的要求[6]25。管式靜態(tài)混合器與其他混合設(shè)施相比,雖然其水頭損失較大,但因混合效果好,總體上具有一定優(yōu)勢(shì)[8]。

1.4.3 絮凝反應(yīng)池

絮凝反應(yīng)池采用3格串聯(lián),每格設(shè)1臺(tái)攪拌機(jī),攪拌強(qiáng)度由大到小。絮凝池隔墻過(guò)水孔上下交錯(cuò)布置,使水流分布均勻。每格池壁四周設(shè)4塊固定擋板,增強(qiáng)水流紊動(dòng)。攪拌軸及葉輪等設(shè)備均考慮防腐。

1.4.3.1 絮凝反應(yīng)池池體

除氟礦井水經(jīng)管道混合器與藥劑充分混合后,進(jìn)入絮凝反應(yīng)池,絮凝時(shí)間(T)=20 min,有效容積(V)=44 m3,平均分成3格,每格尺寸l0×b0×h0=2.0 m×2.0 m×4.0 m(長(zhǎng)×寬×深),有效水深(h)=3.7 m,單格有效容積(V1)=2.0 m×2.0 m×3.7 m=14.81 m3,采用半地下混凝土結(jié)構(gòu)。

1.4.3.2 絮凝池?cái)嚢柙O(shè)備

葉輪直徑(D)=1.60 m,取池寬的80%;葉輪槳板中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)直徑(D0)=[(800-350)/2.0+350]×2.0/1 000=1.15 m;單個(gè)槳板長(zhǎng)(l1)×寬(b1)為1.2 m×0.10 m,l1/D=1.2/1.6=0.75,滿足長(zhǎng)徑比不大于0.75的要求[5]519。每根軸上槳板數(shù)(n1)=8個(gè),內(nèi)側(cè)、外側(cè)各4個(gè)。每格池壁上固定擋板數(shù)(n2)=4個(gè),每個(gè)擋板長(zhǎng)(l2)×寬(b2)=1.0 m×0.18 m(圖3)。

過(guò)水?dāng)嗝婷娣e(A0)=l0×h=2.0 m×3.7 m=7.4 m2,旋轉(zhuǎn)槳板總面積與過(guò)水?dāng)嗝婷娣e之比(m1)為

固定擋板總面積與絮凝池過(guò)水?dāng)嗝娣e之比(m2)為

旋轉(zhuǎn)槳板與固定擋板總面積占過(guò)水?dāng)嗝娣e之比(m)為

m=m1+m2=13.0%+9.7%=22.7%。

計(jì)算表明,滿足m<25%的要求[5]519。

1.4.3.3 每格攪拌器功率及速度梯度計(jì)算

機(jī)械絮凝池線速度宜自第一級(jí)的0.5 m/s逐漸變小至末級(jí)的0.2 m/s,分別取第1、2、3格葉輪槳板中心點(diǎn)的線速度v1=0.5 m/s、v2=0.35 m/s、v3=0.2 m/s[9]。第1格葉輪轉(zhuǎn)數(shù)和葉輪旋轉(zhuǎn)角速度計(jì)算公式為[5]520-523

表2 絮凝池每格葉輪主要指標(biāo)Table 2 Main indexes of impeller in each grid of flocculation tank

1.4.3.4 平均速度梯度及驗(yàn)證

絮凝反應(yīng)池平均速度梯度計(jì)算公式為[5]520-524

GT=52×20×60=6.24×104,

式中:N0—絮凝池所耗總功率,kW;η1—攪拌器機(jī)械總效率,取0.75;η2—傳動(dòng)效率,取0.7;N—電動(dòng)機(jī)功率,kW;μ—?jiǎng)恿︷ざ?按水溫20 ℃計(jì),取102×10-6kg·s/m2;G—絮凝反應(yīng)池平均速度梯度,s-1;T—絮凝時(shí)間,min。

絮凝效果不僅與G有關(guān),還與絮凝時(shí)間有關(guān),通常控制平均G在20～70 s-1,平均GT值在1×104～1×105[8]269,經(jīng)核算G和GT值均滿足要求。攪拌設(shè)備選用3臺(tái)LFJ-160型立式攪拌機(jī),裝機(jī)功率分別為0.37、0.25、0.18 kW,采用齒輪式擺線針輪減速裝置,可設(shè)置多檔轉(zhuǎn)速。由于實(shí)際工況較復(fù)雜,選用的攪拌機(jī)功率比理論計(jì)算值大,可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速以適應(yīng)水質(zhì)變化,達(dá)到最佳處理效果。

1.4.4 斜管沉淀池

斜管沉淀池具有沉淀效率高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn),可大幅度降低雷諾數(shù),水流基本屬層流狀態(tài),因此,沉淀工藝采用斜管沉淀池[8]305。

斜管沉淀池液面負(fù)荷(u0)=3.6 m3/(m2·h),斜管材料采用塑料片熱壓六邊形蜂窩管,斜管長(zhǎng)度(l斜)=1.0 m。

斜管沉淀池清水區(qū)面積(A)計(jì)算:

A=Q/v清=0.037/(1/1 000)=37 m2;

清水區(qū)實(shí)際需要面積(A1)計(jì)算:

A1=A×1.05=37×1.05=38.85 m2

斜管內(nèi)流速(v管內(nèi))計(jì)算:

v管內(nèi)=v清/sinθ=1.0/sin60°=0.115 cm/s;

水力半徑(R)計(jì)算:

R=d/4=30/4=0.75 cm;

雷諾數(shù)(Re)計(jì)算:

式中:v清—清水區(qū)上升流速,通過(guò)液面負(fù)荷計(jì)算得出v清=1.0 mm/s;θ—斜管水平傾角取60°;d—斜管內(nèi)切圓直徑為30 mm;ν—運(yùn)動(dòng)黏度(水溫t=20 ℃時(shí),ν=0.01 cm2/s);斜管結(jié)構(gòu)占用面積按5%計(jì)。

雷諾數(shù)是判斷沉淀效果的重要指標(biāo),經(jīng)核算斜管內(nèi)雷諾數(shù)<100[5]537,符合設(shè)計(jì)要求。斜管沉淀池尺寸為8.6 m×4.6 m×4.0 m,有效水深3.6 m,沉淀時(shí)間14 min。斜管沉淀池與絮凝沉淀池合建,一端通過(guò)穿孔花墻向沉淀池進(jìn)水,另一端通過(guò)集水槽出水。

斜管沉淀池采用HJX-9型桁車式吸泥機(jī),泵吸式排泥,采用機(jī)械排泥方式,可充分發(fā)揮沉淀池的容積利用率[10]。通過(guò)桁車往復(fù)行走吸排池底污泥,不擾動(dòng)水體,排泥可靠。

1.4.5 污泥濃縮池

污泥濃縮池液面負(fù)荷取0.2 m3/(m2·h),設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間25 h,濃縮池尺寸為φ9.0 m×4.0 m,有效水深為3.7 m。采用地上式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),選用1臺(tái)NZ-9型中心傳動(dòng)濃縮機(jī),對(duì)斜管沉淀池排出的污泥進(jìn)行濃縮,進(jìn)一步分離污泥中的間隙水,以減少污泥體積,提高污泥濃度[11]。

1.4.6 自動(dòng)廂式壓濾機(jī)

壓濾機(jī)處理能力為18 kg/(m2·h),過(guò)濾周期按1 h設(shè)計(jì),每天3班,每班1次,選用2臺(tái)XMZ100/1000-UB自動(dòng)廂式壓濾機(jī),每臺(tái)過(guò)濾面積100 m2,濾室容積1.51 m3。自動(dòng)廂式壓濾時(shí)作用于泥餅兩側(cè)的壓力差比真空過(guò)濾時(shí)大,能將含水率從97%～98%降到75%,體積縮小到脫水前的1/8～1/12,出料含水率低,濾餅便于運(yùn)輸和處理[12]。

自動(dòng)廂式壓濾機(jī)可自動(dòng)卸料、組裝、自動(dòng)洗刷濾布,運(yùn)行效率高。濾板材質(zhì)為TPE彈性體無(wú)堿玻纖聚丙烯,濾板耐高溫高壓、防腐密封好。壓濾產(chǎn)生的污泥運(yùn)至尾渣庫(kù)填埋處置。

1.4.7 加藥裝置

PAC及PAM投加裝置均選用JY-Ⅲ型自動(dòng)加藥裝置,各1套,計(jì)量泵投加量為30～390 L/h,溶解槽容積為1 000 L,溶液槽容積為2 000 L。

NaOH投加裝置選用JYB型玻璃鋼液體攪拌機(jī)1套,計(jì)量泵投加量為0～20 L/h;溶液槽容積700 L,材質(zhì)為玻璃鋼。

1.4.8 輔助用房

輔助用房采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),加藥間、值班控制室和污泥脫水間合建。加藥間和值班控制室設(shè)在一層,加藥裝置并排布置在加藥間內(nèi),藥劑存放在儲(chǔ)藥間內(nèi),在加藥間四周設(shè)圍墻。污泥脫水間為局部二層,自動(dòng)廂式壓濾機(jī)布置在二層,設(shè)置電動(dòng)葫蘆方便檢修;一層為出渣區(qū),壓濾機(jī)自動(dòng)拉板卸料,濾餅直接落入車中。在脫水間二層設(shè)有圍欄;脫水間為敞開(kāi)式結(jié)構(gòu),采用自然通風(fēng)。

2 運(yùn)行控制及監(jiān)測(cè)

采用PLC系統(tǒng)對(duì)礦井水除氟設(shè)施主要工藝過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,將主要設(shè)備運(yùn)行情況、故障報(bào)警信號(hào)及各項(xiàng)監(jiān)測(cè)儀表數(shù)據(jù)傳至值班控制室,便于值班人員根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及報(bào)警信號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作管理。

礦井水調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)液位監(jiān)測(cè)裝置,通過(guò)設(shè)置高低液位信號(hào)自動(dòng)控制礦井水提升泵啟停;在礦井水調(diào)節(jié)池進(jìn)水位置設(shè)置在線pH監(jiān)測(cè)裝置和在線氟離子監(jiān)測(cè)裝置,根據(jù)pH監(jiān)測(cè)值對(duì)NaOH投加量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。由于礦井水水質(zhì)和水量隨季節(jié)變化明顯,但在每個(gè)季節(jié)周期內(nèi)水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定,因此可根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)定期調(diào)控PAC及PAM的投加量。

在絮凝池進(jìn)水管上設(shè)置電磁流量計(jì)和水力開(kāi)關(guān),水力開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖控制PAC加藥裝置計(jì)量泵啟停,同時(shí)通過(guò)時(shí)間延遲信號(hào)聯(lián)鎖控制PAM加藥裝置啟停。在絮凝池第2格設(shè)置在線pH監(jiān)測(cè)裝置。

在斜管沉淀池內(nèi)設(shè)置泥位計(jì),根據(jù)污泥液位控制桁車式吸泥機(jī)的啟停;在沉淀池出水區(qū)設(shè)置在線氟離子監(jiān)測(cè)裝置和pH監(jiān)測(cè)裝置,監(jiān)測(cè)出水水質(zhì)情況。在重力濃縮池內(nèi)設(shè)置泥位計(jì),根據(jù)污泥液位自動(dòng)控制污泥輸送泵的啟停。

3 處理費(fèi)用分析

礦井水除氟設(shè)施處理費(fèi)用主要包括外購(gòu)原材料、動(dòng)力費(fèi)、職工薪酬、固定資產(chǎn)折舊費(fèi)、修理費(fèi)等(表3)。根據(jù)投入運(yùn)行首年成本費(fèi)用計(jì)算,礦井水除氟設(shè)施處理費(fèi)用為2.14元/m3,其中PAC藥劑費(fèi)用占處理費(fèi)用的43%,動(dòng)力費(fèi)占24%。

表3 噸水處理費(fèi)用分析Table 3 Cost analysis of the water treatment per ton

4 運(yùn)行效果分析

本工程的首年運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,出水氟離子濃度滿足排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求(表4)。

表4 除氟出水主要污染物組分Table 4 Main pollutant components of mine water after fluoride removal

5 結(jié)論

1)混凝沉淀法處理含氟礦井水工藝簡(jiǎn)單,操作管理簡(jiǎn)便,維護(hù)管理成本較低。將礦井水pH控制在6.5～7.5時(shí),絮凝除氟反應(yīng)效果最好。

2)為保證混合和絮凝反應(yīng)過(guò)程中的最佳水力條件,礦井水提升泵要求采用工頻泵,以保證平均流量基本穩(wěn)定。運(yùn)行過(guò)程中可以根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)變化,適當(dāng)調(diào)節(jié)絮凝槳葉攪拌轉(zhuǎn)速,保證反應(yīng)效果。

3)斜管沉淀池液面負(fù)荷基本控制在3.6 m3/(m2·h),適當(dāng)延長(zhǎng)沉淀時(shí)間,降低雷諾數(shù),可提高出水水質(zhì)。