唐 沙

(湖南博世科環(huán)保科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 418000)

湖南某銻礦廠設(shè)計(jì)采用上向水平分層充填采礦法，選礦采用浮選法，設(shè)計(jì)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(kù)，經(jīng)過(guò)尾礦庫(kù)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(huì)對(duì)附近地表水及地下水造成污染，進(jìn)而影響周邊居民的安全飲水，而長(zhǎng)期攝入銻、砷重金屬可引發(fā)癌癥、心肌萎縮、動(dòng)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(guò)處理達(dá)標(biāo)后方可外排。

1 設(shè)計(jì)規(guī)模與水質(zhì)

1.1 設(shè)計(jì)規(guī)模

廢水設(shè)計(jì)規(guī)模1200 m3/d，24 h連續(xù)運(yùn)行，每小時(shí)處理量50 m3/h。

1.2 設(shè)計(jì)水質(zhì)

經(jīng)過(guò)調(diào)研附近同類型礦廠尾礦廢水水質(zhì)，并同時(shí)對(duì)該尾礦廢水進(jìn)行連續(xù)7天取樣檢測(cè)，各污染物濃度如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)進(jìn)水水質(zhì)及同類型尾礦廢水進(jìn)水水質(zhì)

經(jīng)過(guò)類似尾礦廢水水質(zhì)及實(shí)測(cè)廢水水質(zhì)分析，可確定該尾礦廢水設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)。尾礦廢水經(jīng)過(guò)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(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)進(jìn)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(guò)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(duì)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(duì)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(guò)投加鐵鹽、石灰與廢水中Sb、As生成難溶的FeAsO4、CaAsO4、FeSbO4、CaSbO4并通過(guò)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(huì)輔助使用混凝沉淀法，通過(guò)混凝劑吸附架橋作用，使廢水中的Sb、As達(dá)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(guò)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(jī)物并使其去除的方法，吸附法同時(shí)兼具脫色除臭的功能。吸附法效率高、操作簡(jiǎn)單、資源節(jié)約、原材料易得、對(duì)金屬離子的吸附選擇性好、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在重金屬?gòu)U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(xiǎn)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(lái)的一種從廢水中除去重金屬并制取高級(jí)磁性材料超性鐵氧體的工藝技術(shù)。在重金屬?gòu)U水中投加鐵鹽，通過(guò)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(shí)，便可形成理想鐵氧體，若廢水中存在其他重金屬離子時(shí)，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(huì)再溶解，去除效果較好，無(wú)二次污染。但是鐵氧體法在應(yīng)用中需進(jìn)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(wèn)題。

2.4 生物制劑法

生物制劑是從自然界中篩選的優(yōu)勢(shì)菌種或通過(guò)基因組合技術(shù)生產(chǎn)出的高效菌種，采用先進(jìn)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(tuán)組，可與廢水中的重金屬離子結(jié)合形成生物配合體而實(shí)現(xiàn)重金屬深度脫除[5-6]。重金屬?gòu)U水生物制劑法可解決目前化學(xué)藥劑難以同時(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)鎘、砷、鉛、鋅、汞、銅等重金屬離子的高效去除，同時(shí)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(shí)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(guò)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(diǎn)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(shù)脂需要頻繁地再生，操作費(fèi)用高等缺點(diǎn)，有的還存在樹(shù)脂中毒和老化等問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)上述重金屬去除工藝的分析，并結(jié)合本項(xiàng)目尾礦廢水實(shí)際情況，設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)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(guò)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(jì)采用兩段沉淀法，通過(guò)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(jìn)一步保障出水能夠達(dá)標(biāo)排放，在末端設(shè)計(jì)砂濾工藝，同時(shí)設(shè)計(jì)超越管道系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)不同工況下采用不同的運(yùn)行方式，保證出水達(dá)標(biāo)并節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

3 工藝設(shè)計(jì)

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(shuō)明

尾礦廢水自尾礦庫(kù)排水口通過(guò)渠道連接進(jìn)入截流井(截流井可截流旱季全部廢水，雨期時(shí)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(duì)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(jià)高毒性Sb3+、As3+為正五價(jià)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(guò)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(shí)間1 h，第二段控制pH為9～10，反應(yīng)時(shí)間1 h。經(jīng)過(guò)兩段化學(xué)沉淀后的廢水自流進(jìn)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(jìn)一步過(guò)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(jì)量槽達(dá)標(biāo)排放。當(dāng)廢水經(jīng)過(guò)兩段化學(xué)沉淀處理后，其重金屬污染物已達(dá)到排放要求時(shí)，可直接超越至巴氏計(jì)量槽排放。沉淀池產(chǎn)生的化學(xué)污泥經(jīng)過(guò)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(jī)進(jìn)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(yùn)處置。

3.3 主要構(gòu)筑物及設(shè)計(jì)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(guò)水閘門1臺(tái)，規(guī)格B×H=500×500 mm，功率1.5 kW；潛水提升泵2臺(tái)(1用1備)，流量50 m3/h，揚(yáng)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(tái)(1用1備)，流量50 m3/h，揚(yáng)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(tái)，處理能力5～12 L/s，功率0.37 kW；吸砂泵2臺(tái)(1臺(tái)冷備)，流量5 m3/h，揚(yáng)程10 m，功率0.55 kW；調(diào)節(jié)池提升泵3臺(tái)(2用1備)，流量25 m3/h，揚(yáng)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(jì)，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(tái)(1臺(tái)冷備)，流量50 m3/h，揚(yáng)程10 m，功率3.0 kW。

(5)砂濾及出水計(jì)量池：1座，清水池L×B×H=2.60×3.10×4.50 m，計(jì)量池L×B×H=6.70×1.00×1.00 m，配置砂濾器3臺(tái)，尺寸?2.00×3.80 m，正常濾速5 m/h，強(qiáng)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(qiáng)度8 L/m2·s，氣洗強(qiáng)度20 L/m2·s；砂濾器進(jìn)水泵3臺(tái)(2用1備)，流量25 m3/h，揚(yáng)程15 m，功率2.2 kW；反洗水泵2臺(tái)(1用1備)，流量150 m3/h，揚(yáng)程20 m，功率15 kW；反洗風(fēng)機(jī)2臺(tái)(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(jì)量槽1臺(tái)，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(jìn)泥含水率98.5%，出泥含水率97%，配置攪拌機(jī)1臺(tái)，懸掛式中心傳動(dòng)濃縮機(jī)，直徑4.0 m，外緣線速度1～2 m/min，功率0.75 kW；壓濾機(jī)進(jìn)泥泵2臺(tái)(1用1備)，污泥螺桿泵，流量8 m3/h，揚(yáng)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(jī)房等。處理污泥量15 m3/d，進(jìn)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(jī)1臺(tái)，板框壓濾機(jī)，有效過(guò)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(guò)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(chǔ)罐10個(gè)，容積1 m3/個(gè)；石灰乳投加系統(tǒng)1套，含石灰料倉(cāng)1臺(tái)，容積20 m3，尺寸?2.40×7.10 m，無(wú)軸螺旋輸送機(jī)1臺(tái)，規(guī)格螺旋外徑220 mm，輸送長(zhǎng)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(tái)，輸送量0～1 m3/h，功率0.75 kW，石灰乳液箱1臺(tái)，有效容積3 m3，尺寸?1.50×2.50 m，配備頂進(jìn)漿葉式攪拌機(jī)1臺(tái)，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(jìn)漿葉式攪拌機(jī)1臺(tái)，功率0.1 kW，配備計(jì)量泵2臺(tái)(1用1備)，流量100 L/h，揚(yáng)程0.5 MPa，功率0.18 kW；硫酸加藥裝置1套，儲(chǔ)藥罐1臺(tái)，容積1.0 m3，尺寸?1.0×1.5 m，配備計(jì)量泵2臺(tái)(1用1備)，流量100 L/h，揚(yáng)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(tái)(2用2備)，螺桿泵，流量0.8 m3/h，揚(yáng)程0.6 Mpag，功率0.75 kW；曝氣風(fēng)機(jī)，2臺(tái)(1用1備)，羅茨風(fēng)機(jī)，風(fēng)量6.38 m3/min，風(fēng)壓0.5 kPa，功率11 kW。

4 工藝特點(diǎn)

(1)尾礦壩出口設(shè)置截流井，旱季時(shí)截流全部尾礦廢水，送至污水處理廠處理。雨季時(shí)，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(jià)Sb3+、As3+高毒性重金屬離子為正五價(jià)Sb5+、As5+低毒性重金屬離子，有利于后續(xù)化學(xué)沉淀法對(duì)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(jià)鐵鹽，與銻砷結(jié)合生成沉淀物，在中和反應(yīng)池中三價(jià)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(dá)標(biāo)時(shí)可經(jīng)過(guò)砂濾進(jìn)一步過(guò)濾處理，反之，則可超越至巴氏計(jì)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(jì)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(xiàng)目用地。

5 運(yùn)行效果

該尾礦廢水站目前已進(jìn)入試運(yùn)行階段，通過(guò)采樣檢測(cè)及在線檢測(cè)儀表數(shù)據(jù)反饋顯示：進(jìn)水Sb含量為0.22～3.85 mg/L，進(jìn)水As含量為0.07～1.82 mg/L，進(jìn)水SS含量為102～335 mg/L，各污染物實(shí)際進(jìn)水指標(biāo)均小于設(shè)計(jì)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(shí)際出水濃度均低于排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，在各污染物進(jìn)水濃度不超過(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)水濃度的前提下，經(jīng)廢水站處理，均能達(dá)到設(shè)計(jì)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(huì)效益，如表3所示。

表3 試運(yùn)行進(jìn)出水水質(zhì)

6 工程投資與運(yùn)行成本

污水廠工程總投資為525萬(wàn)元，直接工程費(fèi)用為455萬(wàn)元，土建費(fèi)250萬(wàn)元，設(shè)備購(gòu)置及安裝費(fèi)205萬(wàn)元，土建費(fèi)占比為55%，設(shè)備購(gòu)置及安裝費(fèi)占比為45%。直接運(yùn)行費(fèi)主要包含電費(fèi)、藥劑費(fèi)、人工費(fèi)、污泥處置費(fèi)等。(1)電費(fèi)：系統(tǒng)裝機(jī)容量120.85 kW，工作容量81.25 kW，試運(yùn)行階段實(shí)際每天平均耗電量約為1560度，以0.6元/度計(jì)，噸水電耗約為0.78元；(2)藥劑費(fèi)：投加藥劑包含亞鐵鹽、石灰、PAM、硫酸等，折算噸水藥劑費(fèi)約為0.45元；(3)人工費(fèi)：試運(yùn)行階段由礦廠工人兼職運(yùn)營(yíng)，后期擬配2名專職人員運(yùn)營(yíng)；(4)污泥處置費(fèi)：脫水后的干泥屬于危險(xiǎn)固廢，需委外定期處置。綜上，污水廠的直接運(yùn)行成本約為1.23元/噸水(不計(jì)人工與污泥處置費(fèi))。

7 結(jié) 論

某銻礦采選廠尾礦廢水處理站設(shè)計(jì)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(dá)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(jì)合理，操作簡(jiǎn)單，在同類工程具有較大參考意義。