鎢礦井下廢水處理系統(tǒng)改造技術(shù)

有色金屬是工業(yè)生產(chǎn)必不可少的自然資源。在有色金屬礦山選礦、開采和礦區(qū)修復(fù)等環(huán)節(jié)，不可避免地會產(chǎn)生廢水。而廢水在未經(jīng)處理的情況下直接排放到自然流域中，會造成嚴(yán)重的水生態(tài)污染。

2004年公司在放水窿口建有一套廢水處理設(shè)施，由于處理能力不足，目前該處理設(shè)施處于停用狀態(tài)。2013年公司對放水窿廢水處理設(shè)施進(jìn)行了改造，增加了兩個(gè)沉淀池、兩個(gè)污泥干化池以及一套加藥裝置，提高了一定的廢水處理能力，但是該套系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在一定的缺陷，主要包括:(1)沉淀池進(jìn)、出水及配水方式不合理;(2)池型結(jié)構(gòu)不合理;(3)加藥方式不合理，無法隨廢水量的變化自動(dòng)調(diào)整加藥量;(4)排泥方式不合理，不能自動(dòng)排泥，污泥無法及時(shí)排除。這些缺陷導(dǎo)致沉淀池沉淀效率低，外排廢水渾濁，無法滿足達(dá)標(biāo)排放的要求，對下游水體環(huán)境造成一定的影響。

由于礦井不斷往深部開拓，廢水量也逐年增加到現(xiàn)在的1000m3/h，現(xiàn)有處理設(shè)施已無法滿足廢水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放的要求。為響應(yīng)國家“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，以及監(jiān)管部門對企業(yè)節(jié)能減排的要求，同時(shí)考慮企業(yè)的實(shí)際情況，擬在現(xiàn)有處理設(shè)施的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，提高沉淀池的沉淀效率，并改進(jìn)排泥方式，提高自動(dòng)化水平，使廢水達(dá)標(biāo)排放。

本項(xiàng)目先通過現(xiàn)場取樣，在試驗(yàn)室進(jìn)行小型試驗(yàn)研究，確定最佳的工藝及參數(shù)。然后進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證工藝的可靠性、藥劑種類和使用量的合理性以及放水窿出口的排水溝作為混凝反應(yīng)裝置的可行性。最后以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，進(jìn)行廢水處理工程改造方案設(shè)計(jì)和工程實(shí)施，從而切實(shí)為企業(yè)解決外排廢水引起的環(huán)境污染問題。

1、試驗(yàn)

1.1 廢水的性質(zhì)

井下廢水的水質(zhì)主要與礦圍巖(頂板、底板)巖石成分與組成有關(guān)。該鎢礦井下廢水呈黃色，水質(zhì)檢查結(jié)果見表1。

從表1可以看出，廢水中除懸浮物不能滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978―1996)中第二類污染物最高允許排放濃度一級標(biāo)準(zhǔn)要求外，其余項(xiàng)目均達(dá)標(biāo)。因此，懸浮物是該廢水的主要處理對象。

1.2 試驗(yàn)藥劑及儀器

試驗(yàn)所需的主要藥劑及儀器見表2。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)的目的是通過試驗(yàn)研究，了解廢水的性質(zhì)，找出最佳的廢水處理工藝及工藝參數(shù)，為工程設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

首先對井下廢水進(jìn)行自然沉降試驗(yàn)，分析廢水中懸浮物的沉降性能;然后向廢水中分別加入不同種類和不同用量的混凝劑，優(yōu)選出最佳的藥劑種類和加藥量;再對優(yōu)選出的藥劑和加藥量進(jìn)行綜合試驗(yàn);最后，進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證藥劑種類和使用量的合理性以及利用現(xiàn)有60m的排水溝作為絮凝反應(yīng)裝置的可行性，試驗(yàn)工藝流程如圖1所示。

通過觀察混凝過程中礬花的形成過程及沉降速度來評價(jià)混凝效果，礬花形成速度快且沉降速度快說明混凝效果好。污染因子COD用重鉻酸鉀滴定法測定，懸浮物用重量法測定(GB11901―891)，重金屬用原子吸收分光光度法測定，pH用玻璃電極法測定，污泥含水率用重量法測定。

2、試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 自然沉降結(jié)果

取1000mL廢水置于量筒中，觀察廢水中懸浮物在24h內(nèi)的自然沉降規(guī)律，每間隔一小時(shí)觀察懸浮物的沉降性能。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，廢水通過自然沉淀時(shí)，沉淀效果差。廢水中的懸浮物主要以膠體的形式存在于廢水中，由于布朗運(yùn)動(dòng)的作用以及膠體的荷電特性，使細(xì)小的懸浮物能夠長時(shí)間穩(wěn)定的存在于廢水中。需通過加入藥劑，改變膠體的荷電特性，使膠體脫穩(wěn)、凝聚，懸浮物加速沉淀，從而實(shí)現(xiàn)廢水達(dá)標(biāo)排放。

2.2 藥劑種類對比

比較了多種混凝劑和絮凝劑的不同組合對廢水中懸浮物的去除效果，通過觀察試驗(yàn)現(xiàn)象和檢測數(shù)據(jù)選擇最佳的藥劑組合。先向燒杯中加入一定量的井下廢水，然后先后加入不同的混凝劑和絮凝劑，攪拌后靜置20min，觀察混凝沉淀的效果，取上清液檢測懸浮物含量，對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

從表3數(shù)據(jù)中可知，用PFS和PAM處理的效果不理想，單獨(dú)使用藥劑PAC的效果也不理想，藥劑PAC、PAM和PFS聯(lián)合使用與藥劑PAC、PAM聯(lián)合使用的效果都比較好?？紤]到節(jié)省成本和操作的便利性，試驗(yàn)采用PAC與PAM聯(lián)用是最佳的組合。

該鎢礦井下廢水中含有微細(xì)的懸浮顆粒物，形成一個(gè)分布均勻相對穩(wěn)定的膠體分散系。膠體之所以穩(wěn)定，是因?yàn)榉稚⑽⒘＜?xì)小，布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擴(kuò)散作用與其自身重力達(dá)到一種平衡。同時(shí)這種平衡相對于外系統(tǒng)而言，又是一種脆弱的平衡，因?yàn)槟z體是一個(gè)多相分散系，擁有廣闊的相間界面和巨大的自由能，其微細(xì)粒子趨向于相互結(jié)合為粗粒聚集體，因而這種穩(wěn)定膠體是可以破壞的膠體，這為膠體脫穩(wěn)提供了理論依據(jù)。處理該鎢礦廢水首先考慮通過加混凝劑，使廢水中的懸浮物從穩(wěn)態(tài)中解脫，促使微細(xì)顆粒趨向于結(jié)合為粗顆粒聚合體，再加入絮凝劑加速粗顆粒聚合體的形成和沉降。

2.3 藥劑投加量

采用PAC與PAM藥劑組合，改變兩種藥劑的投加量，通過觀察混凝沉淀的現(xiàn)象，分析污泥性能及上清液懸浮物含量，優(yōu)選最佳的藥劑用量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

從表4中數(shù)據(jù)可知，3組試驗(yàn)的上清液懸浮物含量相差不大，且沉淀效果都較好。隨著PAC的藥劑量加大污泥體積也隨之增大，且污泥含水率也增加，綜合考慮藥劑成本和處理效果，PAC和PAM的最佳投藥量分別是40mg/L和0.4mg/L。

2.4 pH的影響

每種混凝劑都有一個(gè)最佳的pH值使用范圍，針對不同的廢水pH值范圍也有所不同，需要通過試驗(yàn)來確定。在燒杯中分別取一定量的廢水，投加相同量的混凝劑，PAC和PAM的投藥量分別是40mg/L和0.4mg/L，用氫氧化鈉和硫酸調(diào)節(jié)廢水的pH，加入混凝劑后，攪拌、靜置沉淀，觀察混凝效果。pH對混凝沉淀效果的影響見表5。

從表5中數(shù)據(jù)可以看出，pH在6.0~8.5之間，混凝效果均較好，且出水懸浮物濃度均能滿足達(dá)標(biāo)排放要求。原水的pH在7.3~7.8很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，為了節(jié)省成本，工程設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮不增加pH調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2.5 重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

做重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，取500mL廢水，PAC和PAM的最佳投藥量分別是40mg/L和0.4mg/L，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

2.6 現(xiàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

先測定廢水的流量，然后按照小試的試驗(yàn)結(jié)果配置一定量的10%濃度PAC溶液和0.1%濃度的PAM溶液。按照PAC投加量40mg/L，PAM投加量0.4mg/L的藥劑量，在放水窿出口不同位置分別人工均勻地投加這兩種藥劑，藥劑在排水溝內(nèi)發(fā)生絮凝反應(yīng)，在沉淀池的入口處取樣，觀察絮凝反應(yīng)的效果和污泥的沉降性能，驗(yàn)證60m排水溝作為混凝反應(yīng)裝置的可行性。

廢水流量的測定，在正常水泵開啟的情況下，采用浮標(biāo)法測定廢水的流量。選取一段平直且水流均勻排水溝作為測量段，長度約10m，通過測定浮標(biāo)的通過時(shí)間和排水溝內(nèi)水橫斷面的面積，計(jì)算廢水的流量數(shù)據(jù)。

通過取樣發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與小型試驗(yàn)結(jié)果相符合。在2#沉淀池入口用15L桶取樣，廢水中絮體顆粒大、沉淀快，在5min以內(nèi)全部沉入桶底，上清液清澈，現(xiàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示。

3、改造方案設(shè)計(jì)

3.1 工藝流程及說明

放水窿出口，排水溝前端設(shè)置超聲波流量計(jì)，為滿足超聲波流量計(jì)的安裝要求，跌水池需加高0.5m，適當(dāng)抬高水位，以保證流量的準(zhǔn)確測定。流量計(jì)對放水窿出水水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，計(jì)量泵通過流量計(jì)反饋的流量信號同步調(diào)整加藥量，在排水溝不同位置分別加入PAC和PAM，使加藥量與廢水量相匹配，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制加藥，從而達(dá)到最佳的絮凝效果。藥劑與廢水在排水溝內(nèi)迅速混合，并發(fā)生絮凝反應(yīng)，絮凝體不斷凝聚增大。小部分廢水流入廢棄沉淀池和1#原沉淀池，澄清后上清液排入小溪，底部污泥定期由鏟車從沉淀池底部鏟運(yùn)至現(xiàn)有的污泥干化池自然晾干后，用汽車運(yùn)至尾礦庫，大部分廢水經(jīng)由排水溝進(jìn)入經(jīng)改造的2#沉淀池配水槽，使廢水均勻地分布在整個(gè)沉淀池橫斷面上，在沉淀池進(jìn)行固液分離，上清液排入小溪，小溪下游利用攔水壩將處理后的水返回選廠回用。沉淀池中的污泥通過定時(shí)器自動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)污泥泵排入新建污泥池，污泥經(jīng)壓濾機(jī)脫水后定期運(yùn)至尾礦庫堆存。經(jīng)過論證，最終確定的廢水處理工藝流程如圖2所示。

3.2 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

放水窿出水口改造。對放水窿出水口進(jìn)行改造，出水口及鄰近的排水溝加高0.5m，抬高出水口水位，以便超聲波流量計(jì)準(zhǔn)確測量流量。

排水溝改造。在大水量排水時(shí)，排水溝在直角拐彎處存在水臃積現(xiàn)象，為了解決水流擁堵的問題，需要對直角進(jìn)行倒角，加大水溝入口面積，以減小局部阻力，使排水順暢。

加藥系統(tǒng)改造。改造現(xiàn)有的PAC加藥裝置，保留現(xiàn)有的2個(gè)加藥桶，用2臺機(jī)械隔膜泵取代現(xiàn)有的PAC加藥泵。另外增加一套PAM加藥系統(tǒng)，與PAC加藥系統(tǒng)配合使用，增加一套自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2#沉淀池改造。對2#沉淀池的改造，增加配水系統(tǒng)、污泥斗、導(dǎo)流墻和出水堰等，沉淀池內(nèi)部需要新增16個(gè)污泥斗，每個(gè)污泥斗內(nèi)設(shè)置單獨(dú)排泥管，排泥管與污泥泵連接，污泥斗內(nèi)的污泥通過污泥泵定期排入污泥池。配水系統(tǒng)的配水墻和導(dǎo)流墻采用磚混結(jié)構(gòu)，斜坡道需清除，使池底平整?，F(xiàn)有出水堰不平整，且偏高，需要降低50mm，再安裝可調(diào)節(jié)高度的三角堰板，均勻排水。

新建污泥池。在2#沉淀池附近增加一個(gè)污泥池，用于中轉(zhuǎn)沉淀池排出的污泥，污泥池中設(shè)置高、低位液位控制器，液位達(dá)到高位時(shí)自吸式無堵塞污泥泵關(guān)閉，達(dá)到低位時(shí)壓濾機(jī)入料泵關(guān)閉。污泥池中的污泥定期通過螺桿泵打入廂式壓濾機(jī)脫水，脫水后定期運(yùn)至尾礦庫堆存。

井下廢水處理系統(tǒng)的主要構(gòu)筑物及設(shè)備分別見表8和表9。

3.3 運(yùn)行效果

該工程于2020年1月底開始施工，同年12月底投入使用，實(shí)際運(yùn)行效果良好，處理后各項(xiàng)指標(biāo)均能穩(wěn)定達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978―1996)一級排放標(biāo)準(zhǔn)要求，出水各項(xiàng)檢測指標(biāo)如表10所示，能夠?qū)崿F(xiàn)隨著廢水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)加藥量及定時(shí)自動(dòng)排泥，提高了自動(dòng)化水平。

3.4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

水量按滿負(fù)荷10000m3/d計(jì)，廢水處理直接運(yùn)行費(fèi)用包括電費(fèi)、藥劑費(fèi)，具體運(yùn)行成本統(tǒng)計(jì)如下:

(1)電費(fèi)?？傃b機(jī)容量21.13kW，污水處理系統(tǒng)平均每小時(shí)耗電量為6kW?h。電費(fèi)按0.60元/kW?h計(jì)，處理每噸廢水電費(fèi)為0.0086元。

(2)藥劑費(fèi)。PAC加藥量每噸廢水40g，1500元/t計(jì)，處理每噸廢水PAC藥劑費(fèi)為0.06元。PAM加藥量每噸廢水加0.4g，10000元/t計(jì)，處理每噸廢水PAM藥劑費(fèi)為0.004元。

(3)運(yùn)行費(fèi)。運(yùn)行費(fèi)用按照最大的設(shè)計(jì)流量計(jì)算(未計(jì)折舊費(fèi)和人工費(fèi)等)0.0726元/m3。

(4)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。該設(shè)計(jì)工程總投資為29.6萬元，包含用地范圍內(nèi)的土建、設(shè)備和安裝調(diào)試工程建設(shè)總投資。具體各指標(biāo)如表11所示。

4、結(jié)論

老礦山的廢水處理設(shè)施基礎(chǔ)相對薄弱，自動(dòng)化水平低，且環(huán)保投入有限，需要在充分利用現(xiàn)有處理設(shè)施的基礎(chǔ)上，挖掘潛能提高廢水處理能力，改善廢水處理的效果。

(1)試驗(yàn)證明采用PAC+PAM混凝沉淀工藝處理鎢礦山井下廢水技術(shù)可行，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，易管理、操作方便。相較于有僅投加PAC的處理工藝，懸浮物沉降速度更快，直接運(yùn)行費(fèi)用低，每噸廢水運(yùn)行成本約0.0726元。

(2)現(xiàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與小型試驗(yàn)結(jié)果相符，且60m長排水溝作為絮凝反應(yīng)裝置可行。通過對沉淀池進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，可大幅提高廢水處理效率。

(3)工程實(shí)際運(yùn)行效果良好，各項(xiàng)控制指標(biāo)均能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)控制加藥量和自動(dòng)排泥，避免了人工控制帶來的不確定因素，且降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。(來源：贛州有色冶金研究所有限公司)