高含泥矿井水除铀处理

2015-03-03邱晓光

中国矿业 2015年1期

邱晓光

（中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄050021）

某矿床为铀铁伴生矿床，经过多年铁矿开采，已经接近铀矿床，甚至局部巷道已穿过铀矿体，造成矿井外排水铀浓度超标，经检测其外排水平均铀浓度约为6～8mg／L，已超出《铀矿冶辐射防护和环境保护规定》（GB23727－2009）中外排废水中铀浓度的要求，若不经过处理直接排入自然水体，必将造成环境污染，影响人们的健康生活。根据《放射性污染防治法》和《铀矿冶辐射防护和环境保护规定》等要求，该省环保局要求其尽快整改，建设污水处理设施，确保污水达标排放。

笔者以该矿矿井水除铀工程为例，从矿井水水质、工艺流程及设备选择、建构筑物结构等方面进行了分析和探讨，以期为同类项目的建设提供借鉴和参考。

1 水量和水质

1．1 水量

根据该矿矿井排水口外排水统计，矿井正常排水量约5000m3／d，最大排水量约为9600m3／d。

依据矿井最大排水量，该装置设计污水处理规模9600m3／d，可满足矿井最大外排水处理的需要。

1．2 水质

该矿矿井水原液取样检测铀浓度约6～8mg／L，总α≈250．7Bq／L，Ra≈0．6Bq／L，总β≈44．3Bq／L，总悬浮固体浓度约150mg／L，矿井水主要化学成分分析与国家《污水综合排放标准》［GB8979－1996］、《铀矿冶辐射防护和环境保护规定》［GB23727－2009］外排标准对照表见表1。

表1 矿井水化学成分分析与外排标准对照表

从水质说明及表1中可看出：①该矿矿井水中除铀浓度超标外，其它元素均能满足环保外排标准；②水质检测报告中总悬浮固体浓度较高，达150ppm。

2 处理工艺的确定

根据矿井排水含固量高的特点，该矿委托研究单位针对该矿矿井水进行了除泥、除铀工艺试验。试验发现矿井水经自然沉降24h后，含泥量仍高达139ppm，澄清液在吸附除铀运行几个周期后树脂床层发生堵塞。矿井水中加入一定絮凝剂沉降后上清液浊度可降至10．7mg／L，水中U浓度无变化，该浊度可满足离子交换除铀设备的进料要求，除泥后清液采用除铀专用树脂对水中的铀酰离子进行吸附，吸附尾液U浓度＜0．05mg／L。饱和树脂铀含量约60mg／L。表明该树脂能够对矿井水中的铀酰离子进行选择性吸附，树脂吸附效果好，有利于铀金属的回收。

试验推荐采用上进料式固定床离子交换设备，该类设备在生产实践中发现当处理液中悬浮物较多时，悬浮物的累积会造成操作压力升高、吸附流量降低，频繁反冲洗又易造成塔顶滤网破损，当悬浮物进入塔底鹅卵石层，甚至与上层细小卵石粘在一起，造成反冲洗失效［1］。鉴于该矿矿井排水含固量高，根据试验报告并结合固定床离子交换塔具体应用，设计采用矿井水加絮凝剂除悬浮物，清液离子交换除铀工艺。

工艺过程为：矿井水在贮池收集后，送至一体化水处理设备除泥，除泥清水经中间水池缓冲后送密实固定床离子交换塔除铀，除铀过程采用两塔串联吸附，吸附尾液检测合格后外排。饱和树脂采用碳酸钠、氯化钠溶液解吸，解吸合格液送附近某铀水冶厂处理。

3 主要设备及设计参数

3．1 矿井水贮池

矿井水贮池主要用于井下排水的收集贮存，贮池容积按雨季时最大排水停留2．5h考虑，容积取1000m3，可满足暴雨时井下排水的收集。

该矿井水中悬浮物自然沉降速率低，采用大面积的贮池，对矿井水的澄清效果不明显，同时占地面积大。本案设计澄清池高度为3．5m，有效容积率90%，结合场地形状，设计澄清池尺寸长×宽×高为40m×8m×3．5m，钢筋混凝土结构。

3．2 全自动一体化水处理设备

全自动一体化水处理设备是矿井水除泥的关键设备，该设备集混凝、沉淀、过滤、反冲洗和排泥于一体，利用水力作用自动运行。设备混凝利用来水压力，采用涡流反应使来水和混凝剂充分混合，生成较大绒体的矾花；沉淀池采用上向流斜管沉淀法，表面负荷为6～7m3／m2·h；过滤池采用无阀滤池，自动运行，滤池底部进水，滤料为双层滤料（石英砂和无烟煤），滤速为10m／h，反冲洗周期为12h左右，反冲洗历时为5～10min。无需另设反冲洗水泵或空压机等辅助设备，可节省一定的基建投资及日常运行、维修、保养费用。该设备较其它常规水处理设备比较具有占地面积小，与一般净水构筑物相比，可节省占地50%以上，运行稳定，自动化程度高，动力消耗少的优点。处理后矿井水总悬浮固体量约10mg／L，可满足离子交换除铀设备的进料要求。

根据矿井正常排水量约5000m3／d，最大排水量约为9600m3／d的特点，设计水处理能力为9600÷24＝400m3／h。结合标准设备的处理能力，主要有10t／h、30t／h、50t／h、100t／h、200t／h处理能力五种型号。可选单台处理能力100m3／h设备4台（方案一）或200m3／h设备2台（方案二），两方案均能满足生产需要。水处理设备方案比较见表2。

表2 一体化水处理设备方案比较表

从表2可看出，方案二较方案一存在厂房面积小，设备投资省，工程量小等优点，综合考虑设计选用FA－200型一体化水处理设备2台，单台处理能力200m3／h。当矿井正常排水时开启一台水处理设备，水量加大时开启另一台。

3．3 中间水池

除泥后出水考虑到与后续处理设施的衔接，设中间水池1座。中间水池有效容积按1h蓄水量，即400m3考虑，有效容积率取90%，为节省投资与矿井水贮池贴建，有效水深同矿井水贮池，取3．5m，设计澄清池尺寸长×宽×高为16m×8m×3．5m，钢筋混凝土结构。

3．4 离子交换塔

离子交换塔是矿井水除铀中核心设备，根据液相和树脂在塔中的接触方式不同，离子交换塔主要分为固定床、密实移动床、流化床三种类型［2］。

本工程中矿井水处理量大，铀浓度低，对比三种类型离子交换塔的优劣，选择密实固定床离子交换塔，该设备结构简单，操作稳定，传质效率高，床层浓度梯度明显、稳定，树脂磨损小［3］。

考虑矿井正常排水约5000m3／d，最大排水量约9600m3／d，水量波动较大的特点，除铀设施设4条生产线，单线处理能力400m3／h。每条线设DN2500×6500（含裙座）密实固定床离子交换塔3台。操作方式为2塔串联吸附，1塔解吸，吸附空塔线速度20～25m／h，塔内填料为除铀专用树脂，树脂高度2．5m，工作容量为60mg·U／mL，吸附接触时间2．5min，吸附尾液 U浓度≤0．3mg／L。解吸空塔线速度1～1．5m／h，解吸剂为60g／L（NaCL）＋10g／L（Na2CO3），具有弱腐蚀性，设备材质采用钢衬玻璃钢，设计压力0．4MPa，进料方式为上进料下出料。吸附和解吸工序在同一设备中进行，解吸合格液为3倍树脂床体积，合格液U浓度约15g／L。

4 厂房布置

4．1 工艺设备布置

矿井水处理厂房为该设施的核心，考虑输送及管理方便，处理厂房布置在矿井排水口与外排受纳水体之间。该地气候寒冷，除贮池外所有工艺设备集中在厂房内布置。厂房内部工艺设备按矿井水水流走向布置，分为除泥区、除铀区及辅助生产区。室外贮池紧邻生产厂房，布置在厂房与山体之间。该方案优点是合理利用地形，布置紧凑、集中，工艺物料输送方便，动力损失小，便于生产管理，尤其是占地面积小，投资省。

4．2 工艺管道布置

工艺管道布置是厂房布置中的重要部分，其布置是否合理直接影响到日后的生产和管理，在厂房布置时需综合考虑重要管道、大管径管道的走向，对主要工艺管道进行规划，确保工艺管道走向流畅，运输距离短［4］。本厂房管道布置主要沿建筑物轴线的钢柱、梁及平台底部成组、成排布置，管道支吊架依托位于建筑物轴线的柱、梁及平台立柱等生根设置。

管道材质根据输送物料的压力及腐蚀性不同，采用不同压力等级及材质的管道，本工程中物料输送主要为离心泵输送，输送泵最高扬程45m，入口压力为3m水柱，操作温度为常温。根据离心泵出口管道的设计压力不应小于吸入压力与扬程相应压力之和的要求，管道设计压力约为P≥（0．45＋0．03）×1．1＝0．53MPa，管道压力等级选1．0MPa。

输送介质为矿井水、解吸剂（氯化钠和碳酸氢钠溶液），矿井水呈中性，解吸剂为弱碱性，工作环境为常温、常压。矿井水输送管道选择碳钢管，解吸剂中含有氯化钠，具有一定腐蚀性，同时工作压力较小，选用增强聚丙烯管道，该材质管道价格低廉，应用广泛，安装维修方便。

表3 主要技术经济指标

表4 吸附尾液主要元素分析表

4．3 厂房建筑结构设计

厂房建筑结构设计主要依据工艺生产要求确定，根据工艺设备布置需要，厂房总长78m，宽12m，单层，除铀区离子交换设备较高，该区净高8．5m，辅助区及除泥区净高5．5m，可满足设备安装操作要求。该项目为环保项目，进度要求快，厂房采用跨度12m门式钢架结构，柱距6m，屋面及外墙采用夹芯板，地面采用环氧自流平。

该地区纬度高、冬季寒冷，室外贮池池顶设100mm厚夹芯彩钢板保温，池壁设70mm厚挤塑聚苯板保温。

5 主要技术经济指标及处理效果

矿井水除铀工程主要技术经济指标见表3。装置生产运行稳定后，吸附尾液主要污染元素及总放射性分析见表4。

如表4所示，尾液中铀浓度约0．1mg／L，经受纳水体（稀释倍数5倍以上）稀释后，第一取水点经分析水中铀浓度＜0．05mg／L，同时尾液总α≈0．9Bq／L，Ra≈0．6Bq／L，总β≈0．60Bq／L，均达到了国家《污水综合排放标准》［GB8979－1996］及《铀矿冶辐射防护和环境保护规定》［GB23727－2009］中的排放要求。