还原-中和工艺处理氧化钒废水

张 奎

引言

为充分利用钒资源，提高西昌某钒业公司的经济效益和市场竞争能力，由我院承担设计的“钙化焙烧—硫酸浸出”氧化钒清洁生产线于2012年12月建成投产。设计年产V2O312625 t、V2O54000 t、FeV5018800 t。生产过程中产生大量含钒、铬、镁、锰、钙等离子的酸性废水，最大废水量约120 m3/h。

1　废水性质及回用标准

由沉淀工序排出的废水呈酸性，主要含有钒、铬、镁、锰、钙等污染物，具有酸性强、成分复杂、水质变化大、毒性大、腐蚀性强、可生化性差等特点；若直接排放，则污染大，不能满足国家《钒工业污染物排放标准》（GB 26452—2011）的排放要求；若处理后达标排放，则处理难度大、运行成本贵、工程投资高。为此，经多次氧化钒废水中试处理试验后，设计提出了将处理后的废水回用至沉淀工序，且作为该工序生产线补充用水，以实现废水零排放的目标要求。

目前，关于钒工业废水处理后回用的水质标准，国内尚无统一的标准。本次设计主要污染物参照《钒工业污染物排放标准》（GB 26452—2011）中的间接排放标准并结合氧化钒生产线工艺用水指标要求（不影响产品产量及质量），最终确定了回用水水质标准。

设计废水量为120 m3/h，其进水、回用水水质指标见表1。

表1　设计进水及回用水水质

2　处理工艺选择

目前，国内外对氧化钒废水常用的处理方法主要有：还原中和法、铁钡盐法、离子交换法、电渗析法、溶剂萃取法、生物法、微波法等。还原中和法是利用还原剂将废水中的 V5+、Cr6+还原成 V3+、Cr3+，再用碱性溶液中和，使 V3+、Cr3+形成沉淀而分离；还原剂为硫酸亚铁、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、液态或气态SO2等，其中硫酸亚铁作还原剂是最常用的方法，其工艺简单，运行费用低；亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、液态或气态 SO2作还原剂时，一次性投资及运行费用较高。铁钡盐法对钒的去除率不到 50%，且带来了钡盐污染。离子交换 、电渗析、溶剂萃取法适合于浓度低、排放量小的废水。生物法、微波法是近期才发展起来的水处理技术，对单一含铬含钒废水处理效果较好，但对污染物质种类多的废水效果仍不理想。

结合上述处理工艺特点及工程废水性质和同类含钒含铬酸性废水处理的设计经验，经综合分析、比较，最后确定选择硫酸亚铁还原—石灰中和法。

3　工艺流程

工艺流程见图1。

图1　工艺流程

酸性废水首先进入调节池，再由泵送至初沉池进行预处理，处理后的废水进入中间水池，并由泵送入还原槽进行还原处理，在还原槽中投加还原剂硫酸亚铁，将V5+还原为V4+，Cr6+还原为Cr3+。经还原后的废水流入一、二级中和槽，在中和槽中投加石灰乳溶液进行中和反应。经还原、中和后的废水重力进入浓缩池进行浓缩澄清，浓缩池澄清水流入溢流水池，再经泵加压送至纤维束过滤器，废水经过滤处理后进入调酸罐，根据回用水pH值（pH=4～6）控制要求，通过加酸装置投加稀硫酸对回用水pH值进行自动调节，经加酸调节后的回用水排入回用水池，再用泵送至车间循环使用。

调节池、初沉池及中间水池污泥（主要为钒等沉淀物）由沉淀工序回用；浓缩池沉淀污泥（主要为钒、铬、硫酸钙、氢氧化镁、氢氧化锰等沉淀物）排入浓缩池下部泥浆槽内，经泥浆泵送至压滤机进行压滤脱水，滤液返回浓缩池重新处理，泥饼外运处理。

4　主要构筑物及设备

（1）调节池。1座，尺寸33.0 m×18.0 m×4.5 m，总有效容积约2350 m3，2格，停留时间约19.6 h。钢筋混凝土结构，内衬8 mm乙烯基酯树脂。

（2）中间水池。1座，尺寸 33.0 m×18.0 m×4.5 m，总有效容积约2350 m3，2格，停留时间约19.6 h。钢筋混凝土结构，内衬8 mm乙烯基酯树脂。

（3）提升泵站。1座，尺寸 27.0 m×6.0 m×8.1 m，半地下式，地下4.2 m，钢筋混凝土结构，内衬耐腐砖。泵站内设：提升泵4台（3用1备）、中间水泵4台（3用1备）、泥浆泵1台。

（4）初沉池。2座，单座直径12.0 m，高3.3 m，沉淀时间约4 h，下部为泥浆泵站。初沉池为钢筋混凝土结构，内衬8 mm乙烯基酯树脂，内设直径12.0 m浓缩机1台；泵站设泥浆搅拌槽（直径2.0 m，高2.5 m，带搅拌机）1座、泥浆泵2台（1用1备）。

（5）还原、中和及药品贮存制备间。1座，尺寸39.0 m×15.0 m×15.0 m，2层，框架结构，内设：还原槽8座，单座直径1.2 m，高1.5 m，上部设搅拌机1台，停留时间约6 min；槽体为碳钢，内衬5 mm氯丁橡胶。中和槽8座，单座直径2.2 m，高2.5 m，上设搅拌机1台，停留时间约18 min；槽体为碳钢，内衬5 mm氯丁橡胶。硫酸亚铁搅拌罐3座，单座直径2.2 m，高2.5 m，上设搅拌机1台，槽体为碳钢，内衬8 mm乙烯基酯树脂；配硫酸亚铁泵 3台，2用1备。石灰乳制备装置1套，包括石灰储罐（V=45 m3，碳钢，2座）、石灰浆槽（直径2.2 m，高2.5 m，碳钢，内衬6 mm乙烯基酯树脂，2座）、石灰浆泵（4台，2用2备）、石灰乳搅拌槽（直径2.2 m，高2.5 m，碳钢，内衬6 mm乙烯基酯树脂，3座）、石灰乳泵（3台，2用1备）等。

图2　总平面布置图

（6）浓缩池。6座，单座直径12.0 m，高3.3 m，沉淀时间约12 h，下部为泥浆泵站。浓缩池为钢筋混凝土结构，内衬8 mm乙烯基酯树脂，内设直径12.0 m浓缩机1台；泵站设泥浆搅拌槽（直径2.0 m，高 2.5 m，带搅拌机）1座、泥浆泵 2台（1用 1备）。

（7）污泥处理间。1座，尺寸54.0 m×15.0 m×15.0 m，2层，框架结构，内设：板框压滤机6台，单台外形尺寸6.98 m×2.42 m×2.55 m，过滤面积200 m2。泥饼外运，滤液返回浓缩池处理。

（8）溢流水池。1座，尺寸 18.0 m×12.0 m×4.5 m，有效容积约720 m3，停留时间约6 h。钢筋混凝土结构，内衬8 mm乙烯基酯树脂。

（9）过滤器。2台，单台处理量150 m3/h，直径3.0 m，高5.0 m，碳钢。过滤器反洗用水采用生产新水，反洗排水进入废水调节池。

（10）调酸罐。2台，单台直径2.0 m，高2.0 m，顶部设搅拌机1台；罐体为碳钢，内衬氯丁橡胶。

（11）加酸装置。1套，包括浓硫酸储罐（V=5 m3，碳钢，1座）、配套仪表及控制等。

（12）回用水池。1座，尺寸18.0 m×12.0 m×4.5 m。有效容积约720 m3，停留时间约6 h。钢筋混凝土结构，内衬8 mm乙烯基酯树脂。回用废水送车间使用。

5　总平面布置

为节省工程投资，减少工程占地面积，在进行总平面布置时，综合考虑拟建场地位置、厂区规划、新建构筑物工艺要求等实际，设计按“一”字形排列布置，其总平面见图2。

6　调试及运行

工程2011年9月设计，2012年12月施工完毕，2013年3月进行调试。调试先将调节池中废水送至初沉池，其出水进入中间水池，再由泵送至还原槽，在还原槽中投加浓度为20%的硫酸亚铁溶液，将 V5+还原为 V4+，Cr6+还原为 Cr3+，用量约 420 kg/h；经还原后的废水流入一级、二级中和槽，在中和槽中投加浓度为20%的石灰乳溶液进行中和反应，一级中和槽石灰乳投加量约7000 kg/h，二级中和槽石灰乳投加量约1600 kg/h；经中和后的废水流入浓缩池，其出水进入溢流水池，再通过加酸装置投加稀硫酸将回用水的pH值调节至4～6，最后由泵送至车间循环使用。

初沉池污泥（主要为钒等沉淀物）由沉淀工序回用，浓缩池污泥（主要为铬、硫酸钙、氢氧化镁、氢氧化锰等沉淀物）送至污泥处理间。

经5个月的调试，运行效果良好，处理后出水水质满足氧化钒清洁生产线回用指标要求，连续2个月每天监测时间段水质指标（范围值）见表2。

表2　监测时间段水质指标

7　主要技术经济分析

工程废水处理水量约120 m3/h，占地面积约9000 m2，总投资约5000万元。运行成本约25.19元/m3，其中电费为4.3 元/m3，能源介质（气、水）费为3.64元/m3，药剂（石灰、硫酸亚铁、浓硫酸等）费为13.35元/m3，人工费为3.9元/m3。

8　结束语

还原—中和工艺处理氧化钒废水是可行的，其运行效果稳定，出水水质符合氧化钒清洁生产线回用指标要求。初沉、还原、中和、沉淀、过滤、调酸是该废水处理工艺的核心，设计通过硫酸亚铁、石灰乳投加量自动控制以及浓硫酸调酸装置自动调酸等方式，保证了回用废水水质指标要求。该工艺流程简单，设备自动化程度高，既可有效地去除钒、铬及钙等污染物，又能实现废水中钒资源的回收利用，具有良好的经济和环境效益。

[参 考 文 献]

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