某钨矿井下废水处理系统改造方案研究与实施

2021-06-19陈后兴赖兰萍陈东英

中国钨业 2021年1期

陈后兴，赖兰萍，王明，陈东英

（赣州有色冶金研究所有限公司，江西赣州 341000）

0 引言

有色金属是工业生产必不可少的自然资源。在有色金属矿山选矿、开采和矿区修复等环节，不可避免地会产生废水。而废水在未经处理的情况下直接排放到自然流域中，会造成严重的水生态污染[1-2]。

2004年公司在放水窿口建有一套废水处理设施，由于处理能力不足，目前该处理设施处于停用状态。2013年公司对放水窿废水处理设施进行了改造，增加了两个沉淀池、两个污泥干化池以及一套加药装置，提高了一定的废水处理能力，但是该套系统设计存在一定的缺陷，主要包括：（1）沉淀池进、出水及配水方式不合理；（2）池型结构不合理；（3）加药方式不合理，无法随废水量的变化自动调整加药量；（4）排泥方式不合理，不能自动排泥，污泥无法及时排除。这些缺陷导致沉淀池沉淀效率低，外排废水浑浊，无法满足达标排放的要求，对下游水体环境造成一定的影响。

由于矿井不断往深部开拓，废水量也逐年增加到现在的1 000 m3/h，现有处理设施已无法满足废水稳定达标排放的要求。为响应国家“绿水青山就是金山银山”的发展理念，以及监管部门对企业节能减排的要求，同时考虑企业的实际情况，拟在现有处理设施的基础上进行改造，提高沉淀池的沉淀效率，并改进排泥方式，提高自动化水平，使废水达标排放。

本项目先通过现场取样，在试验室进行小型试验研究，确定最佳的工艺及参数。然后进行现场验证试验，验证工艺的可靠性、药剂种类和使用量的合理性以及放水窿出口的排水沟作为混凝反应装置的可行性。最后以试验数据为依据，进行废水处理工程改造方案设计和工程实施，从而切实为企业解决外排废水引起的环境污染问题。

1 试验

1.1 废水的性质

井下废水的水质主要与矿围岩（顶板、底板）岩石成分与组成有关。该钨矿井下废水呈黄色，水质检查结果见表1。

表1 井下废水水质成分 mg/LTab.1 Water quality components of underground wastewater

从表1可以看出，废水中除悬浮物不能满足《污水综合排放标准》（GB8978—1996）中第二类污染物最高允许排放浓度一级标准要求外，其余项目均达标。因此，悬浮物是该废水的主要处理对象[3]。

1.2 试验药剂及仪器

试验所需的主要药剂及仪器见表2。

表2 主要试验药剂及仪器一览表Tab.2 List of main test reagents and instruments

1.3 试验方案

试验的目的是通过试验研究，了解废水的性质，找出最佳的废水处理工艺及工艺参数，为工程设计提供设计依据。

首先对井下废水进行自然沉降试验，分析废水中悬浮物的沉降性能；然后向废水中分别加入不同种类和不同用量的混凝剂，优选出最佳的药剂种类和加药量；再对优选出的药剂和加药量进行综合试验[4-5]；最后，进行现场验证试验，验证药剂种类和使用量的合理性以及利用现有60 m的排水沟作为絮凝反应装置的可行性[6]，试验工艺流程如图1所示。

图1 废水处理试验工艺流程Fig.1 Flowchart of wastewater treatment test

通过观察混凝过程中矾花的形成过程及沉降速度来评价混凝效果，矾花形成速度快且沉降速度快说明混凝效果好。污染因子COD用重铬酸钾滴定法测定，悬浮物用重量法测定（GB11901—891），重金属用原子吸收分光光度法测定，pH用玻璃电极法测定，污泥含水率用重量法测定。

2 试验结果分析与讨论

2.1 自然沉降结果

取1 000 mL废水置于量筒中，观察废水中悬浮物在24 h内的自然沉降规律，每间隔一小时观察悬浮物的沉降性能。通过试验发现，废水通过自然沉淀时，沉淀效果差。废水中的悬浮物主要以胶体的形式存在于废水中，由于布朗运动的作用以及胶体的荷电特性，使细小的悬浮物能够长时间稳定的存在于废水中。需通过加入药剂，改变胶体的荷电特性，使胶体脱稳、凝聚，悬浮物加速沉淀，从而实现废水达标排放。

2.2 药剂种类对比

比较了多种混凝剂和絮凝剂的不同组合对废水中悬浮物的去除效果，通过观察试验现象和检测数据选择最佳的药剂组合。先向烧杯中加入一定量的井下废水，然后先后加入不同的混凝剂和絮凝剂，搅拌后静置20 min，观察混凝沉淀的效果，取上清液检测悬浮物含量，对比试验数据结果如表3所示。

表3 混凝沉淀对比试验数据Tab.3 Comparative test data sheet

从表3数据中可知，用PFS和PAM处理的效果不理想，单独使用药剂PAC的效果也不理想，药剂PAC、PAM和PFS联合使用与药剂PAC、PAM联合使用的效果都比较好。考虑到节省成本和操作的便利性，试验采用PAC与PAM联用是最佳的组合。

该钨矿井下废水中含有微细的悬浮颗粒物，形成一个分布均匀相对稳定的胶体分散系。胶体之所以稳定，是因为分散微粒细小，布朗运动产生的扩散作用与其自身重力达到一种平衡。同时这种平衡相对于外系统而言，又是一种脆弱的平衡，因为胶体是一个多相分散系，拥有广阔的相间界面和巨大的自由能，其微细粒子趋向于相互结合为粗粒聚集体，因而这种稳定胶体是可以破坏的胶体，这为胶体脱稳提供了理论依据。处理该钨矿废水首先考虑通过加混凝剂，使废水中的悬浮物从稳态中解脱，促使微细颗粒趋向于结合为粗颗粒聚合体，再加入絮凝剂加速粗颗粒聚合体的形成和沉降[7-8]。

2.3 药剂投加量

采用PAC与PAM药剂组合，改变两种药剂的投加量，通过观察混凝沉淀的现象，分析污泥性能及上清液悬浮物含量，优选最佳的药剂用量，试验数据如表4所示。

表4 投加量对比试验数据Tab.4 Dosage contrast test data sheet

从表4中数据可知，3组试验的上清液悬浮物含量相差不大，且沉淀效果都较好。随着PAC的药剂量加大污泥体积也随之增大，且污泥含水率也增加，综合考虑药剂成本和处理效果，PAC和PAM的最佳投药量分别是40 mg/L和0.4 mg/L。

2.4 pH的影响

每种混凝剂都有一个最佳的pH值使用范围，针对不同的废水pH值范围也有所不同，需要通过试验来确定。在烧杯中分别取一定量的废水，投加相同量的混凝剂，PAC和PAM的投药量分别是40 mg/L和0.4 mg/L，用氢氧化钠和硫酸调节废水的pH，加入混凝剂后，搅拌、静置沉淀，观察混凝效果。pH对混凝沉淀效果的影响见表5。

表5 pH对混凝沉淀效果的影响Tab.5 Effects of pH value on coagulation

从表5中数据可以看出，pH在6.0～8.5之间，混凝效果均较好，且出水悬浮物浓度均能满足达标排放要求。原水的pH在7.3～7.8很小的范围内波动，为了节省成本，工程设计时可以考虑不增加pH调节系统。

2.5 重复验证试验结果

做重复验证试验，取500 mL废水，PAC和PAM的最佳投药量分别是40 mg/L和0.4 mg/L，试验数据如表6所示。

表6 重复验证试验数据Tab.6 Repeat validation test data sheet

2.6 现场验证试验结果

先测定废水的流量，然后按照小试的试验结果配置一定量的10%浓度PAC溶液和0.1%浓度的PAM溶液。按照PAC投加量40 mg/L，PAM投加量0.4 mg/L的药剂量，在放水窿出口不同位置分别人工均匀地投加这两种药剂，药剂在排水沟内发生絮凝反应，在沉淀池的入口处取样，观察絮凝反应的效果和污泥的沉降性能，验证60 m排水沟作为混凝反应装置的可行性。

废水流量的测定，在正常水泵开启的情况下，采用浮标法测定废水的流量。选取一段平直且水流均匀排水沟作为测量段，长度约10 m，通过测定浮标的通过时间和排水沟内水横断面的面积，计算废水的流量数据。

通过取样发现，现场验证试验结果与小型试验结果相符合。在2#沉淀池入口用15 L桶取样，废水中絮体颗粒大、沉淀快，在5 min以内全部沉入桶底，上清液清澈，现场验证试验数据如表7所示。

表7 现场验证试验数据Tab.7 Field verification test data recorder

3 改造方案设计

3.1 工艺流程及说明

放水窿出口，排水沟前端设置超声波流量计，为满足超声波流量计的安装要求，跌水池需加高0.5m，适当抬高水位，以保证流量的准确测定。流量计对放水窿出水水量进行实时监测，计量泵通过流量计反馈的流量信号同步调整加药量，在排水沟不同位置分别加入PAC和PAM，使加药量与废水量相匹配，实现自动控制加药，从而达到最佳的絮凝效果。药剂与废水在排水沟内迅速混合，并发生絮凝反应，絮凝体不断凝聚增大。小部分废水流入废弃沉淀池和1#原沉淀池，澄清后上清液排入小溪，底部污泥定期由铲车从沉淀池底部铲运至现有的污泥干化池自然晾干后，用汽车运至尾矿库，大部分废水经由排水沟进入经改造的2#沉淀池配水槽，使废水均匀地分布在整个沉淀池横断面上，在沉淀池进行固液分离，上清液排入小溪，小溪下游利用拦水坝将处理后的水返回选厂回用。沉淀池中的污泥通过定时器自动或手动启动污泥泵排入新建污泥池，污泥经压滤机脱水后定期运至尾矿库堆存。经过论证，最终确定的废水处理工艺流程如图2所示。

图2 废水处理工艺流程Fig.2 Flow chart of wastewater treatment process

3.2 主要构筑物设计及设备选型

放水窿出水口改造。对放水窿出水口进行改造，出水口及邻近的排水沟加高0.5 m，抬高出水口水位，以便超声波流量计准确测量流量。

排水沟改造。在大水量排水时，排水沟在直角拐弯处存在水臃积现象，为了解决水流拥堵的问题，需要对直角进行倒角，加大水沟入口面积，以减小局部阻力，使排水顺畅。

加药系统改造。改造现有的PAC加药装置，保留现有的2个加药桶，用2台机械隔膜泵取代现有的PAC加药泵。另外增加一套PAM加药系统，与PAC加药系统配合使用，增加一套自动控制系统。

2#沉淀池改造。对2#沉淀池的改造，增加配水系统、污泥斗、导流墙和出水堰等，沉淀池内部需要新增16个污泥斗，每个污泥斗内设置单独排泥管，排泥管与污泥泵连接，污泥斗内的污泥通过污泥泵定期排入污泥池。配水系统的配水墙和导流墙采用砖混结构，斜坡道需清除，使池底平整。现有出水堰不平整，且偏高，需要降低50 mm，再安装可调节高度的三角堰板，均匀排水。

新建污泥池。在2#沉淀池附近增加一个污泥池，用于中转沉淀池排出的污泥，污泥池中设置高、低位液位控制器，液位达到高位时自吸式无堵塞污泥泵关闭，达到低位时压滤机入料泵关闭。污泥池中的污泥定期通过螺杆泵打入厢式压滤机脱水，脱水后定期运至尾矿库堆存。

井下废水处理系统的主要构筑物及设备分别见表8和表9。