含铀矿井水处理设施的研究与设计

侯伟强

(中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021)

铀矿开采过程会产生大量矿井水，尤其在南方地区雨季时，某些矿井的涌水量每天能达几千立方米。这些矿井水，除小部分复用外，大部分需要排放到自然体系中。矿井水中铀质量浓度一般在0.3～4.0 mg/L，超过了《铀矿冶辐射防护和辐射环境保护规定》(GB 23727—2020)的排放限值，如果不能妥善处理后排放，不仅会污染环境，而且会导致铀资源流失[1-2]。

目前，国内外应用最广泛的含铀矿井水处理方法是化学沉淀法和离子交换法[3-7]。化学沉淀法无法回收铀资源，还会产生二次废渣；而离子交换法对矿井水中的铀回收率高，树脂具有吸附容量大、易再生且无二次废渣等特点。针对离子交换法对含铀废水处理效果的研究较多，而关于实际应用的报道较少。笔者结合某铀矿矿井水处理设施的设计，对矿井水处理的工艺流程、设备布置、材质选择及经济效益等进行分析。

1 工艺设计

1.1 矿井水参数

某铀矿井处于南方地区，受自然条件影响，矿井涌水量较大，目前270 m中段正常涌水量约为1 275 m3/d，最大涌水量为2 019 m3/d。

该矿井水主要是HCO3-SO4-Na及HCO3-Ca-Na型，侵蚀性CO2平均质量浓度为17.15 mg/L(最高39.6 mg/L)，pH为5.4～6.8。正常涌水量时，矿井水中铀平均质量浓度为2.8 mg/L。矿井水的主要成分见表1。

表1 矿井水主要成分及排放标准Table 1 The main components of mine water and emission standards

从表1可看出，该矿井水除铀浓度超标外，其他成分均满足《铀矿冶辐射防护和环境保护规定》中的排放限值。

1.2 设计输入条件

该矿井水在最大涌水量时，水质清澈，浊度较低，其中铀质量浓度低于1.5 mg/L。因此，设计处理规模按正常涌水量考虑，但离子交换塔处理能力按最大涌水量考虑。年工作300 d，采用201×7强碱性阴离子树脂，树脂工作容量取20 mgU/mL，吸附时间为10 min；淋洗剂为75 g/L NaCl+25 g/L Na2CO3溶液，淋洗时间为60 min，树脂残余容量取1 mgU/mL。

1.3 工艺流程

根据该矿矿井水量较大、铀浓度较低等特点，选择密实固定床离子交换工艺，其特点是料液处理量大、树脂磨损率低，且操作简单[8-9]。

根据吸附、淋洗时间要求，结合离子交换塔选型计算，选择3塔串联吸附、2塔串联淋洗，并预留1塔来满足竖井延深时矿井水量增加的需求。本矿井水处理工艺流程如图1所示。矿井水经澄清池澄清后，泵入离子交换塔吸附，吸附尾液外排；淋洗剂由塔顶进入，对饱和树脂淋洗；淋洗合格液流入淋洗合格液贮槽，然后泵入罐车运至水冶厂处理。

图1 矿井水处理工艺流程Fig. 1 The process flow diagram for mine water treatment

1.4 主要设备选型计算

1.4.1 矿井水澄清池

矿井水停留时间按正常涌水量停留12 h考虑。结合现场地形，通过拉格朗日函数按定体积求澄清池的经济边长，设计澄清池单池规格为长×宽×高=18 m×4 m×3 m，结构为钢筋砼池，共设置3座，总容积648 m3，并预留1个矿井水澄清池来满足矿井延深后水量增加的需求。

1.4.2 离子交换塔

以270 m中段矿井水最大处理量2 019 m3/d，料液波动系数1.1，吸附空塔速度20 m/h(一般密实固定床空塔速度20～30 m/h)[10]，每天工作24 h来计算，塔直径D=[2 019×1.1/(20×24×π)]1/2×2=2.42 m，设计取塔径2.5 m。

根据矿井水含铀特性，选用201×7强碱性阴离子树脂，单塔床层高3.5 m。考虑树脂膨胀等因素，塔直筒段取5.5 m。当填充树脂后，树脂床层孔隙率约为0.35，吸附液在床层中线速度为20/0.35=57 m/h。为保证吸附时间大于10 min，总床层高度最少需9.5 m，因此设计3塔串联吸附。

淋洗空塔线速度取2 m/h，淋洗剂在树脂床层中的线速度为5.7 m/h。为保证淋洗时间大于60 min，总床层高度最少为5.7 m，因此设计2塔串联淋洗。

1.4.3 淋洗剂配制罐

单塔饱和树脂体积V=17.17 m3，淋洗剂总用量取3 BV(BV为树脂床层体积)，两塔共为103 m3。以12 h淋洗完毕考虑，淋洗剂流速为8.5 m3/h。因吸附周期为3～4个月，因此淋洗剂配制罐体积不宜过大，设计淋洗配制罐直径为1.8 m、高2.5 m，有效容积5.5 m3，共设置2个。

1.5 设备布置

按《岩土工程勘察规范》腐蚀性评价标准判定，该矿井水对钢结构具有弱腐蚀性，厂房不宜采用钢结构。因该矿处于南方地区，可利用自然通风。因此，本矿井水处理厂房选择混凝土框架结构，厂房为局部二层，一层设2 m高围墙。

厂房内设备布置需满足工艺流程要求，满足操作、检修和施工要求，且尽量减少占地[11]。矿井水依次经过澄清池和离子交换塔，5台离子交换塔中心线对齐成排布置在厂房一侧，另一侧布置值班室、合格液贮槽、淋洗剂配制槽及吊装检修区，中间为操作主通道。在厂房二层设置电动葫芦，为离子交换塔、输送泵及搅拌器吊装服务。该矿井水处理设施三维设备布置如图2所示。

图2 矿井水处理设施三维设备布置图Fig. 2 The three-dimensional equipment layout of the mine water treatment facility

1.6 设备及管道材质

矿井水呈弱酸性，淋洗剂(氯化钠和碳酸钠)为弱碱性，体系中主要腐蚀介质为矿井水和淋洗剂。不锈钢在含氯化物溶液中不耐应力腐蚀，易发生点蚀及缝隙腐蚀，且相比于普通碳钢，不锈钢成本更高[12]。因此，离子交换塔不宜选用不锈钢材质；可选择以碳钢为主体，内衬防腐材料，如内衬环氧树脂、聚酯、聚氨酯、聚四氟乙烯等。其中环氧树脂耐酸碱腐蚀性好、粘结强度高，可在-10～80 ℃使用；相比其他内衬材料，还具有施工简单、价格低廉的特点，被广泛应用[13-16]。

该矿井水具有弱腐蚀性，操作温度为常温，操作压力约为0.5 MPa，整个运行条件均在环氧树脂承受范围内。因此，离子交换塔、淋洗剂配制罐选碳钢衬环氧树脂，室外矿井水澄清池、淋洗合格液贮槽为砼衬环氧树脂。

各类材质管道的适用性及价格见表2，表中价格均为DN100、PN1.0MPa规格管材的价格。针对介质的化学腐蚀特性和操作条件，输送管道不宜选用纯钢管或一般牌号不锈钢；而钢衬防腐材料管道的成本较高，因此选择工程塑料管。工程塑料管适用于不同情况腐蚀介质，且安装维修方便快捷，价格低廉。

表2 不同材质管道适用性及价格Table 2 The applicability and price of pipes of different materials

因本工程有室外管线，由于聚氯乙烯(PVC)管不耐长久日晒；因此综合考虑耐受性、价格因素，可选择FRPP、UPVC或HDPE等工程塑料管。

2 经济效益分析

处理矿井水的总成本包括原材料消耗、人工费、设备费、电耗等，按正常水量(1 275 m3/d)计算，各项成本见表3。

表3 矿井水处理费用明细Table 3 The cost list of mine water treatment

经测算，矿井水处理成本为1.58元/m3；其中电费占总成本比例最高，达46%。矿井水输送泵为主要耗电设备。因此，需选择合适的输送泵型号和配置变频器，根据实际矿井水量来实时调节矿井水输送泵参数，以减少泵的能耗，降低矿井水的处理成本。

3 工程运行效果

本工程2014年建成，离子交换塔采用钢衬环氧树脂，玻璃钢布采用中碱无捻粗纱方格玻璃纤维布，共衬3层，衬布厚度：里层0.2 mm，中间层0.4 mm，外层0.2 mm。管道采用FRPP管，设计处理水量2 100 m3/d，出水中铀质量浓度小于0.3 mg/L。实际运行中，树脂操作容量约23 mgU/mL。经2年运行，设备及管道未见明显腐蚀，设施运行良好，出水水质监测结果见表4。出水水质均符合《铀矿冶辐射防护和环境保护规定》中的排放限值要求。

表4 出水水质监测结果Table 4 Test results of effluent water quality

4 结论

采用澄清-吸附-淋洗工艺流程处理含铀矿井水，可使矿井水达标排放。设计采用带顶混凝土框架结构厂房，无需整体封闭，既可减少厂房造价又有利于厂房通风。厂房内塔体一排布置，塔区局部二层，既有利于人员操作，又有利于厂房的整体性。离子交换塔设备选用碳钢内衬环氧树脂，管道选用FRPP工程塑料管，既满足耐腐蚀要求，又具有很好的经济性。矿井水水输送泵能耗费用占矿井水处理总成本的46%，应合理选择泵型号和配置变频器，来降低矿井水处理成本。