某鈾礦含氟礦井水處理工藝設計及運行分析

張 羽,陳偉山,楊彥虎

(中核第四研究設計工程有限公司,河北 石家莊 050021)

由于某鈾礦礦石具有螢石含量高的特性,礦井水中除放射性元素鈾超標外,非放射性元素氟也存在超標現象。鈾礦冶企業須將礦井廢水處理達標后排放。如直接采用化學或物理方法從該體系中除氟,存在鈾元素被沉淀或吸附等情況,無法實現鈾資源的充分回收。因此,在處理工藝中先采用離子交換法吸附鈾,對吸附尾液再進行氟元素的處理,保證鈾的回收利用,最大限度實現節能減排。由于離子交換法除鈾工藝在鈾礦冶企業應用較為成熟,所以筆者重點對某鈾礦礦井水除氟工藝的方案設計、設備選型及運行管理等進行分析。

1 礦井水除氟工藝設計

1.1 水質分析

某鈾礦床地下水水質類型主要為HCO3-Ca·Na型,HCO3-SO4-Na和SO4-HCO3-Ca·Mg型水次之,浸蝕性CO2質量濃度為5.29～25.43 mg/L。在構造帶和變質巖地下水中Ca2+、Mg2+增高,巖漿巖地下水中K+、Na+增高。地下水的礦化度為0.05～0.17 g/L,屬低礦化、弱酸性至中性水。礦床開采期間,地下水的鈾質量濃度達1.42～3.84 mg/L。根據《巖土工程勘察規范》判定,地下水對混凝土結構和鋼結構均具有弱腐蝕性。

礦井水經密實固定床離子交換工藝吸附除鈾后再進入除氟工藝處理設施[1]。礦井水主要組分和排放限值(《鈾礦冶輻射防護和輻射環境保護規定》和《污水綜合排放標準》一級標準)見表1?？梢钥闯?礦井水經過離子交換除鈾后,除氟質量濃度和pH超標外,其余污染物組分均滿足排放限值要求。

表1 礦井水主要污染物組分及排放限值Table 1 Main pollutant components and emission limits of the mine water

1.2 除氟工藝選擇

目前,應用比較普遍的含氟廢水處理技術主要有化學沉淀法、混凝沉淀法、吸附法等,其中化學沉淀法主要用于處理高濃度含氟廢水,存在氟離子難以達標排放的問題,需要和其他方法聯合使用;吸附法適用于處理低濃度含氟廢水,但需要特定設備且吸附劑再生頻繁,成本較高[2]。離子交換法、膜分離法、電凝聚法等應用相對較少,其中離子交換法也存在樹脂再生問題,且再生過程容易造成氟離子二次污染;膜分離法處理效果好,不引入雜質離子,但運行成本高,存在濃鹽水后處理問題,操作管理較復雜;電凝聚法存在電極鈍化,不易清理,專業維護費用高等問題[3]。

該礦井水氟離子平均質量濃度為22.01 mg/L,屬于低濃度含氟廢水?；炷恋矸捎糜谔幚淼蜐舛群鷱U水,廢水與絮凝劑混合后形成絮體,通過吸附、配合、離子交換等作用將氟去除[4]126?；炷恋矸ㄔO備簡單,操作管理簡便,較為適合該鈾礦含氟礦井水的水質特點和運行管理水平。因此,礦井水除氟處理工藝采用混凝沉淀法,工藝流程見圖1。

1—提升泵;2—靜態混合器;3—垂直軸槳葉攪拌機;4—桁車式吸泥機;5—中心傳動濃縮機;6—自動廂式壓濾機;7—污泥泵;8—電動葫蘆;9—NaOH加藥裝置;10—PAC加藥裝置;11—PAM加藥裝置;a—礦井水;b—污泥;c—污泥上清液。圖1 礦井水除氟工藝流程示意圖Fig. 1 Schematic diagram of mine water defluorination process

1.3 除氟藥劑選用

當采用聚合氯化鋁(PAC)絮凝除氟時,在氟離子質量濃度低于100 mg/L條件下,對廢水的處理效果好。此外,聚丙烯酰胺(PAM)作為助凝劑,可以充分發揮其吸附架橋作用,促進絮凝體快速形成,并使沉淀速度加快[4]128。因此,除氟工藝的絮凝劑和助凝劑分別選用PAC和PAM。

1.4 主要構筑物、設備選型及控制

鈾礦山礦井水處理設施使用年限較長,即使礦井退役后,礦井水仍在不斷外排,如采用一體化處理設備(多為碳鋼材質),在南方潮濕氣候下容易腐蝕老化。因此,主要處理構筑物采用鋼筋混凝土結構,在構筑物內壁襯環氧樹脂防腐。

某鈾礦井在礦床開采期間,正常排水量約為2 382 m3/d,最大排水量約為3 179 m3/d。礦井水處理規模按最大排水量考慮,設計處理量Q=3 200 m3/d=0.037 m3/s。

1.4.1 調節池

礦井水經離子交換塔除鈾后進入調節池,調節池水力停留時間6 h,總有效容積為800 m3。根據地形條件,其規格為20 m×12 m×4 m(長×寬×深)。調節池采用半地下式鋼筋混凝土結構,內設2臺提升泵。

1.4.2 混合設施

管式靜態混合器構造簡單,不需外加動力設備,安裝及維護管理方便,且不需另建混合池,節省占地面積[5]。蜂窩狀高頻旋流混合器是1種新型管式混合器(圖2),它在特制圓管內串聯安裝多道環狀ABS混合內芯,混合內芯前端裝有分流帽;通過分流帽和蜂窩內芯多單元多級折轉水流方向,形成水流高頻次微渦旋并打破跟隨效應,使藥劑與水流迅速混合均勻,從而達到快速水解、聚合及顆粒脫穩的目的。本研究混合設施選用高頻旋流混合器。本工藝選用蜂窩狀高頻旋流混合器,管徑(d)=225 mm,長(L)=3 m。以下對相關參數進行計算。

1—分流帽;2—ABS混合內芯;3—固定法蘭;4—加藥口;5—目鏡;6—特制圓管;7—可伸縮法蘭。圖2 蜂窩狀高頻旋流混合器構造示意圖Fig. 2 Structure diagram of honeycomb high frequency cyclone mixer

1.4.2.1 總水頭損失計算

管道截面積(S)計算:

管道流速(v)計算:

分流帽處流速(v帽)計算:

分流帽處局部水頭損失(h帽)計算:

混合內芯流速(v內芯)計算:

混合內芯水頭損失(h內芯)計算:

混合器沿程水頭損失(h1)計算:

混合器總水頭損失(h總)計算:

h總=h1+n(h帽+h內芯)=0.021+3(0.044+

0.174)=0.675 m>0.5 m;

式中:K1—分流帽與管道斷面面積比,K1=30%;ξ1—分流帽處局部水頭損失系數,取0.5;β—混合內芯等效開孔比,取0.5;ξ2—蜂窩混合內芯處局部水頭損失系數,取1.0;L—管式混合器總長度,取3 m;n—串聯放置的混合內芯個數,取3;i—水力坡降(m/m),查管道水力計算表可知,在Q=0.037 m3/s、d=225 mm時,水力坡降1 000i=6.84[7]350。由于單個混合內芯有效容積占整個管道混合器的比例很小,所以混合內芯對沿程水頭損失的影響可忽略不計。

1.4.2.2 混合時間計算

管道混合器的總體積(V總)計算:

V總=S·L=0.04×3=0.12 m3;

單個混合內芯有效容積(V芯)計算:

V芯=S·L1·K2=0.04×0.18×10%=0.000 72 m3;

管道混合器有效容積(V有效)計算:

V有效=V總-nV芯=0.12-3×0.000 72=0.118 m3;

混合時間(t)計算:

t=V有效/Q=0.118/0.037=3.2 s>3.0 s

式中:L1—單個管道混合器內芯長度,取0.18 m;K2—單個管道混合器內芯的有效容積占比,取10%;n—串聯放置的混合內芯個數,取3。

通過計算可知,主要設計參數滿足水流通過混合器的總水頭損失(h總)不小于0.5 m、混合時間(t)不小于3 s的要求[6]25。管式靜態混合器與其他混合設施相比,雖然其水頭損失較大,但因混合效果好,總體上具有一定優勢[8]。

1.4.3 絮凝反應池

絮凝反應池采用3格串聯,每格設1臺攪拌機,攪拌強度由大到小。絮凝池隔墻過水孔上下交錯布置,使水流分布均勻。每格池壁四周設4塊固定擋板,增強水流紊動。攪拌軸及葉輪等設備均考慮防腐。

1.4.3.1 絮凝反應池池體

除氟礦井水經管道混合器與藥劑充分混合后,進入絮凝反應池,絮凝時間(T)=20 min,有效容積(V)=44 m3,平均分成3格,每格尺寸l0×b0×h0=2.0 m×2.0 m×4.0 m(長×寬×深),有效水深(h)=3.7 m,單格有效容積(V1)=2.0 m×2.0 m×3.7 m=14.81 m3,采用半地下混凝土結構。

1.4.3.2 絮凝池攪拌設備

葉輪直徑(D)=1.60 m,取池寬的80%;葉輪槳板中心點旋轉直徑(D0)=[(800-350)/2.0+350]×2.0/1 000=1.15 m;單個槳板長(l1)×寬(b1)為1.2 m×0.10 m,l1/D=1.2/1.6=0.75,滿足長徑比不大于0.75的要求[5]519。每根軸上槳板數(n1)=8個,內側、外側各4個。每格池壁上固定擋板數(n2)=4個,每個擋板長(l2)×寬(b2)=1.0 m×0.18 m(圖3)。

過水斷面面積(A0)=l0×h=2.0 m×3.7 m=7.4 m2,旋轉槳板總面積與過水斷面面積之比(m1)為

固定擋板總面積與絮凝池過水斷面積之比(m2)為

旋轉槳板與固定擋板總面積占過水斷面積之比(m)為

m=m1+m2=13.0%+9.7%=22.7%。

計算表明,滿足m<25%的要求[5]519。

1.4.3.3 每格攪拌器功率及速度梯度計算

機械絮凝池線速度宜自第一級的0.5 m/s逐漸變小至末級的0.2 m/s,分別取第1、2、3格葉輪槳板中心點的線速度v1=0.5 m/s、v2=0.35 m/s、v3=0.2 m/s[9]。第1格葉輪轉數和葉輪旋轉角速度計算公式為[5]520-523

表2 絮凝池每格葉輪主要指標Table 2 Main indexes of impeller in each grid of flocculation tank

1.4.3.4 平均速度梯度及驗證

絮凝反應池平均速度梯度計算公式為[5]520-524

GT=52×20×60=6.24×104,

式中:N0—絮凝池所耗總功率,kW;η1—攪拌器機械總效率,取0.75;η2—傳動效率,取0.7;N—電動機功率,kW;μ—動力黏度,按水溫20 ℃計,取102×10-6kg·s/m2;G—絮凝反應池平均速度梯度,s-1;T—絮凝時間,min。

絮凝效果不僅與G有關,還與絮凝時間有關,通?？刂破骄鵊在20～70 s-1,平均GT值在1×104～1×105[8]269,經核算G和GT值均滿足要求。攪拌設備選用3臺LFJ-160型立式攪拌機,裝機功率分別為0.37、0.25、0.18 kW,采用齒輪式擺線針輪減速裝置,可設置多檔轉速。由于實際工況較復雜,選用的攪拌機功率比理論計算值大,可根據現場運行情況調節葉輪轉速以適應水質變化,達到最佳處理效果。

1.4.4 斜管沉淀池

斜管沉淀池具有沉淀效率高、占地面積小等優點,可大幅度降低雷諾數,水流基本屬層流狀態,因此,沉淀工藝采用斜管沉淀池[8]305。

斜管沉淀池液面負荷(u0)=3.6 m3/(m2·h),斜管材料采用塑料片熱壓六邊形蜂窩管,斜管長度(l斜)=1.0 m。

斜管沉淀池清水區面積(A)計算:

A=Q/v清=0.037/(1/1 000)=37 m2;

清水區實際需要面積(A1)計算:

A1=A×1.05=37×1.05=38.85 m2

斜管內流速(v管內)計算:

v管內=v清/sinθ=1.0/sin60°=0.115 cm/s;

水力半徑(R)計算:

R=d/4=30/4=0.75 cm;

雷諾數(Re)計算:

式中:v清—清水區上升流速,通過液面負荷計算得出v清=1.0 mm/s;θ—斜管水平傾角取60°;d—斜管內切圓直徑為30 mm;ν—運動黏度(水溫t=20 ℃時,ν=0.01 cm2/s);斜管結構占用面積按5%計。

雷諾數是判斷沉淀效果的重要指標,經核算斜管內雷諾數<100[5]537,符合設計要求。斜管沉淀池尺寸為8.6 m×4.6 m×4.0 m,有效水深3.6 m,沉淀時間14 min。斜管沉淀池與絮凝沉淀池合建,一端通過穿孔花墻向沉淀池進水,另一端通過集水槽出水。

斜管沉淀池采用HJX-9型桁車式吸泥機,泵吸式排泥,采用機械排泥方式,可充分發揮沉淀池的容積利用率[10]。通過桁車往復行走吸排池底污泥,不擾動水體,排泥可靠。

1.4.5 污泥濃縮池

污泥濃縮池液面負荷取0.2 m3/(m2·h),設計水力停留時間25 h,濃縮池尺寸為φ9.0 m×4.0 m,有效水深為3.7 m。采用地上式鋼筋混凝土結構,選用1臺NZ-9型中心傳動濃縮機,對斜管沉淀池排出的污泥進行濃縮,進一步分離污泥中的間隙水,以減少污泥體積,提高污泥濃度[11]。

1.4.6 自動廂式壓濾機

壓濾機處理能力為18 kg/(m2·h),過濾周期按1 h設計,每天3班,每班1次,選用2臺XMZ100/1000-UB自動廂式壓濾機,每臺過濾面積100 m2,濾室容積1.51 m3。自動廂式壓濾時作用于泥餅兩側的壓力差比真空過濾時大,能將含水率從97%～98%降到75%,體積縮小到脫水前的1/8～1/12,出料含水率低,濾餅便于運輸和處理[12]。

自動廂式壓濾機可自動卸料、組裝、自動洗刷濾布,運行效率高。濾板材質為TPE彈性體無堿玻纖聚丙烯,濾板耐高溫高壓、防腐密封好。壓濾產生的污泥運至尾渣庫填埋處置。

1.4.7 加藥裝置

PAC及PAM投加裝置均選用JY-Ⅲ型自動加藥裝置,各1套,計量泵投加量為30～390 L/h,溶解槽容積為1 000 L,溶液槽容積為2 000 L。

NaOH投加裝置選用JYB型玻璃鋼液體攪拌機1套,計量泵投加量為0～20 L/h;溶液槽容積700 L,材質為玻璃鋼。

1.4.8 輔助用房

輔助用房采用鋼筋混凝土框架結構,加藥間、值班控制室和污泥脫水間合建。加藥間和值班控制室設在一層,加藥裝置并排布置在加藥間內,藥劑存放在儲藥間內,在加藥間四周設圍墻。污泥脫水間為局部二層,自動廂式壓濾機布置在二層,設置電動葫蘆方便檢修;一層為出渣區,壓濾機自動拉板卸料,濾餅直接落入車中。在脫水間二層設有圍欄;脫水間為敞開式結構,采用自然通風。

2 運行控制及監測

采用PLC系統對礦井水除氟設施主要工藝過程實現自動控制,將主要設備運行情況、故障報警信號及各項監測儀表數據傳至值班控制室,便于值班人員根據監測數據及報警信號進行現場操作管理。

礦井水調節池內設液位監測裝置,通過設置高低液位信號自動控制礦井水提升泵啟停;在礦井水調節池進水位置設置在線pH監測裝置和在線氟離子監測裝置,根據pH監測值對NaOH投加量進行實時控制。由于礦井水水質和水量隨季節變化明顯,但在每個季節周期內水質相對穩定,因此可根據水質監測數據定期調控PAC及PAM的投加量。

在絮凝池進水管上設置電磁流量計和水力開關,水力開關聯鎖控制PAC加藥裝置計量泵啟停,同時通過時間延遲信號聯鎖控制PAM加藥裝置啟停。在絮凝池第2格設置在線pH監測裝置。

在斜管沉淀池內設置泥位計,根據污泥液位控制桁車式吸泥機的啟停;在沉淀池出水區設置在線氟離子監測裝置和pH監測裝置,監測出水水質情況。在重力濃縮池內設置泥位計,根據污泥液位自動控制污泥輸送泵的啟停。

3 處理費用分析

礦井水除氟設施處理費用主要包括外購原材料、動力費、職工薪酬、固定資產折舊費、修理費等(表3)。根據投入運行首年成本費用計算,礦井水除氟設施處理費用為2.14元/m3,其中PAC藥劑費用占處理費用的43%,動力費占24%。

表3 噸水處理費用分析Table 3 Cost analysis of the water treatment per ton

4 運行效果分析

本工程的首年運行監測數據顯示,出水氟離子濃度滿足排放標準限值要求(表4)。

表4 除氟出水主要污染物組分Table 4 Main pollutant components of mine water after fluoride removal

5 結論

1)混凝沉淀法處理含氟礦井水工藝簡單,操作管理簡便,維護管理成本較低。將礦井水pH控制在6.5～7.5時,絮凝除氟反應效果最好。

2)為保證混合和絮凝反應過程中的最佳水力條件,礦井水提升泵要求采用工頻泵,以保證平均流量基本穩定。運行過程中可以根據進水水質變化,適當調節絮凝槳葉攪拌轉速,保證反應效果。

3)斜管沉淀池液面負荷基本控制在3.6 m3/(m2·h),適當延長沉淀時間,降低雷諾數,可提高出水水質。