高密度泥浆法处理矿山酸性废水.pdf

第5 7 卷第4 期 2005 年1 1 月 有色金属 N o 1 f e ㈨M e t a l s V 0 1 ．5 7 。N o ．4 N o v e m b e r2005 高密度泥浆法处理矿山酸性废水 杨晓松1 ，刘峰彪1 ，宋文涛1 ，占幼鸿2 1 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 ；2 江西铜业集团公司德兴铜矿，德若3 3 4 2 2 4 摘要研究高密度泥浆法处理矿山酸性废水工艺，并实际应用予德兴铜矿工业废水处理工程。结果表明，高密度泥浆法工 艺可减少石灰消耗量5 ％～1 0 ％，沉淀污泥含固率选2 0 ％- - 3 0 ％，提高趾理能力量，降低处理成本，减轻管道的结垢理象，是处理 酸性废水的先进实用技术。 关键词环境工程；酸性废水；高密度石灰法；址理工艺 中图分类号X 7 0 31 ；X 7 5 1 文献标识码A 文章编号1 0 { 1 0 2 1 1 2 0 0 5 0 4 0 0 9 7 0 4 石灰法是处理矿山废水的传统方法，工艺简单， 成本低，但存在结垢严重，易堵塞管道及沉淀污泥量 大，容易造成二次污染等弊端。国内外一直十分注 重对石灰法进行改进，研究出了一系列改进的新方 法和新工艺。其中加拿大国际发展公司 t h eF e d e r a lC a n a d i a nI n t e r n a t i o n a lD e v e l o p m e n tA g e n c y 研究 成功的高密度泥浆法 H D S 法 具有较多优点，主要 特点是处理后污泥密度高，便于处置和运输，降低处 理成本，提高处理水量，大大降低了管道结垢现象。 针对德兴铜矿石灰法处理工艺改造，北京矿冶研究 总院、江西铜业公司和加拿大国际发展公司合作进 行现场试验，并用于工程改造，收到了满意效果。 1实验方法 所用德兴铜矿产生的酸性和碱性废水水质指标 见表l 。试验过程按照国家标准“水和废水监测分 析方法”进行分析监测。小型试验流程见图1 。试 验装置由2 个反应槽、2 个混合槽、1 个沉淀槽及多 台计量泵组成。 表1 酸性废水和碱性废水的水质 T a b l e1W a t e rq u a l i t yo fa c i d i ca n db a s i cw a s t e w a t e r 试样pH 丝生生．些皇塑 ”i 2 ／ m g L 。1 ／ g - L 。1 碱性永 1 16 32 7 0114 5 0 ．2 46 5 0 4 8 33 8 石 碱性废水 图1H D S 小型试验流程 F i g ．1 F l o w s h e e to fa b b r e v i a t e dl a be x p e r i m e n to fH D S 2 试验结果及分析 2 ．1 石灰中和滴定曲线 收稿日期2 0 0 5 0 6 2 4 基金项目国家“十五”科技攻关项目 2 0 0 4 B A 6 1 0 A 1 1 作者简介杨晓松 1 9 6 5 一 ，男，黑龙江齐齐哈尔市人．教授级高 工，主要从事环境治理与环境评价等方面的研究。 每次取水样5 0 0 m L ，进行了小批量中，并与石 灰滴定曲线进行对比．结果见图2 。 图2 中和试验与石灰滴定曲线对} B F i g ．2C o m p a r i s o no fn e u t r a l i z i n ge x p e r i m e n t t ol i m et i t r a t i n gc u r v e 由图2 可见，两条曲线没有拟合，小批量中和试 验曲线在滴定曲线的下方，加人同样量的石灰批量 试验溶液中的p H 会略低。两组试验结果的偏差显 万方数据 有色金属第5 7 卷 示批量试验中加入的石灰有一部分被沉淀物所包覆 而没发挥中和作用，石灰的利用效率比滴定时要低， 常规石灰法需要消耗过量的石灰才能达到工艺要 求，运行费用会增加。在H D S 工艺中，泥浆底流回 流到中和池中，使石灰得以充分 尽可能接近 1 0 0 ％ 地利用，可以减少石灰的整体消耗量。 2 ．2 中和反应产泥量 取系列酸性水样，加入石灰调节成1 3 个不同 p H 的溶液，即p H 为2 ．6 ，5 ．0 ，5 ．5 ，6 ．0 ，6 ．5 ，7 ．0 ， 7 ．5 ，8 ．0 ，8 ．5 ，9 ．0 ，9 ．5 ，1 0 ．0 ，1 0 ．5 ，再加入絮凝剂 P A M 搅拌，沉淀3 0 m i n 后取上清液分析，得到在 一组p H 下的石灰投加量、处理效果和产泥量的结 果，如表2 所示。 表2 不同p l t 条件下石灰投加量和产泥量及处理效果 T a b l e2 D e l i v e r i n ga m o u n to fl i m e ，o u t p u to fm u da n dd i s p o s i n ge f f e c tu n d e rd i f f e r e n tp H 由表2 可以看出，在p H 6 ．0 时 每升酸性水 加入5 ．1 3 9 石灰 除M n 外所有金属都达标，在p H 8 ．0 时，重金属含量比较少，都达到国家污水综合 排放二级标准。 2 ．3 酸碱混合废水石灰用量 对一系列不同配比 碱性水倦性水 的废水中 投加石灰乳，将酸碱混合废水的p H 调节控制在7 ．5 和8 ．5 ，得到一系列相应的石灰用量。绘制出碱性 水／酸性水比例和石灰投加量关系，并通过线性回归 得到相应的回归曲线，见图3 。由图3 可以看出，尽 p E 岜 蝴 耀 罂 摧 忸 图3 碱性水／酸性水比例和石灰投加量关系 F i g3R e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o p o r t i o no fb a s i c w a t e rt oa c i dw a t e ra n dI i m ed o s a g e 管大量的数据点很分散，当碱性水倦性水 1 ．4 5 p H 8 ．5 时，石灰投加量为5 k g ／m 3 ，经过多次试 验，一般废水处理后p H 8 ～8 ．5 时，每立方米酸性 废水需要有效石灰用量8 ．5 k g 。另外，使用碱性废 水可以节省石灰用量。进一步调整工厂运行和长期 稳定的操作可以使没有反应的石灰和污泥中的 C a C O ，连续循环，从而提高石灰的使用效率，从已经 运行H D S 工艺中，可以证明H D S 工艺比L D S 更节 省石灰的用量。 2 ．4 絮凝剂对处理效果的影响 1 絮凝剂选择。分别选择了有代表性的阴离 子、非离子性和阳离子混凝剂，如M 1 0 1 1 中阴离子 性 、M 3 5 1 非离子性 、M 1 5 6 强阴离子性 和M 1 5 5 阴离子性，中等尺寸聚合球状 等。采用不同浓度 和投加量进行比较，结果见图4 。结果表明絮凝剂 M 1 5 5 生成的絮凝物沉淀快，效果比较好。 2 絮凝剂最佳投加量。将1 0 0 0 r o t ，新生成的 污泥加入到一个1 0 0 0 m [ 。的量筒中，将筛选出M 1 5 5 絮凝剂加入到污泥中，浓度范围5 ～5 0 m g ／L ，以 l O m g 递增加人，将量筒上下翻转振动1 0 次，当出现 清晰的界面时记录不连续的时间间隔。结果见图 5 。通过试验确定用量在6 ～1 2 m g ／L 效果最佳。由 万方数据 第4 期杨晓松等高密度石灰法处理矿山酸性废水 量 摧 图4 各种絮凝剂对污泥的沉降速率 F i g ．4M u ds e d i m e n t a d o nr a t ew i t hv a l ．i o u sf l o c c u l a t a n t s 于底泥回流，絮凝用量会有所下降。试验表明，6 ～ 1 0 m g ／L 的絮凝剂用量絮凝物容易生成，且沉降速 度较快，一般在3 0 m i n 内S S 可沉降8 0 ％以上，并可 得到含固率1 0 ％～1 5 ％的沉淀底泥。由于絮凝剂 M 1 5 5 投加量1 0 m g ／L 试验效果比较稳定，故半工业 试验中絮凝剂推荐使用量为1 0 m g ／L 。 g { 捌 谯 图5 絮凝剂M 1 5 5 投加置对处理效果的影响 F i g5 E f f e c t so ff l o e e u l a t a n tM 1 5 5d o s a g eO nd i s p o s a l 2 ．5 反应和沉淀时间对处理效果的影响 反应和沉淀时间是反应或沉淀设备的工作体积 除以废水进水量和底泥回流量的总和。因石灰投加 量相对很小，所以未计人该部分体积。经试验表明， 在p H 7 ．5 ～8 ．5 时处理后废水基本达标，反应器 中合适的反应时间为1 5 ～3 0 m i n ，沉淀停留时间为 3 0 ～4 5 r a i n 。在p H 7 ．5 时，出水中C u0 ．2 l m g ／L ， F e1 ．3 3 m g ／L 。当p H 6 ．0 ，停留7 5 m i n 时，出水含 C u0 ．1 4 m g ／L ，I C e0 ．8 2 m g ／L 。在p H 8 ．0 ，停留时 间为4 5 m i n 的条件下，得到的结果最佳，溢流排放液 中仅含C u0 ．0 6 m g ／L 和F e0 ．7 9 m g ／L 。为此，在设 计时反应时间选为2 0 ～3 0 m i n ，停留时间为4 5 r a i n 比较合适。 2 ．6 底泥回流速率 M S R 对处理效果的影响 将质量回流比或底泥回流速率 M S R 定义为 底泥回流的含固量相对于新产生固体量的比率。整 个半工业试验中，底泥回流和排放速率主要是控制 沉淀器中沉泥的界面。沉淀停留时间也受底泥回流 速率影响，并且高的底泥回流比有助于提高底泥密 度，但由于酸性废水中铁、铝和硫酸盐含量高，使得 产固率很高，所以沉淀器沉淀能力又限制底泥回流 比在1 0 1 内，对含固量高于3 0 ％的底流，形成的是 粘稠泥浆，难以输送。如果想要更高密度的底流，则 需要两级H D S 流程，第一级在低p H 、高底泥回流速 率下运行。试验结果表明，1 0 1 或更小的M S R 已 经足够，一般M S R 在2 ～4 1 时设备可稳定运行， 且效果较好。 2 ．7H D S 工艺的主要设计参数 通过试验确定了H D S 工艺的设计参数，为工程 改造提供依据。H D S 主要工艺参数为酸性水碱 性水 进水比例 1 1 ．5 ～2 ；石灰／浆料混台槽反应时 间 连续 3 m i n ；循环率 M S R ， 连续运转 2 ～4 ；絮 凝剂投加量 P A M ，5 ～1 0 9 ／m 3 ；中和反应时间2 0 ～3 0 r a i n ；沉降时间不小于4 5 m i n 。 2 ．8H D S 工艺降低结垢腐蚀的机理探讨 酸性废水产生是在空气、细菌的综合催化作用 下，矿石中硫化物在雨水浸泡下产生硫酸盐和亚硫 酸盐。为了减少酸化水污染，需要用石灰来中和酸 性永，沉淀废水中的金属离子。普通石灰中和法会 产生大量的固料含量不足5 ％污泥，石灰提高了废 水p H ，得到的沉淀物主要是石膏，化学反应为 C a O H 2 H 2 S 0 4 H 2 0 C a S 0 4 ‘2 H 2 0 和 M e S 0 4 C a O H 2 2 H 2 0 一C a S 0 4 ‘2 H 2 0 ● M e O H 2 。 高密度泥浆法 H D S 工艺的特点是石灰中和获 得的稀疏浆料 通常为1 ％～4 ％的含固率 通过底 流循环出现比较显著晶体化现象，即沉淀污泥的粗 颗粒化、晶体化来改进沉淀物形态和沉淀污泥量。 这样往复多次循环使浆料里所有残留的中和潜力都 能得到充分使用，产生密度高于2 0 ％固料量的沉降 污泥，有效地减小了碱和沉淀物对设备管道的附着 力，从而减缓了对设备的腐蚀。 2 ．9 实际应用效果 2 ，9 ．1 德兴铜矿工业废水处理现状。改造前工业 水处理站采用普通石灰法处理工艺，处理规模为酸 性废水8 6 0 0 m 3 ／d ，碱性废水2 0 0 0 0 m 3 ／d ，酸性水／碱 性水 1 ／2 ，合计处理能力2 8 6 0 0 m 3 ／d 。运行费用 包括电费、药剂费和人工费 为5 ．3 元／m 3 酸性废 水。处理站运营中存在主要问题有 1 酸性废水与 石灰及碱性废水快速混合后，结垢现象严重，导致废 水混台槽出口分流至两个q 3 0 m 浓密池的管道及浓 万方数据 1 0 0有色金属第5 7 卷 密池本身结垢严重，废水处理系统运行效率低，达不 到设计处理能力指标； 2 矿山废水不能得到及时有 效的全部处理，污染环境； 3 产生的沉淀污泥含固 率不到1 ％，输送量很大，输送费用昂贵。 2 ．9 ．2 工程改造及其效果分析。采用H D S 工艺对 现有石灰中和法 L D S 进行了改造，通过技术经济 分析，与L D S 工艺相比，H D S 工艺有以下突出优点。 1 在不改变现有主体处理设施的前提下，废水 处理能力提高近1 倍，并有效地节省工程投资。在 利用现有工程主体设备的基础上，投资不足1 0 0 0 万 元补充一些必需设备和土建工程，即可将酸性水处 理能力提高了7 5 ％，总处理水量由目前的2 ．8 6 万 t ／d 提高到4 ．0 万t ／d ，折成日水处理工程费用仅为 8 8 0 元／t 混合水d 。如果采用原工艺进行扩建达到 4 ．0 万t ／d 处理能力，需投资3 8 0 0 万元，折成日水处 理工程费用3 3 4 4 元／t 混合水d ，费用增加2 ．8 倍。 2 有效减缓处理设施结垢现象，操作维护方 便。改造后，H D S 法的污泥含水率低，出水澄清，有 效地延缓设备、管道的结垢现象，可减少对设备等的 清理次数，一般1 年才清垢一次，保证了处理设施的 运行率。 参考文献 [ 1 ] 祝玉学 [ 2 ] 杨正全 [ 3 ] 黄坚 【4 ] 徐友宁 [ 5 ] 占幼鸿 3 减少石灰消耗量1 0 ％左右，节约药剂费用。 根据分析，当酸性水量碱性水量 1 2 时，处理酸 性水的单耗石灰用量为9 ．0 k g ／m 3 ，现有方法相同处 理量情况下石灰耗量平均为1 0 k g ／m 3 ，减少了 1 0 ％。按照改造后处理站每年处理酸性水4 0 0 万t 计，每年可减少石灰用量4 0 0 0 t ，以石灰价格2 5 5 ／ t 计，可节省石灰投加费用1 0 2 万元。 4 污泥产量减少到原来的1 ／2 0 ，显著地节省 污泥输送费。 由此可见，铜矿采用H D S 工艺对现有废水处理 站进行改造后，预计每年节省4 6 0 多万元运行费用， 同时提高处理能力近1 倍，效益显著。 3 结论 } Ⅱ S 法是与常规石灰法 u s 的革新和发展， 有效地解决了石灰法存在的弊端，是处理矿山酸性 废水的实用可行工艺。应用H D S 工艺对德兴铜矿 工业废水常规石灰法处理工艺改造后，石灰消耗量 减少5 ％～1 0 ％，沉淀污泥含固率达2 0 ％～3 0 ％，可 节省大量的污泥输送费用，降低处理成本，提高废水 处理量，减轻设备、管道的结垢现象，效果显著。 矿山酸性水的预防与预测[ J ] ．国外金属矿山，1 9 9 8 ， 4 6 2 6 8 ． 李晓丹，高波．矿山废水污染与防治[ J ] ．辽宁工程技术大学学报，2 0 0 2 ，2 1 4 5 2 3 5 2 5 ． 龚竹青，蒋汉瀛．矿山酸性废水综合治理方法的探讨[ J ] ．环境工程，1 9 9 8 ，1 6 6 1 9 2 4 ． 袁汗春，陈社斌，等．矿井水处理方法及其治理方案择优[ J ] ．能源环境保护，2 0 0 3 ，2 1 7 4 9 5 1 酸尾混合工艺研究[ A ] ／／矿山专业学术委员会论文集【C ] ．江西省金属学会矿山分会，2 0 0 4 3 5 3 9 D i s p o s a lo fA c i dW a s t eW a t e rf r o mM i n e sb yH D SM e t h o d Y A N GX i a o - s o n 9 1 ，L j UF e n g - b i a 0 1 。S O N GW e n ．t a 0 1 ，Z H A NY o u h a n 9 2 1 ．B e i j i n g G e n e r a l R e s e a r c hI n s t i t u t eo f M i n i n g ＆M e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a ； 2 ．D e x i n g C o p p e r M i n eo f J i a n g x i C o p p e r C o ．，L 耐．，D e x i n g3 3 4 2 2 4 ，J i a n g x i ，C h i n a A b s t r a c t T h ed i s p o s a lt e c h n o l o g yo ft h ea c i dw a s t ew a t e rf r o mm i n e sw i t ht h eH i g hD e n s i t yS l u d g e H D S m e t h o di s i n v e s t i g a t e d ，a n da p p l i e dt ot h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n go fi n d u s t r i a lw a s t ew a t e rd i s p o s a li nD e x i n g C o p p e rM i n eo f J i a n g x iC o p p e rC o ．，L t d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n s u m p t i o no fl i m ei sr e d u c e db y5 ％～1 0 ％，t h es o l i d c o n t e n ti ns e d i m e n tm u di su pt o2 0 ％- - 3 0 ％．a n dd i a p o s a lc a p a c i t yo ft h es y s t e mi si n c r e a s e d ．o p e r a t i o nc o s ti s d e c r e a s e d ，t h ef o u l i n gc a s ei sf e w e rb yt h ea d o p t i o no ft h eH i g hD e n s i t yS l u d g e H D S m e t h o d ．A l lo ft h e s ea d v a n t a g e si n d i c a t et h a tt h eH D Sm e t h o di sap r a c t i c a la n da d v a n c e dm e t h o df o ra c i dw a s t ew a t e rd i s p o s a l ． K e y w o r d s e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ；a c i dw a s t ew a t e r ；h i g hd e n s i t ys l u d g e ；d i s p o s a lt e c h n i q u e 万方数据