過堿中和處理含重金屬離子鈾礦山廢水

李世俊，王輝，孔凡峰，李南，康佳紅，王志遠(yuǎn)

(中核集團(tuán)北方鈾業(yè)有限公司，遼寧 葫蘆島 125100)

重金屬的污染是世界性環(huán)保問題，在未來的環(huán)保工作中，解決重金屬污染問題將是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在鈾礦山水冶生產(chǎn)中，經(jīng)硫酸堆浸后的尾渣排入尾渣庫后，經(jīng)風(fēng)化、雨水侵蝕、自然水沉降溶濾和氧化等一系列反應(yīng)，形成高硫酸鹽的酸性廢水，其pH 值在2.40 ～4.50，且含有鈾、錳、鉻、鐵、鋁、銅、鎂等金屬離子，嚴(yán)重危害著礦山生產(chǎn)及礦區(qū)周圍的環(huán)境。

廢水中重金屬離子的脫除方法很多，如化學(xué)沉淀法［1-2］、膜分離［3-5］、吸附法［6-9］、生物法［10-12］等。其中應(yīng)用較多的是中和沉淀法，采用生石灰作為中和劑具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、易于脫水、較穩(wěn)定化等優(yōu)點(diǎn)，但存在結(jié)垢嚴(yán)重，易堵塞管道及沉淀污泥量大，容易造成二次污染等弊端。另外，還有采用將石灰、NaOH、NaHCO3等堿性物質(zhì)投加到含重金屬廢水中，把待處理水的pH 值提高到9.5 以上，重金屬離子在溶解氧的作用下迅速地水解、氧化析出，從而達(dá)到除重金屬的目的。

筆者針對(duì)我國(guó)北方某鈾礦山尾渣庫滲出的含重金屬酸性廢水，采用過堿中和法，高密度泥漿回流式處理含重金屬酸性廢水，優(yōu)化了工藝和最佳工藝運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，效果良好。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

廢水，我國(guó)北方某鈾礦山尾渣庫滲出的酸性廢水，其成分組成見表1;生石灰(有效氧化鈣含量60%，30 目以下)、西伯朗(PAM，分子量600 ～1 800 萬)均為工業(yè)品;硫酸、過硫酸銨、乙醇、2-15-溴代-2-吡啶偶氮-5-二乙基氨基苯酸(Br-PADAP)等均為分析純。

表1 廢水原液中各成分的組成Table 1 All-round analysis of wastewater

PHS-3C 型pH 計(jì);FA2004 型電子天平;JJ-78-1型磁力攪拌器;101A-1 型恒溫干燥箱;721 型可見光光度計(jì);KS-1 型康氏振蕩器;SHZ-D 型水力循環(huán)真空泵。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

取定量廢水原液和濃密機(jī)底流高密度泥漿按照一定回流比攪拌反應(yīng)30 min，添加新鮮配制的石灰乳，二段過堿中和pH 值在10 ～10. 5，繼續(xù)反應(yīng)30 min，沉淀、過濾。濾液加硫酸回調(diào)pH =6 ～9，取樣分析關(guān)鍵指標(biāo)含量，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 8978—1996)后，直接外排。石灰乳的配制采用高密度泥漿與清水體積比1∶4 配制。

1.3 分析方法

用過硫酸銨氧化分光光度法測(cè)定濾液中Mn 的含量;Br-PADAP 分光光度法測(cè)定U 含量;鋇鹽比濁法測(cè)定SO42－;EDTA 容量法測(cè)定Fe(III);重鉻酸鉀容量法測(cè)定亞鐵(II);硫脲還原比色法測(cè)定Mo。

2 結(jié)果與討論

2.1 過堿中和pH 值對(duì)處理效果的影響

用石灰乳中和廢水至不同pH 值，沉淀澄清，取上清液測(cè)定各元素的殘余量，結(jié)果見表2。

表2 pH 值對(duì)脫除各元素效果的影響Table 2 Effect of pH on removing of various elements

由表2 可知，中和pH 值對(duì)各種元素的含量影響較大，pH 8 ～9 時(shí)，已除去廢水中大部分無機(jī)離子，但是有部分離子難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，pH 10.5 左右時(shí)，Mn 等離子達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，采用過堿中和的方法可以脫除廢水中的重金屬元素，使其達(dá)標(biāo)排放。

2.2 石灰滴定曲線

取10 組500 mL 廢水原液，分別加入1，2，3，4，5，6，7，8，9，10 g 生石灰，進(jìn)行中和小批量中試，結(jié)果見圖1。

圖1 中和實(shí)驗(yàn)與石灰滴定曲線比較圖Fig.1 Comparison of neutralizing experiment to lime titrating curve

由圖1 可知，中和實(shí)驗(yàn)曲線在滴定曲線的下方，也就是加入同質(zhì)量的石灰，中和實(shí)驗(yàn)沒有完全反應(yīng)，而是被沉淀物包覆，沒有完全發(fā)揮中和作用。石灰的利用率比滴定時(shí)要低，工業(yè)化生產(chǎn)中要消耗過量的石灰來達(dá)到所需要的pH 值，運(yùn)行費(fèi)用會(huì)增加，過量的石灰會(huì)在濃密機(jī)中繼續(xù)反應(yīng)，上清液呈現(xiàn)出“泛堿”現(xiàn)象，最后沉積在濃密機(jī)底流的泥漿中，造成大量浪費(fèi)。采用高密度泥漿回流可使石灰得到充分利用，降低原材料的消耗。

2.3 高密度泥漿回流實(shí)驗(yàn)

高密度泥漿法［13］(HDS)是將傳統(tǒng)石灰中和法沉淀池或濃密機(jī)中的底泥泥漿回流，先與石灰乳液混合后再與廢水反應(yīng)，或者先與廢水反應(yīng)后再與石灰乳反應(yīng)，使得形成高密度泥漿的技術(shù)，后來又延伸到一切工藝的泥漿返回處理技術(shù)。此工藝的優(yōu)點(diǎn)是充分利用了泥漿中未充分反應(yīng)的石灰，有效降低石灰耗量，一般降低石灰使用量為5% ～25%，減少了廢渣量，提高了處理量。同時(shí)，有效地脫除了廢水中錳、鐵、硫酸根等離子，增強(qiáng)了廢水處理后的感觀。2.3.1 回流比的確定廢水一段中和pH 隨著回流比(底流泥漿與廢水體積比)的變化關(guān)系見圖2。

由圖2 可知，隨著回流比的增加，底流泥漿中和廢水的pH 逐漸增加，當(dāng)回流比達(dá)到0.05 后，pH 可達(dá)到7.50，隨后隨著回流比的增加，pH 增加緩慢，逐漸拉平。說明余灰已經(jīng)充分利用，如果回流比超過0.1，隨著溶液總體積的增加，濃密機(jī)底流泥漿對(duì)提高中和pH 貢獻(xiàn)不大，同時(shí)也降低了處理量。所以，回流比宜選擇0.05 ～0.1。

圖2 回流比對(duì)中和pH 的影響關(guān)系圖Fig.2 Effect of reflux ratio on pH

2.3.2 高密度泥漿回流的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)選擇回流比為0.1 進(jìn)行高密度泥漿回流法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，與直接中和法分別中和至pH =10.5，過濾，取續(xù)濾液分析其中的U、Mn 的含量，沉渣烘干，稱重，結(jié)果見表3。

表3 兩種方法中和效果比較Table 3 Neutralization effect between immediate neutralization process and HDS

由表3 可知，兩種中和方法的pH、U、Mn 指標(biāo)都可以達(dá)到工藝要求，但是直接中和法石灰耗量為17. 2 kg/m3水，高密度泥漿回流石灰耗量為12.7 kg/m3水，耗灰量降低了26%左右。同時(shí)，濃密機(jī)底流回流使殘留的余灰充分發(fā)揮了中和作用，減少了污泥產(chǎn)生量，處理每立方米的污水污泥產(chǎn)生量降低了約6 kg，減少了運(yùn)輸費(fèi)用，節(jié)約處理成本。

2.3.3 高密度泥漿回流對(duì)絮凝沉降效果的影響分別采用直接中和法和高密度泥漿回流中和處理廢水pH 至10.5 左右，在1 000 mL 量筒中分別加入10 mL濃度為1 g/L 絮凝劑西伯朗(PAM)做沉降實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖3。

由圖3 可知，隨著沉降時(shí)間的延長(zhǎng)，中和漿體由疏松逐漸被壓實(shí)，澄清層高度逐漸增高，沉降曲線在40 s 左右逐漸水平持平。采用一次沉降實(shí)驗(yàn)圖解法［14］求解，以初始段的沉降曲線向下做切線，再以沉降壓縮后的曲線向左做切線，兩切線交于R，從R做角平分線，與沉降曲線交于P 點(diǎn)，P 即為計(jì)算沉降速度的臨界沉降點(diǎn)。在P 點(diǎn)做垂線，于橫坐標(biāo)交點(diǎn)即為沉降時(shí)間tp，水平線與縱坐標(biāo)交點(diǎn)即為沉降高度Hp。

圖3 高密度泥漿回流和直接中和法沉降曲線比較圖Fig.3 Sedimentation comparison of immediate neutralization process and HDS

直接中和法漿體沉降速度為:

二段中和法沉降速度為:

高密度泥漿回流的沉降速度高于直接中和法的沉降速度，提高了0.55 mm/min。這是由于濃密機(jī)底流泥漿的回流提供了沉淀晶核，使其沉淀效果比直接中和法要好。從宏觀上來說，高密度泥漿回流增加了濃密機(jī)的處理能力，提高了廢水處理量。

2.3.4 高密度泥漿回流對(duì)降低結(jié)垢腐蝕的影響直接中和方法會(huì)產(chǎn)生大量的污泥，主要產(chǎn)物為硫酸鈣，結(jié)合結(jié)晶水后變成石膏，反應(yīng)機(jī)理為:

高密度泥漿回流將濃密機(jī)底流部分回流，出現(xiàn)比較顯著的晶體化現(xiàn)象，即沉淀污泥的粗顆粒化、晶體化，改進(jìn)沉淀物形態(tài)和沉淀污泥量。這樣往復(fù)多次循環(huán)，使所有殘留的中和潛力都得到充分發(fā)揮，產(chǎn)生密度高于20%固料量的沉降污泥，有效地減少了堿和沉淀物對(duì)設(shè)備管道的附著力，從而減緩了對(duì)設(shè)備的腐蝕。

2.4 Na+對(duì)過堿體系離子平衡濃度變化規(guī)律的影響

H2SO4濃度0.015 mol/L，溶液體積800 mL，pH值9.5 ～10，溫度25 ℃，攪拌速度350 r/min，反應(yīng)時(shí)間30 min，改變Na+濃度分別為0.00，0.05，0.10，0. 15 和0. 20 mol/L，考察Na+濃度對(duì)MSO4-M(OH)2-H2O 體系中金屬離子(以Mn 為例)、平衡濃度的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 Na +濃度與Mn2+濃度的關(guān)系Fig.4 Relationship between Na +concentration and Mn2+equilium concentration

3 結(jié)論

(1)過堿中和-加酸回調(diào)工藝可以有效地脫除廢水中重金屬離子，使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

(2)高密度泥漿回流可以降低25%左右的石灰耗量，回流比宜選擇在0.05 ～0.1。

(3)高密度泥漿回流可以改善泥漿的沉降效果，增加濃密機(jī)的處理能力，提高廢水處理量。同時(shí)，可以節(jié)省大量的污泥運(yùn)輸費(fèi)用，減輕設(shè)備、管道的結(jié)垢，不失為酸性礦山廢水處理的優(yōu)良方法。

(4)Na+的存在一方面增加了陰離子濃度，另一方面有利于重金屬離子的脫除。

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