高含泥礦井水除鈾處理

邱曉光

（中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊050021）

某礦床為鈾鐵伴生礦床，經過多年鐵礦開采，已經接近鈾礦床，甚至局部巷道已穿過鈾礦體，造成礦井外排水鈾濃度超標，經檢測其外排水平均鈾濃度約為6～8mg／L，已超出《鈾礦冶輻射防護和環境保護規定》（GB23727－2009）中外排廢水中鈾濃度的要求，若不經過處理直接排入自然水體，必將造成環境污染，影響人們的健康生活。根據《放射性污染防治法》和《鈾礦冶輻射防護和環境保護規定》等要求，該省環保局要求其盡快整改，建設污水處理設施，確保污水達標排放。

筆者以該礦礦井水除鈾工程為例，從礦井水水質、工藝流程及設備選擇、建構筑物結構等方面進行了分析和探討，以期為同類項目的建設提供借鑒和參考。

1 水量和水質

1．1 水量

根據該礦礦井排水口外排水統計，礦井正常排水量約5000m3／d，最大排水量約為9600m3／d。

依據礦井最大排水量，該裝置設計污水處理規模9600m3／d，可滿足礦井最大外排水處理的需要。

1．2 水質

該礦礦井水原液取樣檢測鈾濃度約6～8mg／L，總α≈250．7Bq／L，Ra≈0．6Bq／L，總β≈44．3Bq／L，總懸浮固體濃度約150mg／L，礦井水主要化學成分分析與國家《污水綜合排放標準》［GB8979－1996］、《鈾礦冶輻射防護和環境保護規定》［GB23727－2009］外排標準對照表見表1。

表1 礦井水化學成分分析與外排標準對照表

從水質說明及表1中可看出：①該礦礦井水中除鈾濃度超標外，其它元素均能滿足環保外排標準；②水質檢測報告中總懸浮固體濃度較高，達150ppm。

2 處理工藝的確定

根據礦井排水含固量高的特點，該礦委托研究單位針對該礦礦井水進行了除泥、除鈾工藝試驗。試驗發現礦井水經自然沉降24h后，含泥量仍高達139ppm，澄清液在吸附除鈾運行幾個周期后樹脂床層發生堵塞。礦井水中加入一定絮凝劑沉降后上清液濁度可降至10．7mg／L，水中U濃度無變化，該濁度可滿足離子交換除鈾設備的進料要求，除泥后清液采用除鈾專用樹脂對水中的鈾酰離子進行吸附，吸附尾液U濃度＜0．05mg／L。飽和樹脂鈾含量約60mg／L。表明該樹脂能夠對礦井水中的鈾酰離子進行選擇性吸附，樹脂吸附效果好，有利于鈾金屬的回收。

試驗推薦采用上進料式固定床離子交換設備，該類設備在生產實踐中發現當處理液中懸浮物較多時，懸浮物的累積會造成操作壓力升高、吸附流量降低，頻繁反沖洗又易造成塔頂濾網破損，當懸浮物進入塔底鵝卵石層，甚至與上層細小卵石粘在一起，造成反沖洗失效［1］。鑒于該礦礦井排水含固量高，根據試驗報告并結合固定床離子交換塔具體應用，設計采用礦井水加絮凝劑除懸浮物，清液離子交換除鈾工藝。

工藝過程為：礦井水在貯池收集后，送至一體化水處理設備除泥，除泥清水經中間水池緩沖后送密實固定床離子交換塔除鈾，除鈾過程采用兩塔串聯吸附，吸附尾液檢測合格后外排。飽和樹脂采用碳酸鈉、氯化鈉溶液解吸，解吸合格液送附近某鈾水冶廠處理。

3 主要設備及設計參數

3．1 礦井水貯池

礦井水貯池主要用于井下排水的收集貯存，貯池容積按雨季時最大排水停留2．5h考慮，容積取1000m3，可滿足暴雨時井下排水的收集。

該礦井水中懸浮物自然沉降速率低，采用大面積的貯池，對礦井水的澄清效果不明顯，同時占地面積大。本案設計澄清池高度為3．5m，有效容積率90%，結合場地形狀，設計澄清池尺寸長×寬×高為40m×8m×3．5m，鋼筋混凝土結構。

3．2 全自動一體化水處理設備

全自動一體化水處理設備是礦井水除泥的關鍵設備，該設備集混凝、沉淀、過濾、反沖洗和排泥于一體，利用水力作用自動運行。設備混凝利用來水壓力，采用渦流反應使來水和混凝劑充分混合，生成較大絨體的礬花；沉淀池采用上向流斜管沉淀法，表面負荷為6～7m3／m2·h；過濾池采用無閥濾池，自動運行，濾池底部進水，濾料為雙層濾料（石英砂和無煙煤），濾速為10m／h，反沖洗周期為12h左右，反沖洗歷時為5～10min。無需另設反沖洗水泵或空壓機等輔助設備，可節省一定的基建投資及日常運行、維修、保養費用。該設備較其它常規水處理設備比較具有占地面積小，與一般凈水構筑物相比，可節省占地50%以上，運行穩定，自動化程度高，動力消耗少的優點。處理后礦井水總懸浮固體量約10mg／L，可滿足離子交換除鈾設備的進料要求。

根據礦井正常排水量約5000m3／d，最大排水量約為9600m3／d的特點，設計水處理能力為9600÷24＝400m3／h。結合標準設備的處理能力，主要有10t／h、30t／h、50t／h、100t／h、200t／h處理能力五種型號。可選單臺處理能力100m3／h設備4臺（方案一）或200m3／h設備2臺（方案二），兩方案均能滿足生產需要。水處理設備方案比較見表2。

表2 一體化水處理設備方案比較表

從表2可看出，方案二較方案一存在廠房面積小，設備投資省，工程量小等優點，綜合考慮設計選用FA－200型一體化水處理設備2臺，單臺處理能力200m3／h。當礦井正常排水時開啟一臺水處理設備，水量加大時開啟另一臺。

3．3 中間水池

除泥后出水考慮到與后續處理設施的銜接，設中間水池1座。中間水池有效容積按1h蓄水量，即400m3考慮，有效容積率取90%，為節省投資與礦井水貯池貼建，有效水深同礦井水貯池，取3．5m，設計澄清池尺寸長×寬×高為16m×8m×3．5m，鋼筋混凝土結構。

3．4 離子交換塔

離子交換塔是礦井水除鈾中核心設備，根據液相和樹脂在塔中的接觸方式不同，離子交換塔主要分為固定床、密實移動床、流化床三種類型［2］。

本工程中礦井水處理量大，鈾濃度低，對比三種類型離子交換塔的優劣，選擇密實固定床離子交換塔，該設備結構簡單，操作穩定，傳質效率高，床層濃度梯度明顯、穩定，樹脂磨損小［3］。

考慮礦井正常排水約5000m3／d，最大排水量約9600m3／d，水量波動較大的特點，除鈾設施設4條生產線，單線處理能力400m3／h。每條線設DN2500×6500（含裙座）密實固定床離子交換塔3臺。操作方式為2塔串聯吸附，1塔解吸，吸附空塔線速度20～25m／h，塔內填料為除鈾專用樹脂，樹脂高度2．5m，工作容量為60mg·U／mL，吸附接觸時間2．5min，吸附尾液 U濃度≤0．3mg／L。解吸空塔線速度1～1．5m／h，解吸劑為60g／L（NaCL）＋10g／L（Na2CO3），具有弱腐蝕性，設備材質采用鋼襯玻璃鋼，設計壓力0．4MPa，進料方式為上進料下出料。吸附和解吸工序在同一設備中進行，解吸合格液為3倍樹脂床體積，合格液U濃度約15g／L。

4 廠房布置

4．1 工藝設備布置

礦井水處理廠房為該設施的核心，考慮輸送及管理方便，處理廠房布置在礦井排水口與外排受納水體之間。該地氣候寒冷，除貯池外所有工藝設備集中在廠房內布置。廠房內部工藝設備按礦井水水流走向布置，分為除泥區、除鈾區及輔助生產區。室外貯池緊鄰生產廠房，布置在廠房與山體之間。該方案優點是合理利用地形，布置緊湊、集中，工藝物料輸送方便，動力損失小，便于生產管理，尤其是占地面積小，投資省。

4．2 工藝管道布置

工藝管道布置是廠房布置中的重要部分，其布置是否合理直接影響到日后的生產和管理，在廠房布置時需綜合考慮重要管道、大管徑管道的走向，對主要工藝管道進行規劃，確保工藝管道走向流暢，運輸距離短［4］。本廠房管道布置主要沿建筑物軸線的鋼柱、梁及平臺底部成組、成排布置，管道支吊架依托位于建筑物軸線的柱、梁及平臺立柱等生根設置。

管道材質根據輸送物料的壓力及腐蝕性不同，采用不同壓力等級及材質的管道，本工程中物料輸送主要為離心泵輸送，輸送泵最高揚程45m，入口壓力為3m水柱，操作溫度為常溫。根據離心泵出口管道的設計壓力不應小于吸入壓力與揚程相應壓力之和的要求，管道設計壓力約為P≥（0．45＋0．03）×1．1＝0．53MPa，管道壓力等級選1．0MPa。

輸送介質為礦井水、解吸劑（氯化鈉和碳酸氫鈉溶液），礦井水呈中性，解吸劑為弱堿性，工作環境為常溫、常壓。礦井水輸送管道選擇碳鋼管，解吸劑中含有氯化鈉，具有一定腐蝕性，同時工作壓力較小，選用增強聚丙烯管道，該材質管道價格低廉，應用廣泛，安裝維修方便。

表3 主要技術經濟指標

表4 吸附尾液主要元素分析表

4．3 廠房建筑結構設計

廠房建筑結構設計主要依據工藝生產要求確定，根據工藝設備布置需要，廠房總長78m，寬12m，單層，除鈾區離子交換設備較高，該區凈高8．5m，輔助區及除泥區凈高5．5m，可滿足設備安裝操作要求。該項目為環保項目，進度要求快，廠房采用跨度12m門式鋼架結構，柱距6m，屋面及外墻采用夾芯板，地面采用環氧自流平。

該地區緯度高、冬季寒冷，室外貯池池頂設100mm厚夾芯彩鋼板保溫，池壁設70mm厚擠塑聚苯板保溫。

5 主要技術經濟指標及處理效果

礦井水除鈾工程主要技術經濟指標見表3。裝置生產運行穩定后，吸附尾液主要污染元素及總放射性分析見表4。

如表4所示，尾液中鈾濃度約0．1mg／L，經受納水體（稀釋倍數5倍以上）稀釋后，第一取水點經分析水中鈾濃度＜0．05mg／L，同時尾液總α≈0．9Bq／L，Ra≈0．6Bq／L，總β≈0．60Bq／L，均達到了國家《污水綜合排放標準》［GB8979－1996］及《鈾礦冶輻射防護和環境保護規定》［GB23727－2009］中的排放要求。

6 結 論

1）該礦井水除鈾設施的建設使得該礦外排水達到了國家排放標準。

2）采用一體化水處理設備除泥與離子交換塔除鈾組合處理含懸浮物高的含鈾礦井水，解決了樹脂床層堵塞問題。

［1］ 韓偉，趙伍成，龍青，等．某鈾礦碳酸鹽浸出液離子交換工藝有關問題探討［J］．鈾礦冶，2013，32（2）：81－85．

［2］ 于湘浩，周秀溪，劉正鏞，等．密實移動床吸附塔吸附及多塔串聯解吸的研究［J］．鈾礦冶，1997，16（3）：167－173．

［3］ 楊伯和，鈾礦加工工藝學［R］．北京：核工業北京化工冶金研究院，2001，490．

［4］ 劉剛槍，朱愛敏．張小樓選煤廠設計總結［J］．煤炭加工與綜合利用，2013，23（3）：20－21．