某礬礦酸性廢水處理的工程設計

張小慶

(安徽中環環保科技股份有限公司，安徽合肥 230051)

礦山開采過程中會產生大量的酸性礦山廢水，據統有關資料統計，我國每年的酸性礦山廢水排放量為36億t，其比例占全國工業廢水總排放量的10%左右，而酸性礦山廢水的處理率卻僅為4.28%，因此，酸性礦山廢水的處理已經成為亟需解決的問題[1]。某礬礦山主要開采產品為鉀明礬等，曾是省內大中型骨干企業，隨著經濟的轉型，以及明礬替代品的出現，礦廠最終停產。雖然礦廠主體已經停產，但開采造成的礦坑廢水污染一直延續，礦坑排水主要是圍巖地下水，在硫的參與下形成含有害元素的酸性廢水[2]，廢水中重金屬含量嚴重超標。此酸性廢水從巷道涌出，且無廢水處理設施，直接流入河流，最終匯入湖泊，對河流兩岸農業灌溉、流經河流水質產生較大影響，在雨水較少時對周邊村鎮居民的生活有一定危害。

因此，需要對巷道涌出的廢水進行收集處理，新建一座廢水處理站，使廢水經處理后達標排放。針對礦山酸性廢水，朱樂輝等[3]采用“石灰石沉淀+過濾+石灰沉淀+混凝沉淀”工藝分段沉淀，使出水錳≤1.2 mg/L。鄭雅杰等[4]采用石灰與氫氧化鈉二段中和法處理礦山酸性廢水，取得了很好的效果。結合本項目廢水特性，本工程采用堿液中和、曝氣氧化、兩級混凝沉淀和一體化鐵錳濾池的處理工藝，確保廢水得到有效處理，達到出水標準后外排。

1 工程概況

本工程礬礦酸性廢水來源主要為礦坑涌水，廢水水量隨季節性變化較大，根據監測數據，夏季雨后廢水量約為2 880 m3/d，故確定設計規模為3 000 m3/d。廢水呈強酸性，鐵、銅含量較高，同時還含有一定的錳，其他常規指標均較低，因此，特征污染物為pH和鐵、錳、銅重金屬。按照環評要求，出水總鐵參考上海市《污水綜合排放標準》(DB 31/199—2018)中表2一級標準執行；銅及其他污染物執行《污水綜合排放標準》(GB 8979—1996)表4中一級標準。具體設計進、出水水質指標如表1所示。

表1 設計進、出水水質Tab.1 Design Influent and Effluent Water Quality

2 工藝流程

水中銅離子能夠對空氣氧化二價錳起催化作用，因此，考慮先在中性條件下將鐵、錳氧化成高價易水解沉淀的鐵、錳離子；由于鐵、錳在水中存在條件相似，故一級混凝反應池中先將pH值調節到8，以去除鐵、錳離子以及部分銅離子；二級混凝反應池中再將pH值調節到10，以去除廢水中銅離子并進一步去除鐵、錳離子。廢水中鐵離子含量較高，需增設鐵錳濾池強化鐵、錳的去除效果，以保證出水的穩定性。二級沉淀池出水進入中提泵站，投加稀酸對廢水pH進行調節，使其達到排放要求。

因此，本工程污水處理工藝為預調節池(pH值調節到7，曝氣)+一級混凝反應池(pH值調節到8)+一級沉淀池+二級混凝反應池(pH值調節到10)+二級沉淀池+中提泵站(pH值調節到6～9)+一體化鐵錳濾池+清水池。工藝流程如圖1所示。

圖1 廢水處理站工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Treatment Process

污泥處理工藝采用污泥濃縮池+板框壓濾脫水，使污泥含水率降到60%以下，外運至某垃圾發電廠處置。

廢水處理站進水自流到預調節池，調節pH至中性，經平流式沉淀池沉淀后曝氣，利用水中銅離子對空氣氧化二價錳起催化作用，將鐵、錳氧化成高價易水解沉淀的鐵、錳離子；隨后廢水進入一級混凝反應池中，將pH值調節到8，自流進入一級沉淀池，以去除鐵、錳離子以及部分銅離子；一級沉淀池出水進入二級混凝反應池，將pH值調節到10，自流進入二級沉淀池，以去除廢水中銅離子并進一步去除鐵、錳離子；二級沉淀池出水進入中提泵站，投加稀酸調節pH至中性，由于廢水中鐵離子含量較高，增設鐵錳濾池強化鐵、錳的去除效果，以保證出水的穩定性；通過中提泵將廢水提升進入一體化鐵錳濾池，出水進入清水池排放。

由于各工藝段主要是酸堿中和反應，運行過程中pH的控制至關重要，因此，設計了一套pH自動控制加藥系統，通過pH的反饋自動控制加藥泵的啟停，既保證了污水處理的效果又可以節省藥劑使用量。

pH自動控制加藥系統，是通過pH計控制器自動檢測被測液體的pH值，并通過設定控制范圍轉換成電流信號輸出到加藥泵，加藥泵(已設定接收信號范圍及輸出頻率范圍)通過接收到的信號，自動控制加藥泵的啟停。

3 主要構筑物及設備設計參數

3.1 預調節池

預調節池分為沉淀區和曝氣區，起到調節水量以及調節至中性環境下氧化金屬離子的作用。廢水先進入混合池，與投加的堿液攪拌混合調節pH值至7，然后經過平流式沉淀池將沉淀物去除，隨后廢水進入曝氣區，將廢水中二價鐵氧化成更易水解沉淀的三價鐵離子，同時，在銅離子的催化作用下將二價錳離子氧化為不溶性的二氧化錳，形成沉淀去除，曝氣氣水比為7∶1。

由于加入堿液調節pH，會產生大量的沉淀物，因此，在工程設計上將曝氣區設置于平流式沉淀池后端，可以大大減少酸堿中和沉淀物對曝氣管的堵塞，方便后期運營。在藥劑選擇上，由于石灰乳渣滓較多，考慮盡量減少沉淀物，預調節池選擇投加堿液。

設計預調節池1座，停留時間HRT=8 h，尺寸為：L×B×H=21.0 m×12.0 m×4.5 m(半地下鋼砼結構)。設置混合池1座，與預調節池合建，尺寸為：L×B×H=2.0 m×2.0 m×3.4 m(半地下鋼砼結構)。

主要設備：潛污泵3臺，流量Q=62.5 m3/h，揚程H=9 m，功率P=4.0 kW(2用1備，1臺變頻)；中空管曝氣器1套；桁車式刮泥機1臺，跨距4.2 m，功率P=4.55 kW；立式攪拌機1臺，漿葉直徑D=1 m，功率P=1.5 kW；剩余污泥泵1臺，流量Q=15 m3/h，揚程H=13 m，功率P=1.1 kW； pH計1臺，置于混合池內。

3.2 事故池

主要作用為儲存事故水，防止因意外原因導致出水不達標而外排。設計事故池1座，停留時間HRT=5 h，尺寸為：L×B×H=21.0 m×6.3 m×4.5 m(半地下鋼砼結構)。

主要設備：潛污泵2臺，流量Q=62.5 m3/h，揚程H=5 m，功率P=4.0 kW(1用1備)；潛水攪拌器1臺，功率P=4.0 kW；超聲波液位計1臺。為節省占地，事故池和預調節池合建。

3.3 一級混凝反應池

廢水從預調節池通過泵提升進入一級混凝反應池，反應池內投加石灰乳和陽離子PAM，將pH值調節到8，初步去除廢水中鐵離子和錳離子，并進行絮凝沉淀。設計一級混凝反應池1座，尺寸為：L×B×H=6.0 m×3.0 m×5.4 m(半地下鋼砼結構)。

主要設備：混合攪拌機1臺，漿葉直徑D=1.4 m，轉速R=40 r/min，功率P=3.0 kW；混合攪拌機1臺，漿葉直徑D=1.4 m，轉速R=25 r/min，功率P=2.2 kW；pH計1臺。

3.4 一級沉淀池

對一級混凝反應池出水進行沉淀，去除其中沉淀物。設計方形一級沉淀池1座，表面負荷q=0.74 m3/(m2·h)，尺寸為：Φ×H=13.0 m×4.5 m(池邊深度，半地下鋼砼結構)。

主要設備：中心傳動刮泥機1套，功率P=0.75 kW；剩余污泥泵1臺，流量Q=10 m3/h，揚程H=10 m，功率P=1.1 kW。

3.5 二級混凝反應池

廢水從一級沉淀池自流進入二級混凝反應池，反應池內投加石灰乳和陽離子PAM，將pH值調節到10，廢水中銅轉化成氫氧化銅沉淀，進一步去除鐵和錳，并進行絮凝沉淀。設計二級混凝反應池1座，尺寸為：L×B×H=6.0 m×3.0 m×5.4 m(半地下鋼砼結構)。

主要設備：混合攪拌機1臺，漿葉直徑D=1.4 m，轉速R=40 r/min，功率P=3.0 kW；混合攪拌機1臺，漿葉直徑D=1.4 m，轉速R=25 r/min，功率P=2.2 kW；pH計1臺。

3.6 二級沉淀池

對二級混凝反應池出水進行沉淀，去除其中沉淀物。設計方形二級沉淀池1座，表面負荷q=0.74 m3/(m2·h)，尺寸為：Φ×H=13.0 m×4.5 m(池邊深度，半地下鋼砼結構)。

主要設備：中心傳動刮泥機1套，功率P=0.75 kW；剩余污泥泵1臺，流量Q=10 m3/h，揚程H=10 m，功率P=1.1 kW。為節省占地，一、二級混凝反應池和沉淀池合建。

3.7 中提泵站(含反調節混合池)

二級沉淀池出水自流進入中提泵站，投加稀鹽酸調節pH值至6～9，然后通過泵提升進入一體化鐵錳濾池。設計中提泵站1座(含反調節混合池)，尺寸為：L×B×H=6.0 m×6.0 m×5.0 m(半地下鋼砼結構)，其中反調節混合池尺寸為：L×B×H=2.0 m×2.0 m×5.0 m。

主要設備：中間提升泵3臺，流量Q=62.5 m3/h，H=25 m，P=11 kW(2用1備，1臺變頻)；混合攪拌機1臺，槳葉直徑D=1 m，轉速R=58 r/min，功率P=1.5 kW；超聲波液位計1臺；pH計1臺。

3.8 一體化鐵錳濾池

采用過濾截留水中的懸浮雜質，從而使水質得到凈化的工藝過程。采用一體化成套設備，設計參數：濾速V=7.8 m/h，反沖洗氣強度為15 L/(m2·s)，反沖洗水強度為10 L/(m2·s)，反沖洗形式為降水位+氣水聯合反沖洗，反沖洗周期根據實際情況而定，一般24～48 h。濾料從上往下依次為：粒徑0.6～1.2 mm 的天然海砂，粒徑2～4 mm的石英砂，粒徑4～8 mm和8～16 mm的鵝卵石。

主要設備：砂濾罐2套，單個罐體尺寸：Φ×H=3.2 m×4.5 m(碳鋼罐體)；反洗風機1臺，風量Q=5.6 m3/min，風壓H=0.04 MPa，功率P=5.5 kW；反洗泵1臺，設計流量Q=289 m3/h，揚程H=20 m，功率P=37 kW。

3.9 清水池

為鐵錳濾池提供反沖洗用水，出水可直接排放。根據砂濾罐的反沖洗水泵流量、反沖洗時間等參數確定清水池尺寸，并從運行角度考慮和砂濾罐設備的距離。停留時間HRT=1.2 h。設計清水池1座，與中提泵站合建。尺寸為：L×B×H=6.0 m×6.0 m×5.0 m(半地下鋼砼結構)。

3.10 污泥濃縮池

將預調節池和一、二級沉淀池內的剩余污泥進行濃縮，然后送入板框壓濾機進行脫水。絕干污泥量為0.25 t/d。設計污泥濃縮池1座，尺寸為：Φ×H=5.0 m×4.5 m(池邊深度，地上鋼砼結構)。

主要設備：柵條式污泥濃縮機1臺，功率P=0.75 kW。

4 運行情況分析及工程經濟指標

根據廢水處理站運行結果表明，該廢水站進、出水水質達到設計要求，出水指標均能滿足排放標準。運行監測數據(2020年3月)如表2所示。

表2 運行進、出水水質Tab.2 Results of Influent and Effluent Water Quality

本工程總投資為1 599.13萬元，其中工程費用為1 261.81萬元，工程建設其他費用為281.04萬元，預備費為46.29萬元，鋪底流動資金為10.00萬元(包含了1 km管網費用)。

本工程設計運行費用為2.830元/t，其中電費為0.365元/t，藥劑費為1.819元/t，人工費為0.091元/t，污泥處置費為0.084元/t，其他費用為0.471元/t。

5 設計特點

(1)設計了預調節池和事故池，預調節池兼顧調節水量和調節pH、曝氣氧化的雙重作用[5]，設計時考慮到酸堿中和生成的沉淀物對曝氣管的堵塞，影響曝氣氧化的效果，故在曝氣區前端設計了平流式沉淀池，并采用產生沉淀物較少的堿液藥劑。進水在混合池內與堿液充分攪拌反應，隨后進入平流式沉淀池，去除固體沉淀物后廢水再進入曝氣區進行曝氣氧化反應，大大減少了曝氣管的堵塞，提高了曝氣氧化的效果。

(2)考慮構筑物相互間協調和節省占地，將預調節池的沉淀池設計為平流式，將一、二級沉淀池設計為方形，有利于同其他構筑物合建，也有利于廠區整體布局美觀。

(3)清水池設計時兼顧砂濾罐反沖洗用水的需求，構筑物具有雙重作用，避免了單獨建設反沖洗水池，節省了占地。

(4)由于廢水中鐵離子含量較高，為保證出水的穩定達標，設計時在兩級混凝沉淀后考慮鐵錳濾池，強化鐵、錳的去除效果。同時，由于水量較小，從經濟上比較后，設計選用一體化鐵錳濾池，簡單方便。對其他小規模酸性礦山廢水的處理工程，具有一定的參考性。

(5)由于主要是酸堿中和反應，如何精確有效地投加藥劑是運行的關鍵，既關系到處理效果又關系到生產成本。故工程設計了一套pH自動控制加藥系統，通過該系統，可以監測到預調節池、一級混凝池、二級混凝池、中提泵站內實時pH，并通過pH自動系統控制加藥泵的頻率或者啟停，大大提高了加藥的精度和工作效率，保障了生產工藝的穩定以及降低了生產成本。

6 結論

根據現場實際運行數據，廢水處理站出水pH值為6～9，鐵為0.22～1.68 mg/L，錳為0.17～1.71 mg/L，銅為0.06～0.42 mg/L。故工程設計采用“預調節池+一級混凝反應池+一級沉淀池+二級混凝反應池+二級沉淀池+中提泵站+一體化鐵錳濾池+清水池”的工藝切實可行，能夠滿足出水pH值為6～9，鐵≤2.0 mg/L，錳≤2.0 mg/L，銅≤0.5 mg/L的要求。廢水經處理后達標排放，能夠有效地減少廢水對周邊水體環境和居民生活的影響，保護了環境。工程設計中的一些思路對其他類似項目提供了參考作用。