超磁技術在含重金屬初期雨水快速處理中的應用

余仲勛，曹 麗，謝朝暉，謝光娜，朱樹文

(1.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.云南污凈清環保科技有限公司，云南 昆明 650224)

0 引 言

初期雨水處理是長時間以來困擾很多有色冶金企業的環保問題。由于旱季和雨季水量波動較大、水質成分復雜(含銅、鎘、鉛、鋅、砷、鉈等一種或多種重金屬離子)，處理難度很大，如不有效處理直接排放，會對環境造成嚴重污染。基于“十四五”時期生態文明建設的總體要求和“綠水青山就是金山銀山”的科學發展理念，有色冶金企業這一老大難的問題亟需解決。此外，對于有色企業，特別是老企業，面臨用地很緊張、初期雨水排放不達標的問題，用常規處理工藝，存在工藝流程長、占地大、建設周期長、成本高等問題，故需要探索一種運行處理高效、占地小、施工便利的新工藝技術。

超磁技術與傳統重力沉降不同，通過磁力快速固液分離，現已廣泛應用于煤礦礦井涌水、黑臭水體快速凈化、生態景觀水快速凈化循環、城市溢流雨水、城市污水處理等多領域，超磁技術在重金屬廢水處理領域也得到了應用，但在有色企業含重金屬初期雨水快速處理領域探索甚少。

筆者提出采用“中和沉淀法+超磁”技術對含重金屬初期雨水進行快速處理，在項目實踐中取得了較好的效果。對于類似含重金屬的初期雨水處理的工程及相關研究具有一定借鑒意義。

1 技術背景

1.1 重金屬廢水處理工藝

目前對于重金屬廢水的處理工藝主要分為3大類：

(1)使溶解性的重金屬轉變為不溶或者難溶的金屬化合物，從而將其從水中除去。例如中和沉淀法、硫化物沉淀法、電絮凝法等。

(2)在不改變重金屬化學形態情況下進行吸附、濃縮、分離，例如反滲透法、電滲析法、離子交換法、蒸發濃縮法等。

(3)借助微生物或植物的絮凝、吸收、積累、富集等作用去除廢水中的重金屬的方法，包括生物吸附、生物沉淀、植物生態修復。

目前第一類方法中的中和沉淀法和硫化物沉淀法應用較為廣泛，其需要配套設備較少，控制管理方便，處理工藝可以連續運行。

以下對中和沉淀法和硫化物沉淀法進行對比：

(1)中和沉淀法

中和沉淀法是向廢水中投加堿性物質，使金屬離子轉變為金屬氫氧化物沉淀除去。金屬氫氧化物的形成條件和存在形態與pH值有直接的關系。

常用的中和劑有石灰石、氫氧化鈉等。其中以石灰石應用最廣，其來源廣，價格便宜，處理效果好。但是其中和能力弱，pH不易提高到6以上，不適用于需在高pH條件下才能完成沉淀的金屬離子(如鎘)的去除。在一些水量小，希望減少泥渣量，欲回收金屬以及處理需要在高pH條件下才能完成沉淀反應的情況下，宜采用氫氧化鈉作為中和劑。

該方法的主要優點是：處理劑來源廣泛，工藝設備較為簡單，處理工藝經濟性較強，工藝對污水的適應性較強，控制管理方便。

(2)硫化物沉淀法

硫化物沉淀法是以投加Na2S、NaHS、H2S等硫化劑使廢水中的重金屬離子(鋅、鎘、鉛)與硫離子生成難溶物質而與水分離的一種廢水處理方法。

一般重金屬硫化物的溶度積比氫氧化物的溶度積小得多，因此其理論上比傳統的中和法處理效果好，而且從回收有價金屬的角度看，金屬硫化物比氫氧化物更易回收。但由于硫化劑價格高，處理后的水中殘留的硫離子需進一步去除后才能排放，因此應用沒有傳統的中和沉淀法普遍。實際應用過程中多用于去除廢水中用傳統中和沉淀法難以達標的Cd2+、Hg2+等重金屬離子。

該法的優點是：與中和沉淀法相比，重金屬硫化物溶解度比其氫氧化物的溶解度更低，反應時最佳pH值在7～9之間，處理后的污水不用中和。

該法的缺點是：硫化物沉淀物顆粒小，易形成膠體，很難通過沉淀或過濾的辦法去除；硫化物沉淀劑本身在水中殘留，遇酸生成硫化氫氣體，產生二次污染；以硫化法為主要工藝處理后的廢水，在排放前，需將廢水中殘留的硫進一步處理達標后，方可排放。

綜合分析2種方法后，擬采用“中和沉淀法”，使溶解性的重金屬轉變為不溶或者難溶的金屬化合物。

1.2 固液分離技術

針對沉淀技術一般有斜管沉淀池、澄清池、加砂沉淀技術、加載磁技術等。

斜管沉淀池、澄清池在實際中應用廣泛，處理效果穩定，缺點是停留時間較長，按《室外排水設計標準》二沉池一般要求沉淀時間1.5～4.0 h，對場地、池容要求很大；加砂沉淀技術處理效率高，但也存在加砂量大，難以回收的缺點；加載磁技術占地小、效率高，磁粉能回收利用，目前制約其使用的主要是設備價格及運行成本，但隨著技術發展，設備價格已不再是制約其推廣的重要因素。

超磁技術凈水原理：①利用磁力吸附去除冶金廢水中的鐵磁性懸浮物，凈化水體；②通過水處理劑使污水中非磁性懸浮物與投加的磁性介質絮凝成磁性微絮團，利用磁力吸附去除磁性微絮團，凈化水體；磁性介質與水污染物分離后循環使用。超磁技術特點是具有占地少、處理量大、見效快、能耗低、易維護等優點，大大優于傳統混凝沉淀工藝，較適合由于場地限制，難以設置常規沉淀池的場合。一般來說，超磁技術進水SS≤200 mg/L，出水SS≤10 mg/L，整個凈化過程用時≤20 min。

1.3 組合工藝對比

以下對“兩段中和沉淀法”與“中和沉淀法+磁分離”工藝進行對比。

表1 “兩段石灰鐵鹽法”與“中和沉淀法+磁分離”工藝對比表

2 案例應用

2.1 案例1某冶煉廠1初期雨水處理

2.1.1 水質及處理規模

該項目主要去除的特征污染物為：懸浮物、鉛、鋅、鎘、鉈，SS≥200 mg/L。

出水水質：鋅的含量<1.5 mg/L，鉛的含量<0.5 mg/L，鎘的含量<0.05 mg/L，鉈的含量<0.005 mg/L。

擬建雨水處理系統規模：Q=8 000 m3/d。

雨水處理系統擬建于現廠房內，新增占地面積約為300 m2(污泥脫水系統利舊)。

2.1.2 工藝流程

擬建雨水處理系統的工藝為“中和沉淀+磁分離”雨水處理工藝：

收集的雨水通過雨水提升泵將含重金屬污染物(鎘、鋅、鉛、鉈)的雨水由調節池提升至混合反應池1；混合反應池1中通過投加氫氧化鈉(NaOH)，調節pH=9.5～10，雨水中的大部分鋅沉降；之后，雨水進入混合反應池2，在混合反應池2中投加除鉈藥劑，去除雨水中的重金屬鉈；隨后，雨水進入混合反應池3，在混合反應池3中投加重金屬捕捉劑，使鋅、鎘、鉛等重金屬離子與重金屬捕捉劑發生螯合反應；最后，通過磁技術快速將污泥和水分離，并在清水池中投加硫酸回調pH至6～9，經檢測達標后排放。

圖1 案例1雨水處理系統工藝流程圖

圖2 案例1現場照片

2.1.3 處理效果

經“中和沉淀法+磁技術”處理后，雨水中鉛、鋅、鎘的濃度達到《鉛、鋅工業污染物排放標準》(GB 25466—2010)后排放；鉈的濃度達到《湖南省工業廢水鉈污染物排放標準》(DB43/968—2014)后排放。磁粉回收再利用，污泥經現有的壓濾系統壓濾脫水后，按環保要求進行處置，濾液利用原有提升泵回用于工藝。

2.1.4 水處理構筑物及設備

主要設備：

1)混合反應池1：1座，碳鋼，防腐。水力停留時間取t>10 min，L×B×H=5 m×6 m×3 m。設置攪拌機：1臺，型號：JBY-1500，額定功率：5.5 kW/套；

2)混合反應池2：1座，碳鋼，防腐。水力停留時間取t>10 min，L×B×H=5 m×6 m×3 m。設置攪拌機：1臺，型號：JBY-1500，額定功率：5.5 kW/套；

3)混合反應池3：1座，碳鋼，防腐。水力停留時間取t>10 min，L×B×H=5 m×6 m×3 m。設置攪拌機：1臺，型號：JBY-1500，額定功率：5.5 kW/套；

4)混合反應池4：1座，碳鋼，防腐。水力停留時間取t>10 min，L×B×H=5 m×6 m×3 m。設置攪拌機：1臺，型號：JBY-1500，額定功率：5.5 kW/套；

5)磁分離設備：包括磁混凝反應設備、磁分離設備、磁回收設備、污泥中裝箱、污泥中轉泵以及相應的配件，處理能力8 000 m3/d；

6)清水轉輸水箱：2座，碳鋼，防腐。L×B×H=4.0 m×2.8 m×2.0 m。設置攪拌機：2臺，型號：JBY-800，額定功率：2.2 kW/套；

7)加藥裝置

(1)NaOH加藥裝置：配攪拌機，型號：SEW型，N=1.5 kW，2臺(2用)；配計量泵，型號MT05530，Q=530 L/h，H=50 m，N=0.37 kW，2臺(1用1備)；配計量泵，型號PM05200，Q=200 L/h，H=50 m，N=0.18 kW，1臺(1用)；

(2)重金屬捕捉劑加藥裝置：型號：JY-2000。配攪拌機，型號：SEW型，N=0.75 kW，1臺(1用)；配變頻隔膜式計量泵，Q=63 L/h，H=65 m，N=0.09 kW，2臺(1用1備)；

(3)PAC加藥裝置：型號：EQC-4000。配攪拌機，型號：SEW型，N=1.5 kW，2臺(2用)；配計量泵，Q=200 L/h，H=50 m，N=0.18 kW，2臺(1用1備)；配喂料電機，N=0.18 kW，1臺(1用)；

(4)PAM加藥裝置：型號：SQC-1000。配攪拌機，型號：SEW型，N=0.55 kW，2臺(2用)；配計量泵，Q=1000 L/h，H=40 m，N=0.75 kW，2臺(1用1備)；配喂料電機，N=0.18 kW，1臺(1用)；

(5)除鉈藥劑加藥裝置：型號：EQC-4000。配攪拌機，型號：SEW型，N=1.5 kW，2臺(2用)；配計量泵，Q=200 L/h，H=50 m，N=0.18 kW，2臺(1用1備)；配喂料電機，N=0.18 kW，1臺(1用)；

(6)H2SO4加藥裝置：硫酸加藥罐，φ=1.6 m，V=5 m3；配加藥計量泵，Q=0-60 L/h，N=0.37 kW，2臺(1用1備)；

8)水泵

(1)雨水提升泵：型號：DFW200-200A/4/18.5，Q=350 m3/h，H=10 m，N=18.5 kW；配真空引水罐，φ=1.2 m，V=2 m3；

(2)中間提升泵：型號：200WQ13181A，Q=350 m3/h，H=10 m，N=18.5 kW；

(3)清水泵：型號：DFW200-250A/4/22，Q=350 m3/h，H=17 m，N=22 kW；

(4)清水轉輸泵：型號DFW200-250A/4/22，Q=350 m3/h，H=17 m，N=22 kW；

9)管網

該項目處理系統內水管、污泥管采用直焊縫焊接鋼管，自來水配水管、加藥管采用PP-R管。

10)儀表

在進雨水處理系統、進磁分離系統、出雨水處理系統的位置設置電磁流量計，投加氫氧化鈉的混合反應池、投加硫酸的清水池內設置pH控制儀等。

2.2 案例2某冶煉廠2初期雨水處理

2.2.1 水質及處理規模

該項目主要去除的特征污染物為：銅、砷、鉛、鋅、鎘、鎳。設計處理水質見表2。

表2 設計處理水質(除pH值外，單位：mg/L)

擬建雨水處理系統規模：Q=12 000 m3/d，雨水快速處理系統新增占地面積約為300 m2(污泥脫水系統利舊)。

2.2.2 工藝流程

擬建雨水快速處理系統的工藝為“中和沉淀+磁分離”雨水處理工藝：

雨水由原有雨水收集池，經原有雨水提升泵提升至新建的混合反應槽1、2(2個混合反應槽串聯)。通過投加堿液調節pH=9～10，利用pH控制儀對混合反應槽中的pH值進行實時監控，并控制堿液的投加量。混合反應后的雨水經重力自流進入磁混凝反應槽，通過投加磁粉、聚合硫酸鐵(控制pH為6～9)、聚丙烯酰胺(PAM)，使重金屬沉淀物發生混凝沉淀反應，最后通過磁分離裝置，快速將水分與污泥進行分離，經檢測達到《銅、鎳、鈷工業污染物排放標準》(GB 25467—2010)后，清水經原有雨水排水溝達標排放或回用，若檢測不達標，則通過重力自流進入原有清水池，回用于工段。污泥經磁分離裝置中的污泥中轉泵提升至原有污泥處理系統進行處理后，按照環保要求進行處置。

整個工藝反應過程使用pH計進行堿液和聚合硫酸鐵藥劑投加電動閥連鎖控制，堿液儲槽和聚丙烯酰胺儲槽使用液位計與輸送電動閥實現連鎖控制，其他主要設備實現監控，自控系統接入現在的廢水工區自控系統中。

圖3 案例2雨水快速處理系統工藝流程圖

圖4 案例2現場照片

2.2.3 處理效果

經“中和沉淀法+磁技術”處理后，雨水中銅、砷、鉛、鋅、鎘的濃度達到《銅、鎳、鈷工業污染物排放標準》(GB 25467—2010)。磁粉回收再利用，污泥經現有的壓濾系統壓濾脫水后，按環保要求進行處置，濾液利用原有提升泵回用于工藝。

2.2.4 主要水處理構筑物及設備

1)混合反應槽：2座，碳鋼，防腐，水力停留時間取t≥10 min，L×B×H=8.5 m×2.6 m×2.7 m，設置攪拌機：3臺/座；

2)磁混凝反應槽：1座，碳鋼，防腐，水力停留時間取t≥10 min，L×B×H=8.5 m×2.6 m×2.7 m，設置攪拌機：3臺；

3)磁分離設備：1套，碳鋼，防腐，包括磁分離設備、磁回收設備、污泥中裝箱、清水中轉箱等以及相應的配件，處理能力12 000 m3/d；

4)加藥裝置：

(1)堿液儲罐：φ×H=2 m×2 m，

配加藥計量泵，N=3 kW，2臺(1用1備)；

配pH控制儀，1臺；

(2)聚合硫酸鐵儲罐：φ×H=1.5 m×2 m，

配加藥計量泵N=0.75 kW，2臺(1用1備)；

配pH控制儀，1臺；

(3)PAM加藥裝置：型號：SQC-1000。

配攪拌機，型號：SEW型，N=0.45 kW，2臺(2用)，

配計量泵，Q=1 000 L/h，H=40 m，N=0.75 kW，2臺(1用1備)，

配喂料電機，N=0.18 kW，1臺(1用)。

5)管網

雨水管、污泥管、堿液加藥管采用焊接鋼管，聚合硫酸鐵加藥管采用鋼骨架塑料復合管。

6)儀表

在進雨水快速處理系統和出雨水快速處理系統的位置設置電磁流量計(利用現有)，投加堿液、聚合硫酸鐵的反應箱內設置pH控制儀，雨水快速處理系統出口設置在線監測裝置等。

3 超磁技術處理有色企業含重金屬初期雨水的優勢

(1)磁分離時間短。磁分離工藝與傳統的絮凝沉降最主要的區別在于：傳統的絮凝沉降靠重力沉降，沉降時間長，所需要設施容積大；磁分離技術是靠磁力分離，其磁力是重力的640倍以上，分離時間遠小于沉降分離時間。

(2)混凝系統加藥量少。在同等效果下，投加藥量可比傳統工藝減少約20 %～30 %。

(3)設備占地少，處理量大。由于停留時間短，設備占地少，僅為傳統水處理工藝的1/3～1/4。

(4)出渣污泥濃度高。磁分離設備污泥含水量低，出渣固體含量可達5～ 7g /L，可不經濃縮直接進板框或臥螺離心機脫水處理。

4 超磁技術處理有色企業含重金屬初期雨水應用中需要重視的問題

(1)解決初期雨水的問題應當首先解決雨污分流的問題，完善雨污分流能大大降低初期雨水的污染負荷；

(2)對癥下藥，針對水質不同的重金屬采取不同的預處理方式，在前端將重金屬形成沉淀物再通過超磁快速固液分離；

(3)盡管超磁技術能應對較大范圍的沖擊負荷，但應考慮其適用范圍。當進水沖擊負荷較大時(特別是懸浮物)，對于進水濃度高的原水需要考慮預沉處理，或在磁反應之前采用預沉措施，以免磁盤出水水質波動產生跑泥的問題；

(4)由于初期雨水為間斷處理，在系統處理完畢之后應及時將系統中的泥和磁粉排出，以免沉積造成影響。

(5)提高磁種的回收率，有色企業初期雨水水量波動較大、水質成分復雜，磁種損失率往往大于理論值，如何提高磁種的回收率也是值得進一步探索的地方。

5 結 語

超磁技術具有高效、占地少等優點，在有色企業含重金屬初期雨水處理領域具有應用價值，特別是在現有廠區內改造的情況，常規工藝往往占地過大難以實現，超磁技術的優點則突現出來。

希望通過本文對超磁技術在有色企業含重金屬初期雨水快速處理中的探索與應用案例的分享，能為同行在類似含重金屬的初期雨水處理的工程及相關研究提供一定借鑒。