鉛冶煉廠廢水深度處理實踐

張 剛，唐 劍

（湖南水口山有色金屬集團有限公司，湖南 常寧 421513）

湖南水口山有色金屬集團有限公司鉛冶煉廠（以下簡稱鉛冶煉廠）為湖南水口山有色金屬集團有限公司（以下簡稱水口山公司）的二級生產單位，于2005年8月建成投產。為履行環境保護義務，鉛冶煉廠于2013年投資1.85億元將原有“氧氣底吹+鼓風爐煉鉛”工藝升級改造為“富氧底吹熔煉+側吹液態渣直接還原”工藝，并于2014年10月投產成功，2016年10月通過湖南省環保廳驗收。隨著環保標準的提高，鉛冶煉廠原有的環保處理措施不能滿足GB 25466—2010《鉛、鋅工業污染物排放標準》修改單中特別排放限值的要求。2018年9月鉛冶煉廠啟動環保升級改造項目，除改造生產設施外，重點對現有生產系統的底吹爐衛生收塵、煙氣脫硫、廢水處理等環保設施進行完善，實現有效優化生產環境，滿足日益嚴格的環保要求。

筆者對廢水深度處理工藝進行了較為全面的介紹，對運行過程中存在的問題進行了原因分析，提出了切實可行的改進措施，取得了較為滿意的效果。

1 廢水深度處理工藝流程

鉛冶煉廠的廢水深度處理采用“預處理降硬度+多介質過濾+超濾+陽床樹脂交換+兩級納濾+三級反滲透 + MVR蒸發結晶”工藝，其工藝流程見圖1。

圖1 廢水深度處理工藝流程

各股經預處理后的廢水經過調節池、軟化澄清、分鹽、膜系統濃縮后，將其中的各種溶解物質去除或提取，同時將最終的濃縮液送至機械式蒸汽再壓縮蒸發器（MVR）蒸發結晶。經過蒸發結晶后產生的純水回用于循環水冷塔，結晶固體的主要成分是氯化鈉，可用于制取工業氯化鈉，而經過納濾分鹽裝置產生的二價鹽濃縮液送至沖渣泵進行沖渣回用，最終實現廢水零排放[1-2]。

2 廢水處理系統

2.1 預處理系統

廢水預處理主要采用二氧化碳+鈉堿法處理工藝。將調節池的廢水通過提升泵送入二氧化碳溶氣反應罐，在輸送管道內用氫氧化鈉調節廢水的pH值。向二氧化碳溶氣反應罐中通入CO2氣體，增加廢水中的HCO3-，使水的永久硬度變成暫時硬度。在堿性條件下，HCO3-繼續與OH-反應生成CO32-，CO32-與Ca2+、Mg2+反應生成沉淀，從而達到降低硬度的目的。由于二氧化碳能夠溶于水，與水會反應生成碳酸，使溶液呈酸性，所以不能無限量投加，因此廢水中可能還會有殘余硬度，這種硬度以永久硬度的形式存在，需要加入純堿去除廢水的殘余硬度。

向廢水中通入CO2降低廢水的硬度可以減少藥劑純堿的消耗和污泥的產量，但反應必須在堿性條件下進行（pH值一般為9～10），否則生成的碳酸鈣顆粒又會溶解。

主要化學反應方程式為：

2.2 多介質過濾系統

多介質過濾器的上部填充無煙煤，下部填充石英砂，經預處理后的水通過中間池提升泵送至多介質過濾器，自下而上進行過濾，除去水中的大顆粒雜質后進入超濾系統。

2.3 超濾系統

超濾是以壓力為推動力，利用超濾膜不同孔徑對液體進行分離的物理篩分過程。在一定壓力下，當原液流過典型孔徑在0.01～0.1 μm的超濾膜表面時，粒徑大于膜孔徑的物質被截留，水及小分子物質則可以通過，從而為后續系統提供更加穩定和優質的出水水質。

2.4 樹脂軟化系統

為了保護后續納濾膜和反滲透膜不因水的硬度過高出現結垢堵塞，在膜裝置前面設置鈉型陽離子樹脂交換器，以去除水中的殘余硬度和所有可疑的結垢離子，如Ba2+、Al3+等。樹脂軟化系統使用w(HCl)5%～6%的稀鹽酸溶液對樹脂進行再生。

2.5 兩級納濾系統

納濾膜歸類為“工業分離膜”，主要用于工業分離鹽組分及提純，在近幾年迅速發展并已投入工業應用。鉛冶煉廠的廢水經過前期的軟化預處理，主要成分為Na2SO4和NaCl。廢水處理系統設置兩級納濾，利用納濾對二價離子截留率高的特點，將SO4

2-等二價離子與Cl-等一價離子分離，從而把廢水中的二價鹽和一價鹽分離，以保證后續蒸發結晶的固體產品工業氯化鈉的純度。一級納濾的產水作為一級反滲透的進水，濃水作為沖渣水回用，為了進一步減少沖渣水的量，鉛冶煉廠采用二級納濾對一級納濾濃水進行再濃縮減量化。

2.6 三級反滲透系統

反滲透又稱逆滲透，一種以壓力差為推動力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作，達到分離、提取、純化和濃縮的目的。鉛冶煉廠的反滲透系統主要是將含有一價鈉鹽的一級納濾和二級納濾的產水進一步脫鹽提純，利用反滲透膜的特性在加壓條件下將一價鈉鹽溶液在反滲透膜濃水側不斷濃縮，產水側含鹽低的產水回用于生產系統，濃水用于MVR蒸發結晶。采用三級反滲透系統，一方面可以將產水率提高到92%以上，另一方面可以降低反滲透濃水水量，為后續MVR蒸發結晶系統減輕負荷[3]。

2.7 MVR蒸發結晶系統

MVR蒸發器主要用于濃縮或分離液體溶液、懸浮液和乳濁液，其工作原理為：蒸發器產生的二次蒸汽經機械式熱能壓縮機作用后，使蒸汽溫度升高，返回蒸發器作為加熱熱源，新鮮蒸汽僅用于補充熱損失和進出料熱焓，從而大幅度減少蒸發器對新鮮蒸汽的消耗。MVR蒸發器具有熱效率高、占地面積小、運行成本低、自動化程度高等優點[4]。

鉛冶煉廠的MVR蒸發結晶系統主要分為兩個大循環，分別是：

1）蒸汽循環。將電加熱產生的蒸汽加熱物料，并從分離器上部直接被吸入蒸汽壓縮機中。被壓縮后的蒸汽壓力提高，相應的溫度和熱值也得到提高，然后被送入加熱蒸發器，作為蒸發器的熱源使用。蒸汽經過加熱蒸發器的換熱，得到的冷凝水進入凝結水罐收集后作為預熱器的熱源再次使用。

2）物料循環。經預熱后的物料經強制循環泵送入強制循環管網，經加熱蒸發器的加熱達到一定溫度后，直接進入分離室進行汽液分離。在循環泵的作用下，物料由于水分的不斷蒸發而濃縮，直至產生過飽和并析出晶體，當晶漿比達到約0.2時，排出部分溶液，并通過離心機進行固液分離。分離出的母液重新回到循環系統中繼續蒸發，晶體作為副產品進行銷售或另行處理。

3 存在的問題及改進措施

3.1 預處理系統的作業勞動強度大，堿液配制存在安全風險

在廢水預處理降硬度階段，為了保證出水的硬度及pH值達標，分別將片堿和碳酸鈉粉末制備成溶液進行投加，人工作業勞動強度大，且在堿液制備過程中，片堿溶解放出大量的熱，導致聚丙烯（PP）材質的罐體受熱變形，由于藥劑加入量大，極易造成罐體破損。再者，二氧化碳和碳酸鈉都用于降低水的硬度，可考慮只投加一種藥劑達到降低水的硬度的同時減輕人工作業勞動強度的目的。

經過試驗研究和實踐，對廢水預處理工序做以下改進：

1）控制源頭降硬度。在污酸處理達標的情況下，通過降低氫氧化鈣的投加量來降低原水的硬度，控制污酸處理的出水硬度在30 mmol/L左右。

2）將投加片堿改為直接投加w(NaOH)為30%的液堿，可大大降低人工投加片堿的勞動強度和堿液制備過程中存在的風險。

3）準確控制CO2的加入量，實現單獨使用氫氧化鈉降低水的硬度的目的。通過試驗得出，當二氧化碳投加量(m3/h)=進水量(m3/h)×進水硬度(mmol/L)÷45時，且控制預處理系統的出水pH值在9.5左右，預處理系統產水硬度穩定在1 mmol/L以下，遠低于設計值7.5 mmol/L。預處理系統出水硬度的降低對于提高陽離子交換樹脂的使用壽命具有明顯的作用，樹脂再生沖洗頻次由原來的每周1次降低到現在的每月1次。

3.2 用稀鹽酸再生樹脂增加廢水處理成本

樹脂軟化系統使用稀鹽酸進行樹脂再生，按設計要求每隔8 h再生一次，稀鹽酸使用頻次高，大量的含鹽酸廢水進入調節池，致使調節池的pH值從12降至7左右，必須大量加入NaOH以維持廢水處理的堿性條件，造成NaOH的消耗量增加，廢水處理成本增加。

為解決上述問題，鉛冶煉廠采用主要含有NaCl的三級反滲透濃水對鈉型陽離子樹脂進行再生，根據樹脂的再生效果再參照超濾產水和陽離子樹脂交換器產水的硬度，確定是否再次使用稀鹽酸對樹脂再生。從工藝改進后的運行效果來看，采用三級反滲透濃水對樹脂再生是可行的，在降低鹽酸和NaOH消耗量的同時，濃水的使用減少了進入MVR蒸發器的濃水處理量。

3.3 MVR蒸發結晶系統運行成本較高

MVR蒸發器采用電加熱產生蒸汽，電能消耗高，電費高達150萬元/a。鉛冶煉廠為火法冶煉企業，冶金爐座配有余熱鍋爐對余熱進行回收，因此采用冶金爐座余熱鍋爐產生的蒸汽作為MVR蒸發器的熱源，可大幅降低MVR蒸發結晶系統的運行成本。

4 結語

鉛冶煉廠針對廢水深度處理工藝流程在運行過程中存在預處理系統人工作業勞動強度大且存在安全風險、用稀鹽酸再生樹脂廢水處理成本高和MVR蒸發結晶系統運行成本較高等問題，通過對廢水預處理工藝和離子交換樹脂再生工藝進行了完善和改進，將MVR蒸發器采用電加熱產生蒸汽改為利用冶金爐座余熱鍋爐產生的蒸汽作為熱源，實現了預處理系統產水的硬度在1 mmol/L以下，確保了膜系統的穩定性，降低了運營成本。該廠也會一直厚植“綠水青山就是金山銀山”的理念，以更高的標準、更嚴的要求，努力實現“國內一流的綠色煉鉛企業”發展愿景。