有色金屬選礦廠給排水系統設計構建及探析

馬永明

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 前言

在我國工業高速發展的過程中,伴隨環境保護問題的嚴峻性,水資源的保護和水污染防治成為突出問題的同時,也提出了相應更加嚴格的要求。在礦山工程中,選礦廠(又稱選廠)作為礦山企業的一個主要生產單位和重要組成部分,專門利用破碎、篩分、磨礦、浮選、精礦尾礦分離、壓濾等各種選礦方法和工藝流程,從原礦中獲取較高品位精礦的工廠[1]。濕式作業是選礦廠采用的主要工藝流程,指通過以水為媒介來分離精礦和尾礦,采用浮選生產的選礦廠工業用水量一般為4～7 m3/t(原礦)。根據實際工程應用實踐獲知,選礦廠用水量在整個礦山工程中占比高達80%以上。同時我國選礦廠廢水具有水量大,懸浮物含量高,含有害物質種類較多而濃度較低等特點。而且選礦生產過程中產生的廢水含有殘留選礦藥劑對環境產生嚴重污染,所以對水資源的循環利用就顯得非常重要。因此,對于選礦廠的工程建設來講給排水系統的構建設計尤為重要,整個系統的設計合理與否將對選礦效果和經濟效益產生直接的影響,且與節約水資源等環保問題息息相關。本文基于實際工程實踐總結,針對我國有色金屬選礦廠工程建設過程中給排水系統的構建設計進行了探討分析。

1 水量的平衡

我國現行《污水綜合排放標準》(GB 8978—96)對有色金屬選礦廠給排水提出了明確要求,水重復利用率要求不低于75%,且要求控制外排廢水量及污染物總量,廢水經處理后對SS 有明確要求,廢水一級外排標準≤70 mg/L,二級外排標準是≤300 mg/L。對于選礦廠工程給排水系統水量平衡規劃設計,應充分考慮利用工藝回水和循環回水,提高水的重復利用率,減少新水耗量,降低外排廢水量。目前有色金屬選礦廠主要采取以下兩種方式:

(1)選礦廠內以濃密機回水為主的小循環方式:以金川新建11 000 t/d 銅鎳選礦廠為例,設計規模11 000 t/d,回水系統分精礦濃縮回水和尾礦濃密機回水兩個系統,一次濃縮回水和二次濃縮回水經精礦回水泵站送至浮選和精礦車間作業,尾礦濃縮機回水經尾礦回水泵站送至磨礦作業,不足部分由生產新水和中水補充。

(2)以尾礦庫的回水大循環途徑協同選礦廠內濃密機回水循環工藝,可同步實現水重復利用率不低于90%和減排廢水及外排污水達標的目標。以利比里亞邦鐵礦項目先期復產工程為例,設計規模270 萬t/a,回水系統主要由尾礦庫回水和精礦濃密機回水組成,不足部分由生產新水補充。選礦廠設回水池1 座,尾礦庫回水和精礦濃密機回水收集至該回水池,根據廠房的標高不同,由3 組加壓泵分別供給磨礦篩分廠房、初螺選礦廠房、重選精選廠房用水。

有色金屬選礦廠用水點主要分為工藝補加水、設備冷卻用水、洗礦用水、軸封用水、藥劑制備用水、降塵用水和地面沖洗用水等。各用水進入選礦廠各車間系統后主要通過精礦或尾礦工藝工程帶走水。水量平衡圖設計過程中,除了正常考慮精礦帶走的水量以及蒸發損失的水量外,同時需要詳細考慮設備冷卻用水、濃密機溢流出水等產生的外排廢水的收集回用路徑。目前,常見的選礦廠生產水量平衡圖形式如圖1 所示。

圖1 某選礦廠水量平衡圖

2 水系統分類及工藝用水的選擇

2.1 水系統分類

給排水系統的構建既要充分考慮滿足有色金屬選礦廠生產工藝各用水要求,同時精細化設計廠區系統,節水提高水重復利用率,按照“高水(高品質)高用,低水(低品質)低用”,不隨意外排[2]的原則進行設計。統籌考慮不同生產工藝和用水水質具體要求,選礦廠給水系統主要包括生產消防給水系統、回用水系統、冷卻循環水系統和生活給水系統;污廢水系統可分為生活污水系統和生產廢水系統。

生產消防給水系統一般采用生產新水,新水中SS 的質量濃度≤50 mg/L,主要用于選礦廠生產消防給水系統、回用水系統補充用水、軟化水系統的給水。

回用水系統主要為精礦、尾礦濃縮池的溢流出水和生產車間產生的的生產廢水,通過采取沉淀澄清等措施處理后的出水,出水中SS 的質量濃度≤200 mg/L。回用水系統主要供給選礦廠對用水水質要求不高的用水點。

工程實踐中選礦廠球磨機、半自磨機、空壓機等設備需要統一考慮配備獨立的循環水系統,經過冷卻后的水利用余壓送至配套冷卻塔經過噴淋降溫處理后,由泵加壓后輸送至相應用水點重復使用,降低了新水用量。補水采用水質較好的軟化水或生產水,主要考慮到設備冷卻用水量少,配套給水管徑較小,為避免設備使用過程中冷卻管道的結垢,因而從源頭提高用水品質。

生活用水系統為廠區生活新水,主要用于各車間、辦公樓、食堂生活用水,水質滿足《生活飲用水標準》(GB 5749—2006)。

生活排水系統主要為各廠房生活間沖洗廁所生活污水和生活廢水。糞便污水經化糞池處理后,與其他生活廢水一并排入生活污水管道,自流進生活污水處理站,采用生物法二級處理,再經過濾消毒后達到城市雜用水水質標準(GBT 18920—2002)后,用于廠區道路沖洗、綠化或外排。

生產排水系統主要為廠房地面沖洗水,一些銅鉬、鉛鋅選礦廠還會有一些無法直接回用的生產廢水。地面沖洗水收集至廠區回水泵站,經泵加壓送至各廠房,回收利用。無法直接回用的生產廢水,應經試驗獲取可靠資料,通過技術經濟比較確定具體處理方案,處理達標后外排或回用。

2.2 工藝用水的選擇

選礦工藝流程主要為破碎、篩分、磨礦、浮選、精礦、尾礦。

工程實踐中破碎篩分主要為干式作業,由破碎機和篩分機組成的破碎工序,選廠多采用二段或三段破碎篩分流程.用水點主要為降塵用水、地面清洗和設備冷卻用水。濕式除塵主要是通過霧化除塵器直接在礦石下料口加濕,一般選用生產新水作為水源,主要考慮來水中水質較差時容易造成噴頭堵塞。車間地面清洗一般選用生產回水,設備冷卻用水采用獨立的循環水系統。

選礦廠的主要用水單元是磨礦浮選工序,水量需求大但對水質要求不高。工程實踐中常采用選礦廠精礦及尾礦濃縮池溢流水會用于磨礦用水點。而浮選工序對用水有一定明確要求,來水濁度太高會加速浮選系統的泥化現象,浪費浮選藥劑,增大浮選難度,降低精礦品位。設計時應考慮浮選區域同時供給生產新水備用,以南非gamsberg 鉛鋅礦選礦廠項目,浮選區域同時鋪設生產新水管道和回水管道,生產新水備用。

如果選礦場地空余空間較大,可以對精礦及尾礦濃縮池溢流水出水設沉淀處理設施后,再回用。以金川鎳銅選礦廠項目為例,精礦濃縮池溢流水出水先進萬立方米沉淀池沉淀后再回用,尾礦濃密機溢流水先進兩個已廢棄的直徑為百米濃密機沉淀后再回用。

選礦廠按照水質需求層次,對于球磨機、強磁機等都大型設備對冷卻用水需求量大,水質有一定明確要求,常獨立設置選礦系統設備冷卻水系統統一供給生產新水或者是軟化水。

磨礦、浮選藥劑制備、尾礦濃縮絮凝劑制備、渣漿泵的水封及沖洗水一般選用生產新水。

3 流量控制系統的設置

在選礦廠的實際生產中常常會出現設備實際給水流量與礦漿流程指標不能吻合。生產作業工序對用水量有相應要求,供給水量波動會影響選礦指標和水量的平衡。因此給排水設計應和選礦專業、自控專業密切配合,在重點監測部位設置流量控制系統,設計時在設備供水管上宜增設檢測流量的儀表和電動調節閥門,以監控和分配給水量,可以收到較好的效果。以南非gamsberg 鉛鋅礦選礦廠為例,在半自磨機進礦槽的進水管、振動篩進水管、再磨區域進水管、球磨機排礦泵池的補水管以及滾筒篩進水管等管道上增設流量計和調節閥門,實現對供水量的控制。

4 高位水池的設置

選礦廠設置高位水池的主要用來調節水量、穩定水壓、儲備事故用水、消防用水和安全用水。

工程應用中優先考慮利用選礦廠的高差地形,通過設立高位水池構建選礦的安全用水系統,生產中破碎設備、篩分設備、機修設備等用水作業率較低,其它輔助車間的用水多為間斷式的[3],造成新水用量不均勻,高位水池的設置有效解決了用水問題。以利比里亞邦鐵礦項目先期復產工程為例,生產新水經二級加壓泵站加壓送至生產高位水池,供采礦工業場地、選礦工業場地的粗碎站、原礦堆、皮帶廊及轉運站地面沖洗、磨礦篩分廠房、粗螺選礦廠房、重選精選廠房、脫水廠房等生產補加水,渣漿泵水封用水和地面沖洗用水,場地綠化、沖洗汽車用水。

高位水池的調節容積應充分綜合考慮生產作業制度、輸水管線距離長短、合理檢修時間、供水波動連續等因素,一般按照不小于8 小時供水量考慮設計。當生產與消防共用一個給水系統時,高位水池應同時考慮滿足正常的生產用水量和消防用水,且應設置措施保證一次消防用水量不被動用。高位水池的設置高度主要考慮最不利點服務水頭、管道水頭損失、富余水頭。當選礦廠各車間總圖布置差異較大,當廠房內最不利用水點水壓不足情況下,可通過設置管道泵二次加壓供給用水需求。

若選礦廠沒有可利用的地形條件,例如一些戈壁灘、沙漠地區,可不設置高位水池,回水通過變頻回水泵供廠區工藝用水。此種方案設計要點是水泵變頻調節裝置的選擇。

回用水系統具有輸送流量大和電耗高等特點,承擔了選礦廠主要設備用水的供給,如何低能耗供水是回用水系統重點考慮的問題。尤其大型選礦廠存在選別系列較多前提下,循環回水泵的臺數設置與生產制度要直接關聯,同時泵應設置變頻調速裝置,保持水泵在高效區間工作滿足不同工況下生產用水需求。調速控制主要根據回用水泵出水管上的流量計讀數作為關鍵控制參數。

5 選礦廠生產廢水處理

對于選礦廠清潔生產,實現綠色礦山,選礦廠生產過程中產生的污廢水需要進行綜合治理,實現廢水處理后優先回用,節約水資源,消除廢水對環境的污染,降低生產成本。

生產廢水水質主要以挾帶大量SS 和少量藥劑,其中懸浮物主要為礦粉和脈石廢渣等無機固體物,通過重力分離處理、化學、生物等方法將廢水凈化以達標排放。廢水中浮選劑、離子等對選礦指標會產生較大的影響時,特別是銅鉬礦、鉛鋅礦和硫化礦,應考慮設計廢水處理系統。另一種情況,在南方地區降雨量大,由于尾礦庫回水含大量雨水無法完全回用,此部分廢水需處理后才能達標排放。

以國內某硫化礦選廠為例,浮選工藝一般采用黃藥、黑藥、松醇油作為浮選藥劑,經過復雜的化學物理反應轉化成酚類等有機物,故生產外排廢水屬于含有機物廢水。浮選藥劑添加量從幾十到幾百克每噸,甚至可高達幾公斤每噸[4],但其主要伴隨外排廢水流走。因此,產生的選礦廢水中會含有大量的懸浮物SS 和選礦藥劑物質,若直接排入就近水體環境將造成嚴重污染,破壞當地生態環境。

以某鋅銦選廠尾礦廢水中為例,As 為0.065 mg/L、氨氮為 4.475 mg/L、COD 為27.992 mg/L、F-為4.228 mg/L 未達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)芋 類排放標準,針對廢水水質特點,本工程廢水處理工藝如圖2 所示。試驗表明:砷處理可以穩定達到≤0.03 mg/L,氟處理穩定達到≤1.0 mg/L 排放標準,滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)芋類排放標準。該廢水處理工程采用改性沸石、PAM 等藥劑,利用兩級混凝沉淀工藝流程,可以使水中重金屬去除,同時有效去除有機物及氨氮,確保處理出水能夠穩定達標。當然,選礦生產廢水的具體處理方案,應經試驗獲取可靠資料,通過技術經濟比較確定。

圖2 國內某尾礦庫生產廢水處理工藝流程圖

6 結語

有色金屬選礦廠給排水系統構建設計不僅要滿足生產工藝不同水質的用水需求,還要滿足環保審批以及節水指標考核要求,因此礦山給排水設計還存在著很大的提升空間,需要進一步的探索和優化。同時也對設計人員提出了具體要求,設計過程中要以實際的工程概況具體分析,積極消化吸收新工藝、新技術,優化系統設計,提高水資源重復利用率,為工程提供優質的全面系統化設計。