張小慶

(安徽中環(huán)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，安徽合肥 230051)

礦山開采過程中會產(chǎn)生大量的酸性礦山廢水，據(jù)統(tǒng)有關(guān)資料統(tǒng)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(yè)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(jīng)成為亟需解決的問題[1]。某礬礦山主要開采產(chǎn)品為鉀明礬等，曾是省內(nèi)大中型骨干企業(yè)，隨著經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型，以及明礬替代品的出現(xiàn)，礦廠最終停產(chǎn)。雖然礦廠主體已經(jīng)停產(chǎn)，但開采造成的礦坑廢水污染一直延續(xù)，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(yán)重超標(biāo)。此酸性廢水從巷道涌出，且無廢水處理設(shè)施，直接流入河流，最終匯入湖泊，對河流兩岸農(nóng)業(yè)灌溉、流經(jīng)河流水質(zhì)產(chǎn)生較大影響，在雨水較少時對周邊村鎮(zhèn)居民的生活有一定危害。

因此，需要對巷道涌出的廢水進(jìn)行收集處理，新建一座廢水處理站，使廢水經(jīng)處理后達(dá)標(biāo)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(jié)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(dá)到出水標(biāo)準(zhǔn)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(jié)性變化較大，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，夏季雨后廢水量約為2 880 m3/d，故確定設(shè)計規(guī)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(guī)指標(biāo)均較低，因此，特征污染物為pH和鐵、錳、銅重金屬。按照環(huán)評要求，出水總鐵參考上海市《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/199—2018)中表2一級標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；銅及其他污染物執(zhí)行《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8979—1996)表4中一級標(biāo)準(zhǔn)。具體設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)Tab.1 Design Influent and Effluent Water Quality

2 工藝流程

水中銅離子能夠?qū)諝庋趸r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(yīng)池中先將pH值調(diào)節(jié)到8，以去除鐵、錳離子以及部分銅離子；二級混凝反應(yīng)池中再將pH值調(diào)節(jié)到10，以去除廢水中銅離子并進(jìn)一步去除鐵、錳離子。廢水中鐵離子含量較高，需增設(shè)鐵錳濾池強化鐵、錳的去除效果，以保證出水的穩(wěn)定性。二級沉淀池出水進(jìn)入中提泵站，投加稀酸對廢水pH進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其達(dá)到排放要求。

因此，本工程污水處理工藝為預(yù)調(diào)節(jié)池(pH值調(diào)節(jié)到7，曝氣)+一級混凝反應(yīng)池(pH值調(diào)節(jié)到8)+一級沉淀池+二級混凝反應(yīng)池(pH值調(diào)節(jié)到10)+二級沉淀池+中提泵站(pH值調(diào)節(jié)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(fā)電廠處置。

廢水處理站進(jìn)水自流到預(yù)調(diào)節(jié)池，調(diào)節(jié)pH至中性，經(jīng)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(jìn)入一級混凝反應(yīng)池中，將pH值調(diào)節(jié)到8，自流進(jìn)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(jìn)入二級混凝反應(yīng)池，將pH值調(diào)節(jié)到10，自流進(jìn)入二級沉淀池，以去除廢水中銅離子并進(jìn)一步去除鐵、錳離子；二級沉淀池出水進(jìn)入中提泵站，投加稀酸調(diào)節(jié)pH至中性，由于廢水中鐵離子含量較高，增設(shè)鐵錳濾池強化鐵、錳的去除效果，以保證出水的穩(wěn)定性；通過中提泵將廢水提升進(jìn)入一體化鐵錳濾池，出水進(jìn)入清水池排放。

由于各工藝段主要是酸堿中和反應(yīng)，運行過程中pH的控制至關(guān)重要，因此，設(shè)計了一套pH自動控制加藥系統(tǒng)，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(jié)省藥劑使用量。

pH自動控制加藥系統(tǒng)，是通過pH計控制器自動檢測被測液體的pH值，并通過設(shè)定控制范圍轉(zhuǎn)換成電流信號輸出到加藥泵，加藥泵(已設(shè)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(gòu)筑物及設(shè)備設(shè)計參數(shù)

3.1 預(yù)調(diào)節(jié)池

預(yù)調(diào)節(jié)池分為沉淀區(qū)和曝氣區(qū)，起到調(diào)節(jié)水量以及調(diào)節(jié)至中性環(huán)境下氧化金屬離子的作用。廢水先進(jìn)入混合池，與投加的堿液攪拌混合調(diào)節(jié)pH值至7，然后經(jīng)過平流式沉淀池將沉淀物去除，隨后廢水進(jìn)入曝氣區(qū)，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(diào)節(jié)pH，會產(chǎn)生大量的沉淀物，因此，在工程設(shè)計上將曝氣區(qū)設(shè)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(yù)調(diào)節(jié)池選擇投加堿液。

設(shè)計預(yù)調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu))。設(shè)置混合池1座，與預(yù)調(diào)節(jié)池合建，尺寸為：L×B×H=2.0 m×2.0 m×3.4 m(半地下鋼砼結(jié)構(gòu))。

主要設(shè)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(jī)1臺，跨距4.2 m，功率P=4.55 kW；立式攪拌機(jī)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(nèi)。

3.2 事故池

主要作用為儲存事故水，防止因意外原因?qū)е鲁鏊贿_(dá)標(biāo)而外排。設(shè)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(jié)構(gòu))。

主要設(shè)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?dāng)嚢杵?臺，功率P=4.0 kW；超聲波液位計1臺。為節(jié)省占地，事故池和預(yù)調(diào)節(jié)池合建。

3.3 一級混凝反應(yīng)池

廢水從預(yù)調(diào)節(jié)池通過泵提升進(jìn)入一級混凝反應(yīng)池，反應(yīng)池內(nèi)投加石灰乳和陽離子PAM，將pH值調(diào)節(jié)到8，初步去除廢水中鐵離子和錳離子，并進(jìn)行絮凝沉淀。設(shè)計一級混凝反應(yīng)池1座，尺寸為：L×B×H=6.0 m×3.0 m×5.4 m(半地下鋼砼結(jié)構(gòu))。

主要設(shè)備：混合攪拌機(jī)1臺，漿葉直徑D=1.4 m，轉(zhuǎn)速R=40 r/min，功率P=3.0 kW；混合攪拌機(jī)1臺，漿葉直徑D=1.4 m，轉(zhuǎn)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(yīng)池出水進(jìn)行沉淀，去除其中沉淀物。設(shè)計方形一級沉淀池1座，表面負(fù)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(jié)構(gòu))。

主要設(shè)備：中心傳動刮泥機(jī)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(yīng)池

廢水從一級沉淀池自流進(jìn)入二級混凝反應(yīng)池，反應(yīng)池內(nèi)投加石灰乳和陽離子PAM，將pH值調(diào)節(jié)到10，廢水中銅轉(zhuǎn)化成氫氧化銅沉淀，進(jìn)一步去除鐵和錳，并進(jìn)行絮凝沉淀。設(shè)計二級混凝反應(yīng)池1座，尺寸為：L×B×H=6.0 m×3.0 m×5.4 m(半地下鋼砼結(jié)構(gòu))。

主要設(shè)備：混合攪拌機(jī)1臺，漿葉直徑D=1.4 m，轉(zhuǎn)速R=40 r/min，功率P=3.0 kW；混合攪拌機(jī)1臺，漿葉直徑D=1.4 m，轉(zhuǎn)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(yīng)池出水進(jìn)行沉淀，去除其中沉淀物。設(shè)計方形二級沉淀池1座，表面負(fù)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(jié)構(gòu))。

主要設(shè)備：中心傳動刮泥機(jī)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(jié)省占地，一、二級混凝反應(yīng)池和沉淀池合建。

3.7 中提泵站(含反調(diào)節(jié)混合池)

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

主要設(shè)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(jī)1臺，槳葉直徑D=1 m，轉(zhuǎn)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(zhì)，從而使水質(zhì)得到凈化的工藝過程。采用一體化成套設(shè)備，設(shè)計參數(shù)：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(lián)合反沖洗，反沖洗周期根據(jù)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(shè)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(fēng)機(jī)1臺，風(fēng)量Q=5.6 m3/min，風(fēng)壓H=0.04 MPa，功率P=5.5 kW；反洗泵1臺，設(shè)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(jù)砂濾罐的反沖洗水泵流量、反沖洗時間等參數(shù)確定清水池尺寸，并從運行角度考慮和砂濾罐設(shè)備的距離。停留時間HRT=1.2 h。設(shè)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(jié)構(gòu))。

3.10 污泥濃縮池

將預(yù)調(diào)節(jié)池和一、二級沉淀池內(nèi)的剩余污泥進(jìn)行濃縮，然后送入板框壓濾機(jī)進(jìn)行脫水。絕干污泥量為0.25 t/d。設(shè)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(jié)構(gòu))。

主要設(shè)備：柵條式污泥濃縮機(jī)1臺，功率P=0.75 kW。

4 運行情況分析及工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

根據(jù)廢水處理站運行結(jié)果表明，該廢水站進(jìn)、出水水質(zhì)達(dá)到設(shè)計要求，出水指標(biāo)均能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。運行監(jiān)測數(shù)據(jù)(2020年3月)如表2所示。

表2 運行進(jìn)、出水水質(zhì)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(shè)其他費用為281.04萬元，預(yù)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(wǎng)費用)。

本工程設(shè)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(shè)計特點

(1)設(shè)計了預(yù)調(diào)節(jié)池和事故池，預(yù)調(diào)節(jié)池兼顧調(diào)節(jié)水量和調(diào)節(jié)pH、曝氣氧化的雙重作用[5]，設(shè)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(qū)前端設(shè)計了平流式沉淀池，并采用產(chǎn)生沉淀物較少的堿液藥劑。進(jìn)水在混合池內(nèi)與堿液充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)，隨后進(jìn)入平流式沉淀池，去除固體沉淀物后廢水再進(jìn)入曝氣區(qū)進(jìn)行曝氣氧化反應(yīng)，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(gòu)筑物相互間協(xié)調(diào)和節(jié)省占地，將預(yù)調(diào)節(jié)池的沉淀池設(shè)計為平流式，將一、二級沉淀池設(shè)計為方形，有利于同其他構(gòu)筑物合建，也有利于廠區(qū)整體布局美觀。

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

(4)由于廢水中鐵離子含量較高，為保證出水的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，設(shè)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(jīng)濟(jì)上比較后，設(shè)計選用一體化鐵錳濾池，簡單方便。對其他小規(guī)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(yīng)，如何精確有效地投加藥劑是運行的關(guān)鍵，既關(guān)系到處理效果又關(guān)系到生產(chǎn)成本。故工程設(shè)計了一套pH自動控制加藥系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，可以監(jiān)測到預(yù)調(diào)節(jié)池、一級混凝池、二級混凝池、中提泵站內(nèi)實時pH，并通過pH自動系統(tǒng)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(chǎn)工藝的穩(wěn)定以及降低了生產(chǎn)成本。

6 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)，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(shè)計采用“預(yù)調(diào)節(jié)池+一級混凝反應(yīng)池+一級沉淀池+二級混凝反應(yīng)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(jīng)處理后達(dá)標(biāo)排放，能夠有效地減少廢水對周邊水體環(huán)境和居民生活的影響，保護(hù)了環(huán)境。工程設(shè)計中的一些思路對其他類似項目提供了參考作用。