h重金属废水处理系统的提质改造设计与实践

１００ｍ３／ｈ重金属废水处理系统的提质改造设计与实践①宾婵婵（长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙４１００１２）摘　要：针对某废水净化站存在的工艺设备落后、处理系统抗负荷冲击能力差等问题，对各段处理工序进行了优化设计，并增加了尾水处理系统，使出水中ＣＯＤＣｒ、Ｍｎ、Ｔｌ含量远低于原系统，实现稳定达标；Ｎａ２Ｓ用量降低了６０％，大大降低了运行成本。关键词：重金属废水；化学处理法；提质改造；废水处理中图分类号：Ｘ７０３文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１８．０２．０２６文章编号：０２５３－６０９９（２０１８）０２－０１０７－０３ＲｅｎｏｖａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎａｎｄＰｒａｃｔｉｃｅｏｆａ１００ｍ３／ｈＨｅａｖｙＭｅｔａｌＷａｓｔｅｗａｔｅｒＴｒｅａｔｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍＢＩＮＣｈａｎ⁃ｃｈａｎ（ＣｈａｎｇｓｈａＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＣｏＬｔｄ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００１２，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｏｎｅｗａｓｔｅｗａｔｅｒｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｌａｎｔｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｕｔｏｆｄａｔｅａｎｄｗｉｔｈｏｕｔａｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｏｔｈｅｌｏａｄｉｍｐａｃｔ，ｅａｃｈｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｔａｇｅｗａｓｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄａｎａｄｄｉｔｉｏｎａｌｔａｉｌｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｗａｓａｄｄｅｄ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆＣＯＤＣｒ，ＭｎａｎｄＴｌｉｎｔｈｅｅｆｆｌｕｅｎｔｍｕｃｈｌｏｗｅｒｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｐｒｅｖｉｏｕｓｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｅｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆＮａ２Ｓｗａｓａｌｓｏｃｕｔｂｙ６０％，ｌｅａｄｉｎｇｔｏａｒｅｍａｒｋａｂｌｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｓｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｅａｖｙｍｅｔａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒ；ｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ；ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎｆｏｒｑｕａｌｉｔｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ；ｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ　　某净化站始建于１９８３年，位于长沙矿冶研究院办公区，为不影响周边环境，净化站每天工作时间为３ｈ，处理水量为１００ｍ３／ｈ。由于净化站建设年代久远，存在工艺设备落后、自动化程度低、处理系统抗负荷冲击能力差等问题。另外，净化站位于市区，离湘江较近，出水排入市政污水管网，处理药剂过量投加带来的二次污染给周边居民带来影响，甚至影响湘江水质。为彻底解决以上问题，在保证净化站不停产的前提下，对现有处理设施各处理工序均进行了优化设计，改造后出水中ＣＯＤＣｒ、Ｍｎ、Ｔｌ含量远低于原系统，稳定达到《污水综合排放标准》（ＧＢ８９７８－１９９６）［１］中第一类污染物最高允许排放浓度及当地环保部门的总量控制要求；且Ｎａ２Ｓ吨水消耗量减少了６０％，降低了运行成本，彻底解决了对环境的二次污染。１　水质资料与工艺流程确定１．１　水质资料净化站废水主要来自氧化锰厂经预处理后的浓水，以及少量实验大楼的实验废水（不超过１０ｍ３／ｄ）。通过对进水水质进行全分析，废水中含有多种重金属，其中主要重金属种类及指标见表１。净化站处理后出水排入市政污水管网，结合长沙市环保局对净化站出水的要求，出水重金属指标参照《污水综合排放标准》（ＧＢ８９７８－１９９６）［１］中第一类污染物最高允许排放浓度，具体水质指标见表１。表１　进水水质及出水标准项目名称ｐＨ值污染物含量／（ｍｇ·Ｌ－１）ＣＯＤＣｒＭｎＴｌＣｒＨｇＮｉ氧化锰厂废水１０８０．８６２０．１９０．１２０．００８０．００２０．０１实验大楼废水１．８２３．１９０．９９０．００１１．２３０．０３０．６９出水水质标准６～９≤１００≤２．００≤０．００５≤１．５０≤０．０５≤１．００１．２　工艺流程确定本项目采用化学处理法去除废水中的重金属［２－３］，通过选择合适的化学反应药剂，使废水中金属离子与其反应生成不溶性的盐或氧化物（包括氢氧化物）沉淀而去除。从表１可以看出，本项目废水中主要超标重金属为Ｍｎ、Ｔｌ，且进水含量均不高，特①收稿日期：２０１７－１１－０２作者简介：宾婵婵（１９８５－），女，湖南长沙人，工程师，主要从事废水处理相关领域的设计与研究工作。第３８卷第２期２０１８年０４月矿　冶　工　程ＭＩＮＩＮＧＡＮＤＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶｏｌ．３８№２Ａｐｒｉｌ２０１８别是Ｔｌ含量极低。需要对微含量的重金属进一步降低，在工艺上对化学反应药剂的选择以及固液分离的效果要求就更加严格。本项目通过精确计算各处理工序运行参数，确定最佳工况后进行优化设计与改造，并增加了尾水过滤系统，改造后工艺流程如图１所示。?,;*3)A0)+),A567.@502/)@/5)7;,0)+),1D.58*;/*)*;(79;C;.=)Na2SaNaOHaME-2aPAMpH+1888856(/A):9A/5A;@*57;((((H2SO4图１　改造后工艺流程２　提质改造设计与实践２．１　加药系统工艺改造常年运行经验和实践证明，投加ＮａＯＨ使废水ｐＨ值达到１２左右，再投加絮凝剂进行沉淀，可以保证出水中包括Ｍｎ在内的多项重金属指标达标，但单纯投加碱对Ｔｌ的去除效果不理想。Ｔｌ含有剧毒，国家对外排水中Ｔｌ含量的要求特别严格。实践证明，针对废水中的Ｔｌ，硫化物沉淀效果明显优于氢氧化物沉淀［４］，主要是由于氢氧化铊沉淀物粒径过于细小不易沉淀，通过絮凝后经斜管沉淀池沉淀１ｈ都很难保证出水达标。但在保证碱性条件下，同时向废水中投加过量的Ｎａ２Ｓ，经絮凝沉淀后，上清液出水中Ｔｌ含量可以达到国家标准。但由于本项目出水排入市政污水管网，与生活污水混合，生活污水中的一些厌氧菌在管网中发酵产酸，出水中残留的Ｎａ２Ｓ在酸性条件下易形成Ｈ２Ｓ并从沿途的污水检查井中溢出，产生异味，给周边居民带来影响。为彻底解决此环境影响，本次提质改造首先对投加的药剂进行改良。ＭＥ⁃２［５］是由长沙矿冶研究院自主研发的一种专门针对含Ｔｌ废水的捕捉药剂，该药剂是以具有国际先进水平的高分子重金属离子捕集沉淀剂为核心技术的系列处理药剂，能在常温下与废水中的Ｔｌ迅速反应，生成不溶水的螯合盐，再加入少量有机或（和）无机絮凝剂，形成絮状沉淀。该法是一种新处理方法———螯合沉淀法［６］。ＭＥ⁃２的特点如下：①不论废水中的Ｔｌ离子浓度高低，均能发挥去除效果；②多种重金属离子共存时，能同时去除；③对重金属离子以络合盐形式（ＥＤＴＡ、柠檬酸等）存在的情况，也能发挥良好的去除效果；④能去除胶质重金属；⑤不受共存盐类的影响。另一方面通过对原人工加药系统进行自动化改造，精确计量，增加在线监测仪表，严格控制药剂投加量。在溶液池，ＮａＯＨ、Ｎａ２Ｓ及ＭＥ⁃２按比例２０∶４∶１混合溶解后，配制成浓度为５％的碱混合液，通过加药泵精确计量投加至废水进水泵的吸水管中，经水泵叶轮高速旋转混合后进入反应塔。加药泵原采用一台普通离心泵，离心泵出口流量会根据管道压力变化而变化，无法做到恒定流量投加，改造后选用１台变频软管泵，主要参数为：Ｑ＝０～５ｍ３／ｈ，Ｐ＝１．６ＭＰａ，Ｎ＝４ｋＷ。软管泵具有很好的计量功能，与普通隔膜计量泵相比，具有流量大、吸程高、不易堵塞的特点，更适合于本项目使用工况。加药量根据反应塔进水处新增的ｐＨ在线监测计进行反馈变频控制，并在软管泵投加管道上新增电磁流量计在线监测药剂投加量。根据调试运行经验，药剂投加量控制在４５０ｍｇ／Ｌ，反应塔进水ｐＨ值控制在１２左右，处理效果最佳。２．２　反应塔工艺改造净化站现有１座反应塔，直径４．５ｍ，高７．２ｍ，半地下式结构。１９８３年净化站建设时，作为原处理工艺的核心处理工序，与悬浮澄清池原理类似，是集混凝和泥水分离于一体的处理构筑物。在反应塔中加入絮凝剂，生成矾花形成稳定的泥渣层，原水经过泥渣层时水中的杂质与原有的泥渣进行接触絮凝，使细小的絮凝粒相互聚合，或被泥渣层所吸附，清水向上分离，原水得到净化，悬浮泥渣在吸附了水中悬浮颗粒后不断增加，多余的泥渣经排泥孔进入浓缩室，浓缩到一定浓度后，由排泥管排走。悬浮澄清式反应塔处理效率高，在２０世纪７０～８０年代得到了广泛应用，但其对原水的水量、水质、水温及混凝剂等因素的变化影响较明显，处理效果不够稳定。随着前端生产工艺不断改进，净化站进水的水质和水量都有较大变化；而且随着国家对环保的要求越８０１矿　冶　工　程第３８卷来越严格，单靠一座悬浮澄清式反应塔，出水已无法满足环保要求。为提高反应塔的处理效果和抗负荷冲击能力，将原有的悬浮澄清式反应塔改造成空气搅拌式澄清反应塔，经常年运行经验和实践证明，该形式反应塔出水水质明显优于静态的悬浮澄清式反应塔。在反应塔中增加了１个直径２ｍ、高３ｍ、与反应塔同心的圆锥形反应室，并在反应室内布置曝气和絮凝剂投加管道，原水与碱液混合后经泵提升至该反应室，然后与絮凝剂在反应室内通过空气搅拌作用充分混合反应，同时防止反应形成的矾花在反应室内沉淀。充分反应后的泥水混合液从反应室顶部向反应塔内外圈的泥水分离室溢出，在泥水分离室清水向上分离，被反应塔顶部的环形集水槽收集后自流至下一处理工序，絮凝后的悬浮物则下沉进入浓缩室，浓缩到一定浓度后，由排泥管排走。絮凝剂选用阴离子型聚丙烯酰胺（ＰＡＭ），配药浓度为０．５％，投加量为３０ｍｇ／Ｌ。采用三槽式干粉泡药机自动化定量投加，主要参数为：药液泡制量Ｑ＝１５００Ｌ／ｈ，Ｎ＝４ｋＷ。采用隔膜计量泵进行投加，一用一备，主要参数为：Ｑ＝９００Ｌ／ｈ，Ｐ＝０．３５ＭＰａ，Ｎ＝０．７５ｋＷ。并在絮凝剂投加管道上新增电磁流量计在线监测药剂投加量。２．３　沉淀系统工艺改造为进一步确保泥水分离效果，将反应塔出水的清水池改造成沉淀池。原清水池容积较大，分成两级沉淀：一级沉淀采用斜管沉淀，表面负荷３ｍ３／（ｍ２·ｈ），有效容积为：Ｌ×Ｂ×Ｈ＝６ｍ×６ｍ×４ｍ；二级沉淀采用平流沉淀，表面负荷１．４ｍ３／（ｍ２·ｈ），有效容积为：Ｌ×Ｂ×Ｈ＝１２ｍ×６ｍ×３ｍ。并在池底放坡，铺设排泥管道，帮助排泥。２．４　酸性废水处理池工艺改造实验大楼的酸性废水通过酸性废水处理池单独收集预处理后进入废水处理系统，废水量约１０ｍ３／ｄ，每日处理一次。从表１可以看出，该股废水除强酸污染外，重金属含量基本未超标。但现场调查发现，废水中含有较多的Ｆｅ２＋，国家污水综合排放标准中并未对Ｆｅ２＋含量进行要求，但水中的Ｆｅ２＋会影响出水色度，因此排放前仍需对其进行去除。另外，铁的氧化物（包括氢氧化物）可以作为共沉淀剂，能与多种重金属形成共沉淀，从而提高沉降效果。因此本项目将沉淀池出水的碱性上清液（ｐＨ＝１２）按１５ｍ３／ｄ的量回流至酸性废水处理池，与实验大楼的酸性废水（ｐＨ＝１．８）进行中和，通过池内新增的ｐＨ在线监测计，控制出水ｐＨ值在６左右，再泵送至沉淀池进水端与总进水混合后一同进入后续处理工序。酸性废水处理池有效容积２５ｍ３，本次改造在池内新增曝气设施，一方面起到混合搅拌的作用，并防止重金属悬浮物在此沉淀；另一方面对Ｆｅ２＋进行氧化，实验证明Ｆｅ（ＯＨ）２沉淀至少要在ｐＨ≥１０时才能形成，而Ｆｅ（ＯＨ）３沉淀只需在ｐＨ≥４时即可形成，因此通过对酸性废水进行曝气可以大大降低碱液耗量，也可缩短反应时间。本次改造选用耐腐蚀的螺旋式曝气头，型号ＸＨＢＱ－２６０，材质ＰＰ，共计４８套；曝气罗茨鼓风机１台，此风机兼做反应塔的曝气风机，主要参数为：Ｑ＝２．１６ｍ３／ｍｉｎ，Ｐ＝０．０５ＭＰａ，Ｎ＝４ｋＷ。２．５　新建过滤系统为提高处理系统的抗负荷冲击能力，在尾端增加一座多介质过滤器，过滤一些沉淀难以去除的细小悬浮物，进一步确保出水各项重金属指标稳定达标。过滤器规格为Φ３．２ｍ×４．５ｍ。滤料由上至下依次为无烟煤和石英砂：无烟煤粒径０．８～１．８ｍｍ，不均匀系数Ｋ８０＜２．０，铺填厚度５００ｍｍ；石英砂粒径０．５～１．２ｍｍ，不均匀系数Ｋ