Очистка сточных и кондиционирование оборотных вод

Источником сточных и оборотных вод на обогатитель­ных фабриках являются сливы обезвоживающих, обесшламливающих, промывочных аппаратов и хвосты обогащения. Загрязняющими примесями в них являются частицы различ­ной крупности (вплоть до коллоидных), соли жесткости и ио­ны тяжелых металлов, органические вещества и продукты вза­имодействия реагентов с минералами и растворимыми соля­ми. Содержание примесей обычно во много раз превышает пре­дельно допустимую концентрацию (ПДК) их в водоемах са-нитарно-бытового использования, составляющую (в мг/л): 0,5 — для нефти, железа, молибдена; 0,1 —для керфсина, бензина, цианида, меди, вольфрама, никеля, свинца, титана; 0,001 —для фенола, крезола, ксантогенатов, дитиофосфатов. Содержание твердых веществ в воде водоема при сбросе в него сточных вод не должно увеличиваться более чем на 0,25 мг/л, а значе­ние рН — выходить за пределы 6,5—8,5.

Значительные трудности и большие капитальные затраты при очистке сточных вод до ПДК, недопустимость загрязне­ния окружающей среды и менее жесткие требования к обо­ротным водам вызывают необходимость осуществления пол­ного водооборота не только на обогатительной фабрике, но и на горно-обогатительном предприятии в целом. Оборотные во­ды должны содержать не более 12—15 мг/л твердых веществ, иметь жесткость не более 8, рН в пределах 6—10 и концентра­цию растворимых соединений в соответствии с требованиями используемой технологии обогащения, т. е., например, реагенты, от которых необходимо было бы очищать стоки, могут быть повторно использованы при флотации. Задачей конди­ционирования оборотных вод является удаление только вред­ных для технологического процесса примесей.

Очистка сточных вод для использования их в качестве оборотных (кондиционирование) и для сброса в водоемы осу­ществляется механическим, химическим, физико-химическим и биохимическим способами. Процесс очистки должен сопровождаться доизвлечением теряемых со сточными водами цен­ных компонентов.

Механическая очистка сводится к удалению грубодисперсных примесей из жидкой фазы пульпы путем осаждения их под действием сил тяжести и центробежных сил в сгустителях, отстойниках, гидроциклонах, центрифугах и хвостохранилищах, представляющих собой гидротехнические сооружения в виде большой открытой чаши, слив которых без доочистки или после нее используется в качестве оборотной воды или сбра­сывается в водоем.

Химические способы используются для удаления из вод растворенных соединений. Они основаны на применении реа­гентов, вызывающих:

• нейтрализацию избыточной кислотности или щелочно­сти воды. Для нейтрализации щелочных вод используется обычно серная кислота; для нейтрализации кислых вод — из­весть, иногда едкий натр и сода, карбонаты щелочноземель­ных металлов (кальцит, мел, магнезит, мрамор). В последнем случае вода фильтруется через слой, например, мраморной крошки. Нейтрализация щелочных вод фабрики может быть достигнута также смешиванием их в определенном соотношении с кислыми шахтными (рудничными) водами;

• образование и осаждение труднорастворимых соедине­ний, например, гидроксидов, карбонатов, сульфидов тяжелых металлов, цементных металлов, фторидов и фосфатов щелоч­ноземельных металлов. Так, применение извести приводит к об­разованию гидроксидов, например, меди и никеля, фторида кальция; применение соды и карбонатов щелочноземельных металлов — простых и основных карбонатов меди, свинца, цинка; применение сернистого натрия — сульфидов тяжелых металлов и ртути; применение сульфата железа — ферроцианидов железа; использование металлического железа (в виде порошка, стружки или жести) позволяет осадить медь и ни­кель в виде цементных;

• окисление токсичных соединений (цианидов, ксантоге­натов, дитиофосфатов, фенола, крезола, сероводорода и др.) до безвредных. Например, при окислении цианидов образуют­ся карбонатные ионы, азот или ионы аммония, при окислении сероводорода — элементарная сера или сульфоксидные со­единения. В качестве окислителей используются хлорная из­весть, гипохлорит кальция или натрия, жидкий хлор, озон. Окисление применяют в тех случаях, когда другие методы очистки не могут удалить или разрушить вредные примеси.

Принципиальные схемы очистки сточных вод гипохлори-том кальция, получаемым на месте из жидкого хлора и извес­ти, а также озонированием приведены на рис. 9.16.

Рис. 9.16. Схемы очистки сточных вод гипохлоритом кальция (а) и озони­рованием (б):

1 — склад извести; 2 — емкость с известковым молоком; 3 — склад жидкого хло­ра; 4 — испарительная станция; 5 — реактор; 6 — емкость для раствора хлорной из­вести; 7 — дозатор; 8 — сгуститель; 9—выпуск чистой воды; 10 — выпуск осадка; 11 —осушительная установка; 12 — генератор озона; 13 — отвод О1работанного газа; 14 — предварительный реактор; 15 — основной реактор

Наиболее перспективным, технологически и экологически приемлемым способом очистки вод является озонирование. Озон О₃ получают воздействием электрического разряда на кислород воздуха. Процесс окисления с ним идет в 15—30 раз быстрее, чем с хлором; в сточные воды не вносится никаких дополнительных примесей. Кроме того, при озонировании во­да обогащается кислородом, что полезно как при сбросе очи­щенных вод в водоем, так и при использовании в качестве оборотных при флотации руд и углей.

Из физико-химических способов при очистке вод исполь­зуются коагуляция, флотация и адгезионная сепарация, элек­трокоагуляция и электролиз, сорбция и экстракция, кристал­лизация и эвапорация.

Коагуляцию применяют для ускорения осаждения тонких частиц в результате их агрегации. В качестве реагентов-коагу­лянтов используют обычно известковое молоко, растворы суль­фатов железа или аммония, которые подают (0,1—0,9 кг/м³) для улучшения контакта и перемешивания с ними в начало пуль­повода, транспортирующего пульпу в хвостохранилище. По­мимо коагуляции твердых частиц, известь вызывает также осаждение тяжелых металлов и анионов жирных кислот в ви­де труднорастворимых соединений, уменьшает кислотность и повышает значение рН, а соли железа и аммония уменьшают щелочность и понижают значение рН, осаждают оксигидриль-ные собиратели. Агрегированию тонких частиц способствует также загрузка флокулянтов типа полиакриламида. Однако они не оказывают заметного влияния на утолщение осадка, сравнительно дороги и поэтому редко применяются для ос­ветления сточных вод.

При флотации эффективное удаление из сточных вод тон­ких минеральных частиц и капелек органических веществ осу­ществляется в результате закрепления их на поверхности пу­зырьков в объеме пульпы или раствора. Образование требуе­мых при этом тонких и тончайших пузырьков достигается электролизом при электрофлотации, созданием вакуума при вакуумной флотации, предварительным насыщением очи­щаемой воды воздухом под давлением при напорной или ком­прессионной флотации.

Принцип компрессионной флотации получил развитие и используется в настоящее время в разработанном В.А. Мали­новским процессе адгезионной сепарации, которая включает в себя по существу три по-разному аппаратурно оформленных метода: каскадную (АКС), глубинную (ГАС) и поверхностную (ПАС) адгезионную сепарацию. Все они предназначены для извлечения из шахтных, сточных и оборотных вод гидрофоб­ных частиц, осадков и веществ в результате адгезии их на по­верхности выделяющихся из раствора пузырьков газа и отделения образующихся флотационных комплексов от объема жидкости. Степень очистки на установке типа АКС составля­ет 70—98 % при стоимости очистки 1 м³ воды 0,16—0,22 долл. Методы флотации пригодны также для извлечения из рас­творов ионов и молекул органических и неорганических веществ при концентрации их в растворе 10^-2—10^-8 моль/л. Эти методы, получившие общее название ионной флотации, основаны:

• на способности ионов и молекул органических веществ адсорбироваться на поверхности пузырьков и концентриро­ваться затем в пенном продукте (пенное фракционирование). При извлечении 90—95 % органических веществ, не поддаю­щихся биологическому разрушению, расходы не превышают 0,01 долл/м³;

• на притяжении извлекаемых ионов (например, урана, мо­либдена, вольфрама, рения и др.) противоположно заряжен­ными ионами собирателя, закрепившимися на поверхности пу­зырьков (ионная флотация);

• на способности многих цветных и редких металлов об­разовывать с определенным органическим веществом трудно­растворимые гидрофобные осадки, легко закрепляющиеся на поверхности пузырьков (флотация гидрофобных осадков);

• на предварительном осаждении извлекаемых металлов не­органическими реагентами и последующей гидрофобизации полученного осадка собирателем, обеспечивающей эффектив­ное закрепление его на поверхности пузырьков (флотация гидрофобизированных осадков);

• на аккумулировании в слое органического растворите­ля на поверхности аэрируемого раствора гидрофобных со­единений, транспортируемых из объема раствора пузырьками газа (флотоэкстракция).

Перечисленные разновидности ионной флотации позволя­ют обеспечить высокую степень очистки сточных вод и предот­вратить загрязнение окружающей среды, получить за счет из­влекаемых примесей товарные продукты, повысить извлече­ние ценных компонентов и комплексность использования сырья.

При электрохимической очистке сточные или оборотные воды пропускают через электролизер. Очистка от растворен­ных и коллоидных примесей при этом происходит в результате:

• протекания реакции окисления или восстановления при­месей, например, окисление цианидов на графитовом или магнетитовом аноде, и восстановления на медном катоде;

• образования осадков, например гидроксидов тяжелых ме­таллов, за счет повышения рН воды в электролите на 1—4 еди­ницы;

• электрохимического растворения железных или алюми­ниевых анодов с образованием соответствующих гидрокси­дов, развитая поверхность которых адсорбирует имеющиеся в воде катионы и анионы металлов или капельки эмульгиро­ванных органических веществ и вызывает осаждение их вместе с осадками гидроксидов железа или алюминия.

Процесс электрохимической очистки сточных или оборот­ных вод получил название электрокоагуляции. Большинство устройств для электрокоагуляции представляют собой безна­порные электролизеры горизонтального или вертикального ти­па, в которых пластинчатые, цилиндрические или насыпные (из металлического порошка) электроды располагаются на рас­стоянии 5—20 мм. Для предотвращения межэлектродного за­мыкания между ними расположены специальные изолирую­щие вставки. В процессе очистки сточных и оборотных вод от катионов тяжелых металлов, органических веществ и колло­идных частиц образуется осадок, составляющий до 3—8 % от объема обрабатываемого стока, для отделения которого в схе­му очистки после электрокоагулятора включают обычно от­стойники и фильтры разных конструкций. Однако во многих случаях осаждение образовавшегося шлама в отстойниках ока­зывается малоэффективным из-за высокой газонасыщенности его частиц. Более целесообразным в таких случаях методом удаления частиц является их флотация в электрофлотацион­ных машинах или специальных флотационных аппаратах.

Степень очистки вод от загрязняющих примесей при ис­пользовании электрокоагуляции составляет от 77 до 99 % при удельном расходе электроэнергии 0,2—3,0 Вт∙ч/м³. Ощути­мый расход электроэнергии и металла электродов ограничи­вает применение электрокоагуляции в настоящее время очи­сткой стоков объемом не более 50—80 м³/ч с целью улавлива­ния ценных компонентов, например из сливов сгустителей кон­центратов цветных и редких металлов, а также разрушения токсичных примесей в условиях острой нехватки производст­венных площадей или жестких экологических требований.

Сорбция на синтетических смолах (ионитах) и природных ионообменных материалах (сорбентах), способных к ионному обмену, используется одновременно для очистки сточных или оборотных вод и извлечения из них цветных, редких, благо­родных и радиоактивных металлов. Наиболее часто она при­меняется при очистке сливов сгустителей от комплексных цианидов цветных и благородных металлов при переработке полиметаллических и золотосодержащих руд. Лучшие резуль­таты получаются на смоле АВ-17-4, имеющей большую ем­кость по отношению к поглощаемым из раствора цианистым соединениям металлов. Регенерация ионита осуществляется последующей фильтрацией через него раствора, содержащего 18 % поваренной соли и 7 % каустической соды, — при элюи­ровании (десорбции) с его поверхности меди и цинка, или раствора, содержащего 8 % тиомочевины и 5 % соляной ки­слоты, — при элюировании золота и серебра. Выделение ме­таллов из полученных при элюировании концентрированных растворов (элюатов) производится обычно электролизом. Отра­ботанный электролит также возвращается в оборот. Среднее технологическое извлечение меди и цинка составляет 99 %, золота, серебра и цианида 85—95 %.

При использовании для очистки сливов сгустителей и сточных вод от комплексных цианидов активированного угля угольная суспензия подается питателем (1,3—1,5 кг/м³) в кон­тактный чан-мешалку. После 7—10-минутного контакти­рования с угольной суспензией слив поступает в отдельный сгуститель, где происходит осаждение угля в течение 3—4 ч. Сгущенный продукт отфильтровывается на вакуум-фильтрах и отправляется на металлургическую переработку. Такая тех­нология обеспечивает высокое извлечение золота из сточных вод (до 87 %) при насыщении угля золотом до 0,15 %.

Часто для очистки сточных вод от фенолов, мышьяка, серо­водорода и других примесей в качестве сорбентов использует­ся коксовая мелочь, торф, каолин, мел, известняк, опилки, раз­личные отходы производства (например, зола ТЭЦ и белого шла­ма алюминиевого производства для очистки вод от меди), при­родные сорбенты (например, вермикулит для очистки вод от никеля). В таких случаях сточные воды пропускают через фильтр, состоящий из сорбента. Регенерация сорбента осуществляется обработкой растворителями, паром или термообработкой.

Экстракция, основанная на извлечении из растворов ве­ществ при помощи другого растворителя (экстрагента), не сме­шивающегося с водой, применяется ограниченно при очистке сточных вод от фенолов в тех случаях, когда стоимость из­влечения веществ (например, цветных, редких, благородных или радиоактивных металлов) компенсирует осуществленные затраты.

Эвапорация представляет собой отгонку летучих веществ, загрязняющих сточную воду водяными парами или воздухом. Она находит широкое применение на коксовых установках для очистки воды от фенолов и на золотоизвлекательных фабриках для очистки вод от цианида. В последнем случае сточную воду подкисляют серной кислотой. Образующиеся при этом пары синильной кислоты отдуваются воздухом и улавливаются раствором щелочи. Установка состоит из двух колонных аппаратов — десорбера и адсорбера. Транспорти­рующим агентом служит воздух, циркулирующий в замкну­том цикле. При этом внутри системы поддерживается давле­ние ниже атмосферного, чтобы исключить возможность вы­деления вредного газа в атмосферу.

Другие физико-химические методы очистки сточных вод (кристаллизация, вымораживание, электродиализ и др.) пока не получили распространения на горно-обогатительных предприятиях.

Биохимические методы очистки основаны на способности микроорганизмов использовать органические и неорганиче­ские примеси сточных вод в качестве своих питательных эле­ментов и источников энергии, разлагая их до нетоксичных со­единений (углекислоту, газ, воду, соли кислот и др.). Очистка производится в условиях, близких к естественным (на полях орошения и фильтрации, в биологических прудах), или в спе­циальных устройствах — аэротенках различных конструкций, позволяющих значительно интенсифицировать процесс био­логической очистки стоков за счет их аэрации и создания (для лучшего контакта с водой) взвешенного слоя активного ила — биоценоза микроорганизмов.

Наиболее часто используемая кон­струкция аэротенка-осветлителя (рис. 9.17) состоит из зоны аэ­рации 3, в которой расположена система подачи сточных вод 9 и аэраторы 10, и зон осветления 6, где размещены направ­ляющие перегородки 4 с козырьками 5 и желоба 7, предназна­ченные для отвода очищенной жидкости. В стенках 1, отде­ляющих зоны б, имеются отверстия 2 с шиберами и две сим­метричные щели 11 вдоль всего сооружения для обеспечения внутри его циркуляции потоков. Вблизи этих щелей находят­ся отражательные щитки 8.

Рис. 9.17. Схема аэротенка-осветлителя сточных вод

Гидродинамическая схема аэротенка-осветлителя позволя­ет осуществить в зоне 3 смешивание сточных вод, активного ила и воздуха, окисление загрязнения во взвешенном слое и возврат из него части микроорганизмов в зону аэрации. Очи­щаемая жидкость фильтруется через взвешенный слой актив­ного ила, что обеспечивает высокую степень очистки ее от примесей.

Биохимический способ часто применяют для доочистки промышленных сточных вод после обработки их физико-химическими методами, с помощью которых не удается выде­лить токсичные вещества. Преимуществом его является спо­собность легко разрушать различные классы органических соединений. Совместная очистка производственных и быто­вых вод часто существенно облегчает и упрощает биохимиче­скую очистку промышленных стоков.

Схемы очистки сточных и кондиционирования оборот­ных вод зависят от вида обогащаемых полезных ископаемых, применяемых методов и схем обогащения и обезвоживания, токсичности применяемых реагентов, способов интенсифика­ции и автоматизации процессов, т. е. от характера сырья и принятой технологии обогащения полезных ископаемых.

Содержание дисциплины

1. Введение. Цель и задачи обогащения минерального сырья. Методы обогащения, их физические и физико-химические основы. Показатели обогащения и зависимости между ними).

2. Классификация по крупности. Закономерности свободного и стеснённого падения частиц в водной и воздушной средах. Гравитационные и центробежные классификаторы, воздушные сепараторы Способы. Характеристики крупности руды. Грохоче­ние. Типы грохотов.

3. Дробление и измельчение. Назначение. Гипотезы дробления. Стадии дробления и измельчения. Классификация и особенности конструкций дробилок и мельниц. Режимы работы мельницы. Роль циркулирующей нагрузки. Схемы дробления и измельчения.

4. Гравитационные методы обогащения. Разделение частиц в вертикальном потоке жидкости и в потоках малой толщины. Промывка. Промывочные машины.

5. Разделение минералов в тяжёлых жидкостях и суспензиях. Особенности процесса. Используемые аппараты.

6.Отсадка. Обогащение на концентрационных столах, винтовых сепараторах, в жело­бах, шлюзах. Особенности разделения частиц и используемое оборудование.

7. Флотация. Физико-химические основы. Флотореагенты. Состав и свойства основных типов собирателей, пенообразователей, активаторов, депрессоров и регуляторов среды. Основ­ные типы флотомашин и особенности их применения.

8. Радиометрическое обогащение – сепарация и сортировка. Методы. Показатели, определяющие эффективность радиометрической сепарации.

9. Магнитное обогащение. Физические основы. Магнитные свойства минералов. Се­параторы для обогащения сильно- и слабомагнитных руд.

10. Электрическое обогащение. Физические основы. Методы электрической сепарации и способы зарядки частиц. Классификация сепараторов.

11. Обезвоживание (сгущение, фильтрование, сушка).

12. Пылеулавливание.

13. Очистка сточных и кондиционирование оборотных вод