1. Um método para o tratamento de águas residuais provenientes de uma planta de beneficiamento de fluorita, compreendendo as seguintes etapas de tratamento:

(1) sedimentação por classes: sedimentação das águas residuais de acordo com o tamanho das partículas de areia e lama;

(2) eletrocoagulação: colocação de eletrodos metálicos na água a ser tratada, com a passagem de corrente contínua por eles, fazendo com que o ânodo metálico sofra reações eletroquímicas para dissolver íons metálicos, os quais, em seguida, se hidrolisam para produzir coagulação ou floculação;

(3) flotação por ar para remoção de poluentes: por meio de uma grande quantidade de bolhas de hidrogênio geradas por eletrólise, as partículas em suspensão nas águas residuais aderem às bolhas de hidrogênio e flutuam até a superfície junto com elas, sendo assim removidas;

(4) sedimentação por fluxo horizontal: permite que a matéria em suspensão que ainda não se depositou na etapa de flotação a ar passe por um processo de sedimentação em repouso;

(5) filtrar o líquido tratado; e

(6) desaguamento dos sólidos sedimentados.

2. O método para tratamento de águas residuais de uma planta de beneficiamento de fluorita, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os eletrodos metálicos utilizados na etapa (2) de eletrocoagulação são de alumínio ou ferro.

3. Método para o tratamento de águas residuais provenientes de uma planta de beneficiamento de fluorita, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a filtração na etapa (5) utiliza tubos filtrantes microporosos de PE ou PAC, e os referidos tubos filtrantes microporosos são submetidos a um tratamento de retrolavagem e regeneração.

4. O método para tratamento de águas residuais de uma planta de beneficiamento de fluorita, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a descarga do resíduo na etapa (5) é realizada por meio da rotação do sedimento depositado no fundo do tanque, reunindo-o no centro do tanque sob a ação de dentes de ancinho que seguem uma espiral de Arquimedes e descarregando-o por meio da pressão interna do tanque.

Método de tratamento de águas residuais para uma planta de beneficiamento de fluorita

(I) Área Técnica
A presente invenção refere-se a um método de tratamento de águas residuais para uma planta de beneficiamento de fluorita.

(II) Contexto técnico
O concentrado de fluorita produzido a partir do beneficiamento da fluorita tem servido como matéria-prima básica para a indústria química do flúor há mais de meio século na China. Nos últimos anos, com o contínuo avanço tecnológico e a elevação do padrão de vida da sociedade, os campos de aplicação dos produtos químicos à base de flúor tornaram-se cada vez mais amplos, o que promoveu o rápido desenvolvimento da indústria de beneficiamento de fluorita, mas também causou poluição hídrica. Nos últimos anos, sob a política nacional que enfatiza a conservação de energia e a redução de emissões, os padrões de descarga de águas residuais da indústria de beneficiamento tornaram-se mais rigorosos, elevando o limiar de acesso ao setor para as empresas de beneficiamento.

Atualmente, existem dois métodos para o tratamento de águas residuais provenientes de usinas de beneficiamento de fluorita:

1. Neutralização-precipitação com adição de ácido residual às águas residuais: Após a descarga, as águas residuais são misturadas diretamente com o ácido residual, agitadas por uma bomba de águas residuais e, em seguida, encaminhadas para uma lagoa de rejeitos para tratamento por sedimentação. Embora esse método tenha um processo simples e baixo custo, ao tratar resíduos com resíduos, ele apresenta as seguintes desvantagens:
   • O pH, após a neutralização, cai para 6,5–6, o que impossibilita a reciclagem e a reutilização.
   • O ácido adicionado corrói facilmente os equipamentos.
   • O ácido residual é um produto químico perigoso, tóxico e altamente corrosivo, que apresenta riscos durante o armazenamento e o transporte.
   • Os sedimentos na lagoa de rejeitos são difíceis de tratar.
   • Isso causa poluição secundária da água.
   • Os íons de flúor e várias substâncias nocivas não podem ser removidos; o efluente é turvo e não atende aos padrões de descarga.
   • Ocupa uma grande área e exige uma gestão complexa.
   • A velocidade do tratamento é lenta.
2. Método de coagulação-floculação utilizando coagulantes eletrolíticos inorgânicos e floculantes poliméricos: Após a descarga, a água residual é misturada com uma solução aquosa diluída de um coagulante eletrolítico inorgânico para produzir microfloculação; em seguida, é adicionada poliacrilamida. Após a coagulação, a mistura é encaminhada para a lagoa de rejeitos para tratamento por sedimentação. Embora esse método envolva equipamentos simples, pH neutro do efluente, baixa turbidez, água reciclável, lodo facilmente desaguado, baixa toxicidade dos reagentes, algum efeito na redução dos íons fluoreto e velocidade de reação rápida, ele apresenta as seguintes desvantagens:
   • O pH diminui após o tratamento, aumentando o custo da reutilização.
   • O custo do tratamento é alto.
   • A lagoa de rejeitos acarreta altos custos e elevadas despesas de gestão.
   • As concentrações de SO₄²⁻ e Cl⁻ aumentam, causando poluição secundária.

(III) Resumo da invenção
A presente invenção tem como objetivo superar as desvantagens dos métodos existentes de tratamento de águas residuais em usinas de beneficiamento de fluorita, tais como a queda do pH após o tratamento, que aumenta os custos de reutilização, os altos custos de tratamento, os altos custos com lagoas de rejeitos e a poluição secundária. Ela proporciona um método de tratamento de águas residuais de usinas de beneficiamento de fluorita que não requer dosagem de produtos químicos, apresenta baixo custo de tratamento, não produz poluição secundária, não necessita de ajuste de pH e possui ampla aplicabilidade.

O método de tratamento de águas residuais de acordo com a presente invenção compreende as seguintes etapas de tratamento:

1. Sedimentação em camadas: Realize a sedimentação das águas residuais de acordo com o tamanho das partículas de areia e lama.
2. Eletrocoagulação: Coloque eletrodos metálicos na água a ser tratada, aplique corrente contínua e faça com que o ânodo metálico dissolva íons metálicos por meio de reações eletroquímicas, que, em seguida, se hidrolisam para produzir coagulação ou floculação.
3. Flotação a ar para remoção de poluentes: Graças à grande quantidade de bolhas de hidrogênio geradas pela eletrólise, as partículas em suspensão nas águas residuais aderem às bolhas de hidrogênio e flutuam até a superfície, facilitando sua remoção.
4. Sedimentação de fluxo horizontal: Deixe que as partículas em suspensão que ainda não se depositaram na etapa de flotação a ar se depositem por sedimentação por repouso.
5. Filtragem do líquido tratado.
6. Desaguamento dos sólidos sedimentados.

Além disso, os eletrodos metálicos utilizados na eletrocoagulação da etapa 2 são de alumínio ou ferro.

Além disso, a filtração da etapa 5 utiliza tubos filtrantes microporosos de PE ou PAC, e esses tubos filtrantes microporosos são submetidos a um tratamento de retrolavagem e regeneração.

Além disso, a descarga do resíduo na etapa 5 é realizada girando-se o sedimento depositado no fundo do tanque, reunindo-o no centro do tanque sob a ação dos dentes do ancinho, que seguem uma espiral de Arquimedes, e descarregando-o por meio da pressão interna do tanque.

Vantagens da presente invenção:

1. As espécies coloidais produzidas são mais ativas do que as provenientes de agentes químicos, e não há risco de poluição secundária por SO₄²⁻ ou Cl⁻.
2. O sistema combina flotação a ar e oxidação, não apenas melhorando a remoção de substâncias orgânicas e inorgânicas, mas também removendo íons de ferro, silício e metais pesados da água.
3. De acordo com a lei de Faraday, a quantidade de Fe(OH)₂ gerada é proporcional à corrente. Basta controlar a corrente para se adaptar às variações na qualidade da água e no vazão, o que torna a operação prática.
4. Não é necessário ajustar o pH da água.
5. Isso evita a poluição secundária causada pela dosagem de produtos químicos; o volume do lodo é pequeno e fácil de tratar.
6. A água tratada apresenta baixo teor de sólidos solúveis, o que contribui para reduzir o custo da reutilização.
7. Estrutura compacta, tamanho reduzido, economia no investimento inicial.
8. Ampla aplicabilidade, capaz de remover simultaneamente diversos poluentes e tratar águas residuais de diversos setores, tais como águas residuais da indústria de impressão e tingimento, águas residuais da galvanoplastia, águas residuais petroquímicas, águas residuais de instalações de banho, águas residuais da indústria de alimentação, etc.

(IV) Breve descrição dos desenhos
A Figura 1 é um fluxograma do processo da presente invenção.

(V) Descrição detalhada das formas de realização

1. Sedimentação em camadas: Realizar a sedimentação das águas residuais de acordo com o tamanho das partículas de areia e lama. Os equipamentos utilizados são um classificador e um tanque de sedimentação de fluxo radial.
   ① Princípio de funcionamento do classificador: A água residual entra no classificador pelo lado, passa por um processo de retificação e dissipação de energia e, em seguida, entra na zona de sedimentação. A areia grossa se deposita por gravidade no fundo e é transportada para cima por um eixo helicoidal rotativo (5 rotações por minuto) em uma inclinação de 15°, enquanto é desaguada; as águas residuais são descarregadas pela abertura de transbordamento.
   ② Tanque de sedimentação de fluxo radial: As águas residuais entram pelo centro do tanque. Como o diâmetro é muito maior do que a profundidade, a água flui radialmente em direção à periferia. Após a sedimentação, as águas residuais são descarregadas pela calha coletora periférica. O lodo é empurrado lentamente por um raspador para a tremonha de lodo no centro do tanque e, em seguida, descarregado por pressão hidrostática.
2. Eletrocoagulação: Eletrodos metálicos de alumínio ou ferro são colocados na água a ser tratada. A corrente contínua é aplicada, e o ânodo metálico sofre reações eletroquímicas para dissolver íons Al³⁺ ou Fe³⁺, que se hidrolisam para causar coagulação ou floculação. Tomando o ferro como ânodo, as reações são as seguintes: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ Como as águas residuais do beneficiamento da fluorita são alcalinas, a reação é: Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂ Ao mesmo tempo, a reação no ânodo inclui a eletrólise de H₂O para liberar O₂: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ No cátodo, a reação principal é a eletrólise da H₂O para liberar H₂: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻ Os íons metálicos e seus polímeros hidrolíticos podem exercer efeitos como a compressão da camada elétrica dupla, a neutralização por adsorção e a floculação por varredura. As minúsculas bolhas liberadas da superfície do eletrodo aceleram a colisão das partículas. Quando a densidade é baixa, elas flutuam para serem separadas; quando a densidade é alta, elas afundam para serem separadas. Isso ajuda a remover rapidamente os compostos coloidais dissolvidos e em suspensão nas águas residuais. O efeito de eletrooxidação direta na superfície do ânodo possui forte capacidade oxidante em relação à matéria orgânica dissolvida e às substâncias inorgânicas redutoras presentes na água, enquanto o hidrogênio nascente liberado pelo ânodo exerce um efeito redutor relativamente forte.Com o campo elétrico induzindo a polarização das partículas e por meio do projeto do canal de fluxo, as partículas coagulam-se automaticamente em flocos. Sem ar externo, as bolhas geradas pela eletrólise combinam-se totalmente com os flocos e flutuam automaticamente para remoção.
3. Flotação a ar para remoção de poluentes: Graças à grande quantidade de bolhas de hidrogênio geradas pela eletrólise, as partículas em suspensão nas águas residuais aderem às bolhas de hidrogênio e flutuam até a superfície, facilitando sua remoção. Essa etapa é realizada em um tanque de flotação a ar.
4. Sedimentação de fluxo horizontal: Permitir que as partículas em suspensão que não se depositaram na etapa de flotação a ar se depositem por decantação estática. Trata-se de um equipamento instalado a jusante do tanque de flotação a ar, cuja principal finalidade é proporcionar tempo suficiente para que as partículas em suspensão que ainda não se depositaram no tanque de flotação a ar se depositem.
5. Filtragem do líquido tratado. São utilizados tubos filtrantes microporosos de PE ou PAC, e esses tubos são submetidos a tratamentos de retrolavagem e regeneração.O método de descarga de resíduos é o seguinte: o sedimento depositado no fundo do tanque é agitado, reunido no centro do tanque sob a ação dos dentes do rastelo, seguindo uma espiral de Arquimedes, e descarregado pela pressão interna do tanque. O equipamento utilizado é um tanque filtrante tubular sob pressão:
   O tanque de filtragem é composto por um corpo de tanque, tubos de filtragem, um sistema de regeneração por retrolavagem, um mecanismo de descarga de resíduos e um mecanismo de descarga de água.
   1. O corpo do tanque é fabricado em chapa de aço Q235 de alta qualidade, com diâmetro proporcional à capacidade de tratamento.
   2. Os tubos filtrantes são tubos microporosos de PE ou PAC, cuja tecnologia nacional já está relativamente consolidada. Eles são capazes de reter partículas sólidas maiores que 3 µm. Quando se forma um bolo de filtração na superfície dos tubos, as partículas sólidas maiores que 0,4 µm não conseguem passar, tornando a água límpida. O tubo PAC é um composto de carvão ativado e material de PE, que também pode adsorver metais pesados durante a filtração. Os tubos de PE e PAC são corpos porosos rígidos com deformação mínima sob tensão ou pressão em temperaturas abaixo de 70 °C. Seus capilares são finos, curvos e labirínticos. Uma camada filtrante se forma em sua superfície e é facilmente removida por retrolavagem com ar comprimido, permitindo que sejam reutilizados com a mesma eficácia. (Se o líquido estiver em alta temperatura, podem-se utilizar tubos de carboneto de silício, com resultados semelhantes.)
   3. Regeneração por retrolavagem: Quando a camada de filtro na superfície do tubo fica muito espessa e a taxa de filtragem se torna muito baixa, o ar comprimido (0,05–0,06 MPa) é injetado a partir da parte inferior dos tubos por meio de uma válvula solenóide, empurrando a água dentro dos tubos para cima e para fora pela válvula de descarga de água, de modo que a água seja descarregada enquanto o ar atua sobre os tubos para limpá-los (o tempo de retrolavagem depende da concentração de sólidos). Como um determinado número de tubos filtrantes (o número depende do volume de descarga da estação) está disposto no tanque, a retrolavagem é realizada de maneira pulsada, ininterrupta e alternada, de modo que o equipamento não precisa ser desligado.
   4. Sistema de descarga de resíduos: Um coletor de material está localizado no centro do fundo do tanque. O sedimento depositado no fundo é girado a uma velocidade de 1,75 rotações por minuto e, sob a ação dos dentes do rastelo que seguem uma espiral de Arquimedes, é reunido no centro do tanque e descarregado pela pressão interna do tanque.
   5. Sistema de descarga de água: Toda a água filtrada é coletada por meio de tubulações e descarregada de maneira uniforme.
6. Desaguamento dos sólidos sedimentados. O princípio de funcionamento da máquina de desaguamento por vibração de alta frequência consiste no seguinte: sob vibração de alta frequência, os sólidos sedimentáveis passam a ficar fluidizados e são compactados, acelerando a liberação da água intersticial e, assim, alcançando o desaguamento.

Tratamento e destinação de cada material descartado:

1. A areia grossa descarregada do classificador, após o empilhamento e a desaguagem adicional, pode ser utilizada na fabricação de tijolos não cozidos, areia para construção e como aditivo na indústria de cimento. Atualmente, há escassez desse produto no mercado, com um preço de referência de 20 yuan/m³ (observação: o texto original indica 20 元/m², provavelmente um erro de digitação; corrigido para m³ com base no contexto).
2. A lama e a areia fina, após a desaguagem realizada pela máquina de desaguamento vibratória de alta frequência, formam um bolo de filtração que pode ser utilizado na fabricação de tijolos de argila. Após a secagem, ele pode ser utilizado na indústria de cimento. O preço atual é de 110 yuans/tonelada (base seca).
3. A água limpa descarregada contém carbonato de sódio (carbonato de sódio) a uma concentração de aproximadamente 1 kg por tonelada de água. O preço atual do carbonato de sódio é de cerca de 2.000 yuans/tonelada, o que corresponde a um benefício econômico recuperável de cerca de 2 yuans por tonelada de água.