铜冶炼含砷废水解毒：铁氧体吸附与结晶回收协同技术体系

一、行业背景与废水毒性特征

全球铜冶炼行业年排放含砷废水超10亿吨，我国贡献占比超40%。该类废水呈现独特毒性特征：

​高砷浓度​：As 50 - 500mg/L（以As(III)和As(V)形式存在）

​复杂价态​：含As(III)（剧毒，占总量30 - 70%）、As(V)（相对稳定）

​多金属共存​：含Cu²⁺（100 - 500mg/L）、Pb²⁺（50 - 200mg/L）、Zn²⁺（30 - 150mg/L）

​强酸性​：pH 1 - 3（硫酸浸出工艺导致）

​络合态砷​：与Cu²⁺、Fe³⁺形成可溶性络合物（占比20 - 50%）

传统处理技术瓶颈：

砷去除率低（化学沉淀法<80%）

砷渣稳定性差（二次溶出风险高）

重金属共沉淀损失（Cu、Zn回收率<50%）

处理成本高（每吨废水处理成本2 - 3元）

二、铁氧体吸附与结晶回收协同技术

（一）铁氧体吸附解毒技术

构建"Fe²⁺/Fe³⁺配比调控 - 表面修饰 - 吸附 - 沉淀"工艺链：

​铁盐配比优化​：

Fe²⁺:Fe³⁺摩尔比1:2（促进γ - Fe₂O₃相生成）

pH 8 - 9（控制铁氧体晶型）

吸附容量≥50mg As/g Fe（As(III)和As(V)总吸附量）

​表面修饰增强​：

纳米SiO₂包覆（比表面积提升至200 - 300m²/g）

羧基功能化（As(III)吸附选择性提高3倍）

​吸附 - 沉淀协同​：

吸附后pH调节至10 - 11（促进铁氧体沉淀）

残留砷<0.1mg/L（符合GB 8978 - 1996一级标准）

在江西铜业某冶炼厂应用：

砷去除率从传统工艺的70%提升至98%

铁盐用量减少40%（年省100万元）

吸附剂再生率≥80%（降低处理成本）

（二）砷结晶回收技术

开发"分步结晶 - 纯化 - 干燥"集成工艺：

​分步结晶​：

控制结晶温度（10 - 30℃）与pH（2 - 4）

优先析出As₂O₃（纯度≥99%）

收率≥85%

​纯化处理​：

活性炭吸附（脱色率≥99%）

重结晶（纯度提升至99.5%）

​产品制备​：

喷雾干燥（进风温度150 - 180℃，出风温度80 - 90℃）

砷酸铁（FeAsO₄）产品符合GB/T 19001质量标准

在云南铜业某基地：

砷回收率≥80%（传统工艺<30%）

砷产品年产量100吨（价值500万元）

减少固废产生量60%（年减量200吨）

（三）重金属协同回收

建立"铁氧体晶格固定 - 浮选分离 - 电解精炼"多级回收体系：

​铁氧体固定​：

Cu²⁺、Zn²⁺嵌入铁氧体晶格（固定率≥90%）

减少重金属浸出风险（EL50值>100mg/L）

​浮选分离​：

黄药类捕收剂选择性浮选铜（回收率≥95%）

锌矿物抑制（回收率损失<5%）

​电解精炼​：

铜电解回收率≥99%

产出阴极铜符合GB/T 467 - 2010标准

在安徽铜陵某冶炼厂：

铜回收率从80%提升至95%

锌回收率从60%提升至85%

综合金属回收价值增加300万元/年

三、系统集成与智能控制

（一）数字化解毒 - 回收管理系统

开发"实时监测 - 动态优化 - 智能决策"平台：

​过程监控​：

在线传感器（As、Cu、pH、温度、流量）

高频数据采集（每秒1次）

​智能调控​：

机器学习模型优化铁盐投加（准确率≥90%）

动态调节pH与温度（响应时间<1s）

​决策支持​：

数字孪生模拟不同工况

区块链技术记录砷流向（满足溯源要求）

在铜陵有色金属集团：

砷去除率稳定性提升至±1%（传统工艺±5%）

人工干预减少80%

综合处理成本降低25%（年省200万元）

（二）能量与资源梯级利用

构建"热能回收 - 水循环 - 余热利用"网络：

结晶过程热能回收（用于预热进水）

吸附剂再生热能利用（减少能耗30%）

废水回用（满足50%生产用水需求）

经测算：

系统综合能效比≥0.75

年减少碳排放1.2万吨

资源回收价值500元/吨废水

四、典型工程案例解析

​江西铜业贵溪冶炼厂（日处理3000m³）​​：

​工艺配置​：

铁氧体吸附系统（1500m³/h）

砷结晶装置（500m³/h）

智能控制平台（全覆盖）

​运行指标​：

项目 传统工艺 本系统

As去除率(%) 80 98

Cu回收率(%) 80 95

处理成本(元/m³) 2.5 1.5

​经济效益​：

年减排砷180吨

砷产品收入1500万元

综合效益4000万元/年

五、技术发展趋势与挑战

当前研究重点：

✅ 新型铁氧体材料开发（如掺杂稀土元素）

✅ 砷渣稳定化与安全处置技术

✅ 数字孪生与AI实时优化控制

面临挑战：

高浓度多金属复杂废水处理

铁氧体吸附剂长期稳定性

系统全生命周期成本优化

六、实施路径与政策支持

企业分阶段部署策略：

​基础改造期​（0 - 1.5年）：

安装铁氧体吸附与结晶系统

建立在线监测网络

​优化升级期​（1.5 - 3年）：

集成智能控制与资源回收

开发工艺优化模型

​智慧运营期​（3年后）：

实现解毒 - 回收全流程自动化

达成环境友好生产目标

政策支持方向：

将砷回收率纳入铜冶炼企业环保考核

提供铁氧体材料研发专项补贴

建立含砷废水处理技术标准

铜冶炼含砷废水处理正从"达标排放"向"资源循环 - 毒性削减"转型，该协同技术体系为行业绿色可持续发展提供了创新路径。