CN106007166A - 用于去除酸性矿山废水中重金属的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于去除酸性矿山废水中重金属的装置，其中，所述装置总长60m，宽6m，总占地360m²，包括沉淀池、滤池和反冲洗装置，所述沉淀池和所述滤池均为钢筋混凝土箱型结构，采用浆砌块石基座；所述沉淀池内径长4m，宽4m，深2.2m，所述沉淀池用于将处理前废水中大量的悬浮物和泥沙进行初步沉淀，共二级，进入一级沉淀池的河水经沉淀后，利用两个池子的高差自动流入二级沉淀池，再次沉淀后通过自吸泵，将水抽至一级滤池中，直至沉淀充分；所述滤池共有七级，日处理水量为1000m³。

Description

用于去除酸性矿山废水中重金属的装置

技术领域

本发明涉及一种用于去除酸性矿山废水中重金属的装置，经该装置处理后的酸性矿山废水重金属离子能够达到“我国综合污水排放标准”。

背景技术

矿山废水中污染范围最广、危害程度最大的是矿山排放的酸性废水。废水中的重金属主要有汞、铬、镉、铅、锌、镍、铜、钴、锰、钛、钒和铋等，其具有以下特点：(1)不能被微生物降解；(2)它们以离子态存在时最严重，易富集在排污口下游一定范围内的底泥中；(3)能被生物富集于体内，既危害生物，又通过食物链危害人体；(4)重金属进入人体后，能够和生理高分子物质发生作用而使这些生理高分子物质失去活性，也能在人体的某些器官积累，造成慢性中毒。因此，对矿山酸性废水的治理已迫在眉睫。

但由于历史和现实的多方面原因，矿山环保还滞后于生产发展，存在的主要问题是外部干扰大、治污效果欠佳、环保设施利用率较低等。若采用一般工业废水的治理方法，往往投资大，成本高，实用性差，难以回收有价金属，致使水资源不能得到充分利用。因此，根据酸性矿山废水的污染特点，急需寻求既经济又实用的治理方法。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种对酸性矿山废水重金属离子具有高效去除效果的工艺流程，该工艺流程具有“廉价、高效、管理简单、无二次污染”的特点，包括以下工艺流程：

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：

一种用于去除酸性矿山废水中重金属的装置，其中，所述装置总长60m，宽6m，总占地360m²，包括沉淀池、滤池和反冲洗装置，所述沉淀池和所述滤池均为钢筋混凝土箱型结构，采用浆砌块石基座；

所述沉淀池内径长4m，宽4m，深2.2m，所述沉淀池用于将处理前废水中大量的悬浮物和泥沙进行初步沉淀，共二级，进入一级沉淀池的河水经沉淀后，利用两个池子的高差自动流入二级沉淀池，再次沉淀后通过自吸泵，将水抽至一级滤池中，直至沉淀充分；

所述滤池共有七级，第一～三级的内径尺寸为：4.0m×4.0m×1.2m，第四～六级的内径尺寸为：4.0m×6.0m×1.6m，第七级滤池的内径尺寸为：5.0m×6.0m×1.0m；第一级滤池主要填粒径4-8mm石英砂，装填体积16m³；第二级滤池为粒径1-2mm石英砂，装填体积16m³；第三级滤池为粒径60-80目石英砂，装填体积16m³；第四级滤池为1-3mm陶粒，装填体积33.6m³；第五级滤池为20-40目凹凸棒土，装填体积33.6m³；第六级滤池为硫酸盐还原菌微生物滤池，第七级滤池为蓄水池，前三级滤池用于去除废水中的悬浮物，确保经***处理后的水质清澈，浊度在1.0NFU以下，同时避免对后续处理***堵塞，第四级～第六级滤池用于去除废水中的重金属，确保出水水质重金属达标；

每两个滤池之间有一水位调节池，尺寸为：0.6m×4m×1.6m，水流通过滤料后，在池子下方进入水位调节池，达到一定高度后，利用自由落体原理，进入下一级滤池，单级落差0.5m，各池底有等距、高10cm水槽，可托起滤网，以便出水流畅；

该用于去除酸性矿山废水中重金属的装置日处理水量为1000m³。

进一步地，若经第四级和第五级滤池处理后出水仍未达标，则利用第六级滤池进行硫酸盐还原菌微生物进行处理。

进一步地，整个***安装了反冲洗装置，若前三级滤池出水浊度达不到要求，并不需要更换滤池中的石英砂，只需通过反冲洗装置从七级滤池中取水对前三个滤池中的石英砂进行冲洗，便可达到预期目的，大约1个月反冲洗1次。

进一步地，整个工艺流程只是从二级沉淀池到一级滤池这个过程需要通过外加水泵将需要处理的水提升至3.5m，而其他过程不需要外加动力，相邻两个滤池高度差为0.5m，通过落差实现上一级滤池水体自由流入下一级滤池进行处理。

附图说明

图1为酸性矿山废水重金属污染治理的工艺流程示意图；

图2a和图2b是酸性矿山废水重金属污染治理的装置图；

图3a、图3b和图3c是酸性矿山废水经示范工程处理前后进出水中Mn、pH值和浊度对比图；

图4为反冲洗装置图；

图5为经示范工程处理后河水养鱼情况；

图6为未经处理的大坞河河水浇灌四种蔬菜生长情况；

图7为经处理的大坞河河水浇灌四种蔬菜生长情况。

具体实施方式

为进一步说明本发明，结合以下实施例具体说明：

1、二级沉淀池

沉淀池主要是为了将河水中大量的悬浮物和泥沙进行初步沉淀。

沉淀池内径长4m，宽4m，深2.2m，共二级，进入一级沉淀池的河水经沉淀后，利用两个池子的高差自动流入二级沉淀池。再次沉淀后通过自吸泵，将水抽至一级滤池中。

2、七级滤池

一～三级设计内径尺寸为：4.0m×4.0m×1.2m，四～六级设计内径尺寸为：4.0m×6.0m×1.6m，七级池设计内径尺寸为：5.0m×6.0m×1.0m。每两个滤池之间有一水位调节池，尺寸为：0.6m×4m×1.6m，水流通过滤料后，在池子下方进入水位调节池，达到一定高度后，利用自由落体原理，进入下一级滤池，单级落差0.5m。各池底有等距、高10cm水槽，可托起滤网，以便出水流畅。

3、反冲洗装置

一级至三级滤池设计有反冲洗***，如果石英砂过脏影响了过滤效果，可以启动反冲洗***对其进行冲洗，反冲洗的水用七级滤池出水即可。

4、水的流速

河水从沉淀池泵入一级滤池后，用各级滤池和处理池出水口的调节阀门调节各池水的流速，应尽量调节池中水处于淹水状态，而水又不会从池中溢出为最佳。

5、滤池填料

一级滤池装填直径为4～8mm的石英砂，装填体积16m³；二级滤池装填直径为1～2mm的石英砂，装填体积16m³；三级滤池装填直径为60～80目的石英砂，装填体积16m³。四级滤池装填直径为1～3mm，经改性后的凹凸棒土颗粒，装填体积33.6m³；五级滤池装填直径为10～30目，经改性后的凹凸棒土，装填体积33.6m³；六级滤池作为微生物滤池，含有大量经过筛选驯化的硫酸盐还原菌活性污泥，七级滤池为蓄水池，不需要添加其他填料。

沉淀池和七级滤池均为钢筋混凝土箱型结构，采用浆砌块石基座。

通过自吸泵抽至一级滤池的河水，通过池间落差，进入下一级池中。前三级滤池主要目的是为了进一步去除水中悬浮物、有机质和其他细颗粒的生活污染物。第四级至五级填料为改性后的矿物材料，用于改善水体的pH和去除水中重金属离子。第六级滤池用作微生物滤池，在厌氧条件下，利用硫酸盐还原菌将SO₄ ^2-还原成S^2-或S，生成的S^2-进一步与重金属离子结合，生成金属硫化物沉淀，而单质硫可进一步回收。

本发明第四级滤池和第五级滤池中滤料为经过改性的凹凸棒土，凹凸棒土存在大量的-OH官能团，将凹凸棒土置于含重金属离子的溶液中时，-OH会和金属离子发生络合作用(这些-OH可与溶液中的重金属离子形成配位键，从而使重金属离子吸附于凹凸棒土的表面而沉淀)。另外，在凹凸棒土的矿物层间存在大量的可交换无机阳离子，如Na⁺、K⁺、Mg²⁺等，在吸附锰实验中，层面上，凹凸棒土内部Al³⁺、Si⁴⁺易被溶液中低电荷重金属离子取代，重金属离子也会取代凹凸棒土矿物层间的阳离子，即发生离子交换，离子交换作用同样会导致重金属离子的去除；除络合作用和离子交换作用外，静电作用也在凹凸棒土吸附重金属离子的过程中发挥重要作用。凹凸棒土是一种含水的层链状镁质硅酸盐矿物。其基本结构单元为2:1层型，由于四面体中的Si⁴⁺被Al³⁺替代置换，从而在凹凸棒土上出现剩 余负电荷。当带正电荷的重金属离子与带负电荷的凹凸棒土接触时，强烈的静电吸附作用也会导致重金属离子的吸附。难以解吸，不会造成再次污染。

本发明具有原料廉价易得、制备方法简单、易控制、得到的滤料对重金属吸附容量高、稳定性好、再生易、寿命长、出水流畅阻力小特点，对多种重金属同时具有很好去除效果，去除率高达90％以上，克服了现有处理锰(Mn)吸附方法存在的吸附剂吸附容量小、吸附速率和效率低的缺点，本发明得到的新型滤料易于大规模工业生产和推广应用，具有广阔的应用前景和实用价值。该滤料不含对人体有害的物质，生产过程无污染，可进行再生处理，循环使用，滤料失效后可作为建筑材料综合利用。并且经过该滤料处理后的河水pH由酸性升至近中性，完全满足我国综合污水排放一级标准，处理后的河水适用于农田灌溉，具有广阔的应用前景和实用价值。

6、处理成本估算

本示范工程建成后，运行维护费用低，各过滤池中的反应材料，前3级反应池石英砂可以通过反冲洗，多次重复应用，而后3级反应池中的粘土矿物材料，7.65万元，示范工程日处理水量1000吨/天，如果按照运行半年更换一次来计算，处理水量为180000吨，电费及工人劳务费，约合每吨水处理成本为0.55元，见表1。

表1.示范工程运行成本估算单位：万元

实施例1：

使用在示范工程调试实验中，以河水作为进水，日处理水量为1000m³/天，经示范工程处理装置后，测定处理前后水质的变化情况，图2a和图2b为示范工程照片，从2013年4月1日进行示范工程调试运行阶段，截至到2013年12月10日，共运行8个月，每天对进水和出水进行取样监测，测试的项目主要有重金属Mn、pH值和浊度，图3a、3b和3c分别为示范工程运行期间进出水中Mn、pH值和浊度监测结果。由于大坞河河水Mn严重超标，所以示范工程运行期间主要对进出水中重金属Mn进行了监测，从图3a结果来看，进水Mn浓度范围为2.1—19.69mg/L，均超过了我国矿山废水排放标准(2mg/L)，最高浓度19.69mg/L为废水排放标准的9.8倍。8个月进水Mn浓度平均值为6.45mg/L，为废水排放标准的3.3倍，而经过示范工程处理后，运行期间出水Mn浓度平均值为0.45mg/L。4月1日至7月14日期间，出水中Mn浓度都未检出。从7月15日至8月5日(7月26日除外)，出水中Mn浓度低于1mg/L，7月26日进水中Mn浓度为15.32mg/L，而出水中Mn浓度为2.65mg/L，虽然超过了废水排放标准，Mn去除率达到83％。从8月6日至12月10日，出水中Mn浓度有所升高，一般都大于1mg/L，但是绝大部分都在2mg/L以下，仍能满足废水排放标准。

图3b表明进水中pH值波动比较大，表现为酸性或弱酸性，pH值范围为4.89-7.48，而经过示范工程处理后的出水中pH都在6.4-7.1之间，并保持非常稳定。

从图3c可以看出进水中浊度波动非常大，最大值为4月10日浊度值为119FNU，而大部分进水浊度范围为10-50FNU，经处理后出水中浊度都低于2FNU，表明前三级滤池对悬浮物具有很好的去除效果，有效地防止第四级和第五级的堵塞，运行8个月来，第四级和五级都没有发现堵塞现象，***的渗透性一直保持良好。第五级滤池在刚开始渗透性也比较好，但在运行3个月后，***渗透性略有降低，在表层有0.2cm厚的结块，建议每个月将***表层20cm厚材料翻动一次，这样能有效改善材料的渗透性。

总之，从示范工程运行近8个月监测数据结果表明，该***运行正常，可以对大坞河酸性矿山废水中重金属Mn具有很好的处理效果，进出水中Mn浓度平均值分别为6.45mg/L和0.46mg/L，去除率高达93％。另外，本处理***不仅对水中重金属离子去除率高达90％以上，而且河水pH由酸性升至近中性，浑浊度由>50FNU降至<1.0FNU(市售纯净水浊度为0.5FNU)，完全满足我国综合污水排放一级标准，经处理后的水质能够满足《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)，这也进一步表明该新型材料对酸性矿山废水中重金属具有很好的处理效果，且能使得酸性废水的pH值由酸性升至近中性，不必采用其他试剂专门调节水体的pH值，具有一举两得的功效，这在实际工程应用中具有很好的实用价值，节约了处理成本。具有“廉价、高效、管理简单、无二次污染”的特点。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

实施例2：

自上世纪70年代中期因大坞河水污染，河中不再有鱼。为了检测经示范工程处理水质情况，2013年4月1日从德兴市购买了10条锦鲤(黄色3条，红色5条，花纹2条)和8条小鲫鱼，鱼身长约6-8cm，将9条锦鲤和8条小鲫鱼鱼苗放置在第七级蓄水池中(第七级蓄水池水来自于经示范工程处理后的大坞河河水)，水深约1m，每天喂一次从市场上购买的鱼饵。对照实验，将1条红色的锦鲤放在装有未经处理大坞河河水的鱼缸中进行喂养，结果发现该条红色锦鲤在8小时后死亡，而蓄水池中的鱼生长正常，没有发现死亡现象。在2013年5月10日发现蓄水池中有很多小鱼，大约130条，这是4月1日放养的锦鲤和鲫鱼产下大量鱼卵，然后孵化出的鱼仔。截止到7月25日，即115天，蓄水池中的锦鲤鱼身长由6-8cm增至25cm，重量由0.05kg增至0.3kg，尤其是黄色的锦鲤外形变化明显，见图5。通过鱼生长及繁殖情况，进一步表明了大坞河河水是不适合鱼生存，而经过处理后的大坞河河水水质不但适宜鱼生存且能够正常繁殖。若在污染源头采用该***进行酸性矿山废水重金属治理，将使得大坞河流域生态***恢复成为可能。

实施例3：

为了考察经过示范工程处理后大坞河河水是否适用于当地居民浇灌菜地？本研究进行了大田实验，实验选择在大坞河金家段，酸性矿山废水示范工程旁岸边，土壤取自相邻几公里的婺源县(未受污染的土壤)，菜地面积约为12m2，分成2块菜地，编号为WYT-1和WYT-2。每块菜地分成4小块，每小块面积大小为2m×1.5m，于2013年4月1日种上4种不同菜籽(小白菜、生菜、空心菜和苋菜)后，分别用大坞河河水和经过示范工程处理后大坞河河水浇菜地，生长情况见图6和图7，图6为未经处理的大坞河河水浇灌的四种蔬菜的生长照片，而图7为经过示范工程处理过的大坞河河水浇灌的四种蔬菜生长照片，从四种蔬菜生长情况来看，两种水浇灌的空心菜和生菜都生长较好，没有明显区别，但是大坞河河水 浇灌的白菜和苋菜中间有很多地方没有长出苗，而且白菜很多发现烂根的现象，导致白菜菜叶发黄，最后枯死，而经过处理后的大坞河河水浇灌的白菜和苋菜没有出现类似现象，长势较好，这也表明不同种类蔬菜生长情况对水质的敏感程度不同。当然，本发明的原理不会改变，结构细节和实施方式可以与非限制实例方式所述和图解的有很大不同。

Claims (4)

1.一种用于去除酸性矿山废水中重金属的装置，其特征在于，所述装置总长60m，宽6m，总占地360m²，包括沉淀池、滤池和反冲洗装置，所述沉淀池和所述滤池均为钢筋混凝土箱型结构，采用浆砌块石基座；

所述沉淀池内径长4m，宽4m，深2.2m，所述沉淀池用于将处理前废水中大量的悬浮物和泥沙进行初步沉淀，共二级，进入一级沉淀池的河水经沉淀后，利用两个池子的高差自动流入二级沉淀池，再次沉淀后通过自吸泵，将水抽至一级滤池中，直至沉淀充分；

所述滤池共有七级，第一～三级的内径尺寸为：4.0m×4.0m×1.2m，第四～六级的内径尺寸为：4.0m×6.0m×1.6m，第七级滤池的内径尺寸为：5.0m×6.0m×1.0m；第一级滤池主要填粒径4-8mm石英砂，装填体积16m3；第二级滤池为粒径1-2mm石英砂，装填体积16m³；第三级滤池为粒径60-80目石英砂，装填体积16m³；第四级滤池为1-3mm陶粒，装填体积33.6m³；第五级滤池为20-40目凹凸棒土，装填体积33.6m³，所述凹凸棒土存在大量的-OH官能团，将凹凸棒土置于含重金属离子的溶液中时，-OH会和金属离子发生络合作用，所述-OH可与溶液中的重金属离子形成配位键，从而使重金属离子吸附于凹凸棒土的表面而沉淀；第六级滤池为硫酸盐还原菌微生物滤池，在厌氧条件下，利用硫酸盐还原菌将SO₄ ^2-还原成S^2-或S，生成的S^2-进一步与重金属离子结合，生成金属硫化物沉淀，而单质硫可进一步回收；第七级滤池为蓄水池，前三级滤池用于去除废水中的悬浮物，确保经***处理后的水质清澈，浊度在1.0NFU以下，同时避免对后续处理***堵塞，第四级～第六级滤池用于去除废水中的重金属，确保出水水质重金属达标；

每两个滤池之间有一水位调节池，尺寸为：0.6m×4m×1.6m，水流通过滤料后，在池子下方进入水位调节池，达到一定高度后，利用自由落体原理，进入下一级滤池，单级落差0.5m，各池底有等距、高10cm水槽，可托起滤网，以便出水流畅；

所述用于去除酸性矿山废水中重金属的装置日处理水量为1000m³。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：若经第四级和第五级滤池处理后出水仍未达标，则利用第六级滤池进行硫酸盐还原菌微生物进行处理。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：整个***安装了反冲洗装置，若前三级滤池出水浊度达不到要求，并不需要更换滤池中的石英砂，只需通过反冲洗装置从七级滤池中取水对前三个滤池中的石英砂进行冲洗，便可达到预期目的，大约1个月反冲洗1次。

4.根据权利要求1或2或3所述的装置，其特征在于：整个工艺流程只是从二级沉淀池到一级滤池这个过程需要通过外加水泵将需要处理的水提升至3.5m，而其他过程不需要外加动力，相邻两个滤池高度差为0.5m，通过落差实现上一级滤池水体自由流入下一级滤池进行处理。