CN110734145A - 一种集矿山废水处理和植残处理为一体的生态湿地***及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种集矿山废水处理和植残处理为一体的生态湿地***及其使用方法，属于污水处理技术领域。本发明由重金属沉淀***、植残处理***和人工湿地净化***三部分组成。本发明中的人工湿地装置填充了生物炭层和砾石层，能中和水质，提高废水pH值，有利于硫酸盐还原菌的生长和富集；植物发酵液可为硫酸盐还原反应提供廉价稳定的碳源；回流水中的溶解性硫离子可与重金属形成稳定沉淀，减少了重金属对微生物的毒害作用，避免重金属累积在湿地中造成堵塞，且沉淀形成的污泥还可进行回收利用，从而可达到酸性矿山废水高效净化和资源化利用的双重目的。

Description

一种集矿山废水处理和植残处理为一体的生态湿地***及其 使用方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种利用添加植物发酵液的人工湿地处理酸性矿山废水的方法。

背景技术

酸性矿山废水（AMD）是指在采矿作业、公路建设或其他大型挖掘过程中硫化矿暴露于氧化条件下形成的特殊酸性废水。其中矿石开采与冶炼是此类废水的主要来源。如采矿、矿物加工和冶金过程中会产生大量的含硫废弃物，被弃置在尾矿坝或蓄水库中，经过空气和水中的暴露，并伴随着微生物活性，这些废弃物会形成硫酸盐、重金属和酸的混合体进入水体、土壤等环境体中。重金属易被生物体富集，通过生物累积和放大作用后随食物链/网进入人体，最终危害生态***和人类健康，因此对酸性矿山废水进行有效处理十分重要。

利用人工湿地技术处理酸性矿山废水是一种经济、生态友好、便捷的方法，其主要利用植物提取、基质吸附和微生物还原三者间的协同作用，达到净化酸性矿山废水的目的，尤其是硫酸盐还原菌（SRB）可利用有机碳源为电子受体，将硫酸盐还原为硫化物，与矿山废水中的重金属反应，形成稳定的硫化物沉淀，达到提高出水pH、有效降低重金属和硫酸盐浓度的效果。尽管如此，酸性矿山废水中几乎不存在可用有机碳源，因此需要供给外源有机物。而低分子碳源的成本过高，无法规模化应用；直接以植物质碳源作为湿地基质或将植物质碳源投放至湿地中则存在碳源释放不稳定、需对碳源进行定期更换进而影响湿地的正常运行等问题。此外，酸性矿山废水较强的酸性和较高的重金属含量会严重影响湿地中微生物的活性和数量，导致生化反应受阻；重金属不断累积在湿地中不仅造成湿地***的污染和堵塞问题，还无法实现对重金属资源的回收。故基于人工湿地***开发一种可持续运行且稳定高效地处理酸性矿山废水并回收重金属资源的低成本生态型技术是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的主要目的在于针对以上问题，提供一种利用添加植物发酵液的人工湿地处理酸性矿山废水的方法。该方法及其装置能够为人工湿地内部硫酸盐还原菌的还原反应提供廉价、稳定的碳源，改善湿地微生物生存环境，将重金属沉淀过程与硫酸盐还原反应分离，可明显提高***对酸性矿山废水中硫酸根及重金属的去除效率，延长湿地使用寿命，增强***运行的可持续性，且能进一步实现回收废水中重金属的可能性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种集工业矿山废水处理和植残处理为一体的生态湿地***，其特征在于，该***由重金属沉淀***、植残处理***和人工湿地净化***三部分组成；

所述的重金属沉淀***包括废水进水管、沉淀池、湿地植物A或湿地植物B；所述的沉淀池设置为一顶部开口的筒体，所述的沉淀池为半地下式、圆形结构；在沉淀池顶部设置有顶盖，废水进水管穿过顶盖伸入至沉淀池连接；在顶盖上部设置湿地植物A或湿地植物B；所述的植残处理***包括发酵罐、发酵液储存罐、发酵液投加管；发酵罐、发酵液储存罐、发酵液投加管依序连接；

所述的人工湿地净化***包括人工湿地池、人工湿地出水槽；所述的人工湿地池、人工湿地出水槽之间通过湿地输出管连接；人工湿地池内设置有处理层；人工湿地池上部设置有湿地植物B；湿地植物B在处理层之上；

人工湿地出水槽底部设置有两个出水管，其中一个出水管通过回流管与沉淀池连接；

沉淀池顶部设置有湿地进水管，该湿地进水管的出口设置在人工湿地池的顶部；

发酵液投加管的出口设置在人工湿地池的上部。

进一步为，本发明所述的沉淀池侧壁固定设置有排泥管；排泥管顶部伸出顶盖。该排泥管常态不与大气联通，必要时，使用空气压缩机接入排泥管伸出端，然后进行反向吹入二氧化碳或氧气或空气，对污泥进行补充厌氧/有氧环境。

进一步为，本发明所述的沉淀池包括内部设置的中心管和设置在中心管正下方的反射板；沉淀池下部设置为倒锥形，反射板的位置设置在沉淀池筒形段与倒锥形段过渡位置处。

进一步为，本发明所述的顶盖边缘设置有折边空间，该顶盖扣在沉淀池顶部连接，折边空间的下缘位置低于沉淀池顶部的上缘位置，湿地进水管进口在折边空间的下缘位置处连接；顶盖的非折边空间的位置设置有贯通孔；贯通孔的孔径为0.8-1.5cm。

进一步为，本发明所述的发酵罐内设置有隔板，该隔板将发酵罐分隔成发酵区和初液储存区两部分；隔板上开设有穿孔；穿孔的孔径为0.3-0.5cm。

进一步为，本发明所述的人工湿地净化***的人工湿地池设置为一顶部开口的筒体，处理层由上至下依序设置为生物炭层、砾石层；湿地输出管的进口设置在砾石层中。

进一步为，本发明在废水进水管上设置有流量调节阀；在湿地进水管上设置有进水泵；在回流管上设置有回流泵；在发酵液出水管上设置有阀门；在发酵液投加管上设置有定时电磁阀与流量计，控制发酵液的投加量。；所述的进水泵和回流泵分别与单独的定时器连接，控制水泵启闭时间。。

进一步为，本发明所述的沉淀池、人工湿地池和人工湿地池出水槽的内壁均涂覆设置有防渗层，防止重金属下渗影响周边土壤和地下水，防渗层为防渗涂料层，防渗涂料为市购防渗水涂料。植物发酵罐、发酵液储存罐设置于人工湿地池上方，以重力势能提供发酵液，不耗能。

进一步为，本发明所述的湿地植物A为再力花或菖蒲或香蒲或芦苇；所述的湿地植物B为黄花鸢尾或美人蕉；所述的生物炭层中的生物炭由植物秸秆如芦苇、美人蕉或果壳（核桃壳）在厌氧条件下烧制而成，烧制后的粒径为3-8mm；所述的人工湿地砾石层的砾石颗粒粒径为8-15mm，其厚度和生物炭层厚度比例为1:2-4；所述的植物发酵罐中的发酵区为水、活性污泥或沼泽底泥、植物秸秆的混合物。发酵罐内残渣清除后进行新发酵液的制备。

本发明生态湿地***的处理方法，该方法的步骤为：1）植物发酵液的制备：将植物秸秆如芦苇或黄花鸢尾或美人蕉秸秆，剪碎、沥干后放入发酵罐中，并投加水和活性污泥或沼泽底泥；所述的水、活性污泥或沼泽底泥、植物秸秆的投放比例为1 L：2-5g：200-500 g，并保持厌氧状态10-15天；发酵完成后，将植物发酵罐的上清液流入发酵液储存罐中储存并使用；发酵液投加电磁阀开启时间与进水泵一致，发酵液按其COD值与酸性矿山废水中硫酸根浓度比值0.8-2.5:1进行投加；

2）装置运行前，将污水处理厂的活性污泥或沼泽底泥接种至人工湿地池中，完成湿地中微生物的驯化；驯化完成后，酸性矿山废水（AMD）先通过进水管进入沉淀池发生沉淀反应；沉淀池的出水通过进水泵进入人工湿地池；为了节约电能，每个周期进水泵开启时间为5-15 min，间歇性地往湿地中进水；污水在内停留12-48 小时后随着污水的再次进入而通过湿地出水输出管流入出水槽中；出水槽出水部分外排，部分通过回流泵回流至沉淀池中；回流泵每日开启时间为5-10 min，回流量为人工湿地出水的15%-30%；沉淀池中的沉淀定期经排泥管排出；该污泥富含硫化态金属，或进行金属的回收利用。

与现有以人工湿地或生物滤池为基础处理酸性矿山废水的装置和运行方法相比，本发明的有益效果体现在：

本发明人工湿地***一直处于水饱和状态，且选用的植物如黄花鸢尾较为美观但根系较浅，能防止其根系泌氧对装置内厌氧微生物的影响，故装置整体厌氧状态较盛，有助于硫酸盐还原菌生长和发挥作用。硫酸盐还原菌利用废水中的硫酸盐为电子供体、投加的发酵有机液为电子受体，将硫酸盐还原为硫化氢和硫离子，硫离子回流至沉淀池中与矿山废水中的重金属反应，形成重金属的硫化物沉淀，使其对重金属、硫酸盐具有较好的去除效果。

本发明人工湿地基质选用碱性的生物炭材料，能够中和酸性，提高废水pH，防止酸性对微生物生长的抑制。同时生物炭的比表面积大，可为微生物生长和富集提供良好的附着环境，且对废水中的污染物也有较大的吸附去除容量，增强了对废水的净化能力；

本发明在进水口处设置沉淀池，并设置回流泵，将人工湿地出水中的硫离子回流至沉淀池内，与酸性矿山废水反应形成含重金属的硫化物沉淀，可基本去除人工湿地池进水中的重金属，从而减轻了废水对人工湿地池中微生物的毒害，避免重金属在湿地中的累积，可有效延长湿地使用寿命；沉淀池采用半地下设置，占地面小，且上部栽有植物，能实现美观、为植物发酵罐提供秸秆补给功能；沉淀池内含重金属的硫化物沉淀通过排泥管排出后可实现重金属的回收和利用；

4）本发明制备植物发酵液所采用的芦苇或黄花鸢尾秸秆来源广泛、成本低，制备方法简单易行；将植物发酵液作为碳源添加至处理酸性矿山废水的人工湿地中，能够快速有效地提升硫酸盐还原菌的还原作用，从而获得稳定的出水水质；发酵液以重力方式进入人工湿地，节约了能耗。

下面结合附图和具体实施方式本发明做进一步解释。

附图说明

图1为本发明提供的一种处理酸性矿山废水的人工湿地结构示意图。

图中标号：1-流量调节阀，2-废水进水管，3.1-湿地植物A，3.2-湿地植物B，4-沉淀池，5-中心管，6-反射板，7-排泥管，8-湿地进水管，9-进水泵，10-定时器，11-人工湿地池，12 -生物炭层，13 -砾石层，14-湿地输出管，15-人工湿地出水槽，16-出水管，17-回流管，18-回流泵，19-发酵罐，19.1-隔板，19.2-发酵区，19.3初液储存区，20-植物秸秆，21-发酵液出水管，22-阀门，23-发酵液储存罐，24-定时电磁阀，25-发酵液投加管，26-顶盖，27-折边空间。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、目的及功效更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

按水流方向，如图1所示，装置主体结构包括依次相连的沉淀池4、进水泵9、人工湿地池11、人工湿地出水槽16和回流泵19，以及和人工湿地池11相连的发酵液储存罐21。所述沉淀池4的一端安装有与酸性矿山废水（AMD）相连的废水进水管2；所述沉淀池的另一端通过安装湿地进水管8和进水泵9与人工湿地池11进水端相连；所述的人工湿地池11的出水端通过安装可调输出管14与其出水槽15相连；所述的出水槽15设置两个出水口，一个连接出水管16，一个连接沉淀池4；所述的回流管17上安装有回流泵18，连接出水槽15和废水进水管2；所述的发酵液储存罐23一端通过发酵液出水管21与植物发酵罐19相连，另一端通过发酵液投加管25与人工湿地池11相连。

进一步的，所述的废水进水管2上安装流量调节阀1，调节废水进水流量；发酵液出水管21上安装普通阀门22用来开闭管路、控制流向；发酵液投加管25上安装定时电磁阀24与流量计，控制发酵液的投加量。

进一步的，本发明所述的沉淀池4为竖流式沉淀池，包括与废水进水管2相连的中心管5、反射板6和排泥管7，使废水中的重金属与硫离子发生反应生成沉淀，同时去除其他的固体悬浮物，并使人工湿地来水均质。所述的沉淀池4采用半地下式、圆形结构，其上部封顶，并种植植物3，如黄花鸢尾或美人蕉。本发明所述沉淀池4的尺寸远大于人工湿地池11的有效容积，具体可为4-8倍。

进一步的，本发明所述的人工湿地池11为垂直流人工湿地池，由上至下依次为生物炭层12和砾石层13。生物炭层12中的生物炭由湿地植物（如芦苇、黄花鸢尾）或果壳（核桃壳）剪碎后在厌氧条件下烧制而成，粒径为3-8 mm，其顶端外表面种植有黄花鸢尾或芦苇类植物3。砾石层13中的砾石颗粒粒径为8-15 mm。砾石层13厚度和生物炭层12厚度比例为1:2-4。在人工湿地池11出水口内侧设有孔径2-4 mm的滤网，防止滤料流失，出水口处安装了湿地输出管，使装置一直处于水饱和状态，有利于硫酸盐还原菌的生长富集。

进一步的，所述的植物发酵罐19内包括水、活性污泥或沼泽底泥、植物秸秆20。具体的，污泥来自某污水处理厂污泥脱水间污泥或沼泽地底泥，将植物秸秆20如芦苇或黄花鸢尾秸秆剪碎成1-3 cm、沥干后和活性污泥或沼泽底泥一同放入发酵罐中，所述的水、活性污泥或沼泽底泥、植物秸秆的投放比例为1 L：2-5g：200-500 g，并放置10-15天。发酵完成后，开启发酵液出水管21上的阀门22，将植物发酵罐19的出水流入发酵液储存罐23中保存。

在使用该***时，装置运行前期，将污水处理厂的厌氧污泥或沼泽底泥接种到垂直流人工湿地中，完成湿地中微生物的驯化；驯化完成后，酸性矿山废水（AMD）先通过进水管2进入沉淀池4发生沉淀反应；沉淀池4的出水通过进水泵9进入垂直流人工湿地11。为了节约电能，每个周期进水泵9通过定时器10控制开启时间为5-15 min；废水在垂直流人工湿地11内，停留12-48 h后随着污水的再次进入而通过湿地出水输出管14流入出水槽15中。出水槽15水部分外排，部分通过回流泵9回流至沉淀池4；回流泵每日开启时间为5-10min，回流量为人工湿地11出水的15%-30%。

进一步的，植物发酵罐19、发酵液储存罐23建于人工湿地池上方，以重力势能为人工湿地池11提供发酵液，不耗能；发酵液投料阀开启时间与进水泵一致，投加量按发酵液储存罐中COD值与酸性矿山废水中硫酸根含量的比值0.8:1-2.5:1投加。

实施例2

采用的处理酸性矿山废水结构如图1所示，沉淀池、人工湿地池、人工湿地出水槽、植物发酵罐、发酵液储存罐的材质均为PE，其中人工湿地池的长、宽、高分别为20 cm、20 cm、70cm，下部设置15 cm厚的砾石层。其上填充核桃壳烧制成的生物炭，粒径为3-6 mm，填充高度50 cm，且生物炭上部种植黄花鸢尾。在装置正式运行前，将某污水处理厂污泥脱水间污泥3 g混匀于水后接入人工湿地池中，每5天接种一次，共接种4次，完成装置微生物的驯化。装置正式运行时，进水泵开启10 min后，人工湿地池充满废水，进水泵关闭，水在人工湿地池中的水力停留时间为24 h，出水通过湿地输出管流入出水槽中。出水槽出水部分外排，部分通过回流泵回流至沉淀池；回流泵每日开启时间为5 min，回流量为人工湿地11出水的20%。废水进水硫酸根为1000 mg/L，Cr、Cu、Cd浓度为5 mg/L，Fe浓度为50 mg/L，投加植物发酵液后进水的COD为1000 mg/L。该人工湿地***在稳定运行期间内对酸性矿山废水中的Cr、Cu、Cd去除率达到了90%以上，Fe去除率达到了75%以上，硫酸根去除率达到了70%，且显著提高了出水pH。

实施例3

采用的处理酸性矿山废水结构如图1所示，沉淀池的材质采用钢筋混凝土，人工湿地池、人工湿地出水槽、植物发酵罐、发酵液储存罐的材质均为PE，其中人工湿地池的长、宽、高分别为60 cm、60 cm、200 cm，下部设置60 cm厚的砾石层。其上填充核桃壳烧制成的生物炭，粒径为3-6 mm，填充高度120 cm，且生物炭上部种植美人蕉。在装置正式运行前，将某污水处理厂污泥脱水间污泥5 g混匀于水后接入人工湿地池中，每5天接种一次，共接种4次，完成装置微生物的驯化。装置正式运行时，进水泵开启15 min后，人工湿地池充满废水，进水泵关闭，水在人工湿地池中的水力停留时间为36 h。出水通过湿地输出管流入出水槽中。出水槽出水部分外排，部分通过回流泵回流至沉淀池；回流泵每日开启时间为10 min，回流量为人工湿地11出水的25%。废水进水硫酸根为800-1500 mg/L，Cr、Cu、Zn浓度为5 -10 mg/L，Fe浓度为40-60 mg/L，投加植物发酵液后进水的COD为1000-1500 mg/L。该人工湿地***在稳定运行期间内对酸性矿山废水中的Cr、Cu、Zn去除率达到了90%以上，Fe去除率达到了70%以上，硫酸根去除率达到了65%，且显著提高了出水pH。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种集矿山废水处理和植残处理为一体的生态湿地***，其特征在于，该***由重金属沉淀***、植残处理***和人工湿地净化***三部分组成；

所述的重金属沉淀***包括废水进水管（2）、沉淀池（4）、湿地植物A（3.1）或湿地植物B（3.2）；所述的沉淀池（4）设置为一顶部开口的筒体；在沉淀池（4）顶部设置有顶盖（26），废水进水管（2）穿过顶盖（26）伸入至沉淀池（4）连接；在顶盖（26）上部设置湿地植物A（3.1）湿地植物B（3.2）；所述的植残处理***包括发酵罐（19）、发酵液储存罐（23）、发酵液投加管（25）；发酵罐（19）、发酵液储存罐（23）、发酵液投加管（25）依序连接；

所述的人工湿地净化***包括人工湿地池（11）、人工湿地出水槽（15）；所述的人工湿地池（11）、人工湿地出水槽（15）之间通过湿地输出管（14）连接；人工湿地池（11）内设置有处理层；人工湿地池（11）上部设置有湿地植物B（3.2）；湿地植物B（3.2）在处理层之上；

人工湿地出水槽（15）底部设置有两个出水管（16），其中一个出水管（16）通过回流管（17）与沉淀池（4）连接；

沉淀池（4）顶部设置有湿地进水管（8），该湿地进水管（8）的出口设置在人工湿地池（11）的顶部；

发酵液投加管（25）的出口设置在人工湿地池（11）的上部。

2.根据权利要求1所述的生态湿地***，其特征在于，所述的沉淀池（4）侧壁固定设置有排泥管（7）；排泥管（7）顶部伸出顶盖（26）。

3.根据权利要求1或2所述的生态湿地***，其特征在于，所述的沉淀池（4）包括内部设置的中心管（5）和设置在中心管（5）正下方的反射板（6）；沉淀池（4）下部设置为倒锥形，反射板（6）的位置设置在沉淀池（4）筒形段与倒锥形段过渡位置处。

4.根据权利要求1或2所述的生态湿地***，其特征在于，所述的顶盖（26）边缘设置有折边空间（27），该顶盖（26）扣在沉淀池（4）顶部连接，折边空间（27）的下缘位置低于沉淀池（4）顶部的上缘位置，湿地进水管（8）进口在折边空间（27）的下缘位置处连接；顶盖（26）的非折边空间（27）的位置设置有贯通孔。

5.根据权利要求1所述的生态湿地***，其特征在于，所述的发酵罐（19）内设置有隔板（19.1），该隔板（19.1）将发酵罐（19）分隔成发酵区（19.2）和初液储存区（19.3）两部分；隔板（19.1）上开设有穿孔。

6.根据权利要求1所述的生态湿地***，其特征在于，所述的人工湿地净化***的人工湿地池（11）设置为一顶部开口的筒体，处理层由上至下依序设置为生物炭层（12）、砾石层（13）；湿地输出管（14）的进口设置在砾石层（13）中。

7.根据权利要求1所述的生态湿地***，其特征在于，在废水进水管（2）上设置有流量调节阀（1）；在湿地进水管（8）上设置有进水泵（9）；在回流管（17）上设置有回流泵（18）；在发酵液出水管（21）上设置有阀门（22）；在发酵液投加管（25）上设置有定时电磁阀（24）；所述的进水泵（9）和回流泵（18）分别与单独的定时器（10）连接。

8.根据权利要求1所述的生态湿地***，其特征在于，所述的沉淀池（4）、人工湿地池（11）和人工湿地池出水槽（16）的内壁均涂覆设置有防渗层；植物发酵罐（19）、发酵液储存罐（23）设置于人工湿地池（11）上方，以重力势能提供发酵液。

9.根据权利要求1所述的生态湿地***，其特征在于，所述的湿地植物A（3.1）为再力花或菖蒲或香蒲或芦苇；所述的湿地植物B（3）为黄花鸢尾或美人蕉；所述的生物炭层（12）中的生物炭由植物秸秆在厌氧条件下烧制而成，烧制后的粒径为3-8 mm；所述的人工湿地砾石层（13）的砾石颗粒粒径为8-15 mm，其厚度和生物炭层（13）厚度比例为1:2-4；所述的植物发酵罐（19）中的发酵区（19.2）为水、活性污泥或沼泽底泥、植物秸秆（20）的混合物。

10.如权利要求1至权利要求9任一所述的生态湿地***的处理方法，其特征在于，该方法的步骤为：1）植物发酵液的制备：将植物秸秆（20）如芦苇或黄花鸢尾或美人蕉秸秆，剪碎、沥干后放入发酵罐（19）中，并投加水和活性污泥或沼泽底泥；所述的水、活性污泥或沼泽底泥、植物秸秆20的投放比例为1 L：2-5g：200-500 g，并保持厌氧状态10-15天；发酵完成后，植物发酵罐（19）的溶液流入发酵液储存罐（23）中储存并使用；发酵液投加电磁阀（24）开启时间与进水泵（9）一致，发酵液按其COD值与酸性矿山废水中硫酸根浓度比值0.8-2.5:1进行投加；

2）装置运行前，将污水处理厂的活性污泥或沼泽底泥接种至人工湿地池（11）中，完成湿地中微生物的驯化；驯化完成后，酸性矿山废水先通过进水管（2）进入沉淀池（4）发生沉淀反应；沉淀池（4）的出水通过进水泵（9）进入人工湿地池（11）；每个周期进水泵（9）开启时间为5-15 min，间歇性地往湿地中进水；污水在（11）内停留12-48 小时后随着污水的再次进入而通过湿地出水输出管（14）流入出水槽（15）中；出水槽（15）出水部分外排，部分通过回流泵（19）回流至沉淀池（4）中；回流泵每日开启时间为5-10 min，回流量为人工湿地（11）出水的15%-30%；沉淀池（4）中的沉淀定期经排泥管（7）排出；该污泥富含硫化态金属，或进行金属的回收利用。

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