CN111233127A

CN111233127A - 一种酸性矿山废水处理工艺及***

Info

Publication number: CN111233127A
Application number: CN202010173123.0A
Authority: CN
Inventors: 肖伟; 李娜; 刘少杰; 雷应飞; 田涛; 何依琳; 张凤英; 郭小伟
Original assignee: Love Soil Engineering Environmental Technology Co ltd
Current assignee: Love Soil Engineering Environmental Technology Co ltd
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2020-06-05

Abstract

一种酸性矿山废水处理工艺及***，属于废水处理领域。处理工艺包括以下步骤：在调节池内，对待处理的酸性矿山废水的水质、水量进行调节；在曝气池内，对调节池的出水进行曝气，使调节池出水中的第一部分金属元素反应为金属氧化物；在沉淀池内，对曝气池的出水通过沉淀去除所产生的金属氧化物；对沉淀池出水通过可渗透反应墙将其中第二部分金属元素的至少部分去除。该处理工艺可以有效地处理酸性矿山废水，达到以低的运行成本，并且还具有高效率、生态环保、出水稳定的优点。

Description

一种酸性矿山废水处理工艺及***

技术领域

本申请涉及废水处理领域，具体而言，涉及一种酸性矿山废水处理工艺及***。

背景技术

在开采过程中，煤矿、金属矿山等会留下诸多矿渣、矿坑和矿洞。矿山关停后，矿坑或矿洞会因长期积水而出现黄色废水外溢现象，而该黄色废水即为矿山废水。该废水具有pH较低(酸性强)、特征污染物—铁及重金属—含量高等特点。如果任矿山废水肆意流排，会造成下游河流、湖泊及农田等发生污染，并危害周边居民生活安全。

目前，治理酸性矿山废水的主要方法有物理处理法、化学处理法、物理化学处理法、生物法和矿物法等。其中，加碱中和沉淀法应用最为广泛。但是，加碱中和沉淀法存在如下问题：

前期建设投入大；

设备运行过程中腐蚀快；

运行成本高，如能耗高、人工成本、药剂消耗等；

适用范围小，对难沉淀性的重金属废水处理效果差。

为了解决现有酸性矿山废水处理过程中遇到的问题，亟待开发一种新的用于处理酸性矿山废水的工艺。

发明内容

为改善、甚至解决上述提及的至少一个问题，本申请提出了一种酸性矿山废水处理工艺及***。

本申请是这样实现的：

在第一方面，本申请实施例提供了一种酸性矿山废水处理工艺，其包括以下步骤：在调节池内，对待处理的酸性矿山废水的水质、水量进行调节；在曝气池内，对调节池的出水进行曝气，使调节池出水中的第一部分金属元素反应为金属氧化物；在沉淀池内，对曝气池的出水通过沉淀去除所产生的金属氧化物；对沉淀池出水通过可渗透反应墙将其中第二部分金属元素的至少部分去除。

在第一方面的另一些示例中，处理工艺包括以下步骤：将可渗透反应墙出水排入受纳水体。

在第一方面的另一些示例中，处理工艺包括以下步骤：将沉淀池内的包含金属氧化物的沉淀物在污泥暂存池内静置，在选定时长之后，排出底泥且将上清液返流至调节池。

在第一方面的另一些示例中，在各步骤中，废水通过重力自流进行输运。

在第一方面的另一些示例中，可渗透反应墙具有多个，且每个可渗透反应墙分别用以处理第二部分金属元素的至少部分中的不同元素。

在第一方面的另一些示例中，全部的可渗透反应墙依次序对沉淀池出水进行处理以去除第二部分金属元素的至少部分。

在第一方面的另一些示例中，可渗透反应墙通过设置的反应填料去除第二部分金属元素。

在第一方面的另一些示例中，每个可渗透反应墙中的反应填料包括一种或多种。

在第一方面的另一些示例中，处理工艺还包括下述的一项或多项限定：曝气池内溶解氧浓度在3mg/L以上，水力停留时间4小时；反应填料的表面负荷为5m³/(m²·h)至9m³/(m²·h)；沉淀池出水通过可渗透反应墙的处理时间至少为3小时。

在第二方面，本申请实施例提供了一种用于实施上述酸性矿山废水处理工艺的酸性废水处理***，其包括：调节池，用于接收包含待处理的酸性矿山废水的原水，并对原水的水质和水量进行调节；与调节池连通的曝气池，用以接收调节池出水并通过溶解氧反应生成金属氧化物；与曝气池连通的沉淀池，用以接收曝气池出水；与沉淀池连通的可渗透反应墙，用以接收并处理沉淀池出水；与调节池和沉淀池均连通的污泥暂存池，用以接收沉淀池排出的污泥，并在污泥静置后的底泥排出、上清液返流至调节池。

本申请示例的废水处理工艺解决了酸性矿山废水处理工艺存在的难以维持稳定处理达标的问题，且具有运行费用低、处理效率高、出水稳定达标和生态经济环保的特点。

首先该工艺通过控制入水的水质和水量，以便后续工艺环节能够持续正常地进行废水处理。其中后续工艺环节根据不同的功能单元对废水进行不同的处理，从而去除废水中的不同待处理物，使废水被高效率地处理，且工艺排水稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请示例提供的酸性矿山废水处理工艺中废水的流向示意图；

图2为本申请示例提供的酸性矿山废水处理***的结构示意图；

图3为本申请示例提供的酸性矿山废水处理***中的可渗透反应墙内的用以固定反应填料的载体架的结构示意图。

图标：101-可渗透反应墙；1011-载体架；201-调节池；202-曝气池；203-沉淀池；204-污泥暂存池。

具体实施方式

在本申请中，在不矛盾或冲突的情况下，本申请的所有实施例、实施方式以及特征可以相互组合。在本申请中，常规的设备、装置、部件等，既可以商购，也可以根据本申请公开的内容自制。在本申请中，为了突出本申请的重点，对一些常规的操作和设备、装置、部件进行的省略，或仅作简单描述。

鉴于现有通过加碱中和沉淀法处理酸性矿山废水工艺所存在的问题，本申请发明人提出了一种新的工艺(图1示出了处理工艺流程中的废水流向)用以对酸性矿山废水进行处理。通过实施该新工艺，预期处理废水时可以取得在成本、效率、出水稳定性、出水达标率、生态环保等方面的一个或多个优势、进步。

酸性矿山废水是一种在矿山开采过程中产生的一种特殊工业废水，主要特性有：pH低，呈酸性；Fe、Mn含量较高，呈黄褐色；一般根据矿石属性含有特种重金属，如Cd、Ni等。

传统工艺一般采用加碱中和沉淀法，存在设备腐蚀严重、药剂用量大、污泥产生量大、运行维护困难等等问题，从而导致基于该方法实现的***的运行成本高，且无法正常稳定运行，出水稳定达标率较低。

本申请主要针对酸性矿山废水的重金属离子和pH等指标进行方案设计，从而使***出水达到相应废水排放标准的要求，如《煤炭工业污染物排放标准》(GB20426-2006)。本申请工艺可以至少在下述方面取得优势：一方面尽量利用重力能、太阳能等，减少设备的使用量，达到节能降耗目的；另一方面针对废水特征污染物，研发反应填料，定期维护，大大降低后期运行成本。

整体上而言，该工艺主要包括多个后续将被详述的工艺单元，且各工艺单元具有相对独立(也可以根据需要选择性地进行配合)的功能，以对废水实现相应的处理操作。示例中，工艺单元主要包括对原水进行水质和水量调节的单元、进行曝气处理的单元、进行沉淀的单元、进行渗透反应的单元。进一步地，工艺单元还可以根据需要设置与进行沉淀的单元相匹配作业以进行沉淀物处理的单元。

其中，原水主要是指由矿山排出的酸性废水。另一些示例中，原水也可以由前述酸性废水进行初步的简单处理后的水。而“初步的简单处理”例如可以是用水稀释、去除固体杂质(如石块、木柴、金属，等等)，或者其他常见的处理。

一般地，上述工艺单元可以通过在矿山附近实施，进行废水的就近处理。或者，工艺单元选择在适当的区域实施，矿山废水通过运输设备(液体输送车辆等)输送并进行处理。需要指出的是，虽然本申请中以酸性矿山废水为例说明处理工艺，但是，这并非意在限定本申请的工艺只能应用于酸性矿山废水。应当理解的是，对于与酸性矿山废水具有相同或相似的组成废水，或者其他废水经过处理而与酸性矿山废水组成接近或特性接近的水体均可以采用示例中的工艺。

为了实施上述工艺，发明人基于此提出了一种酸性矿山废水处理***。参阅图2，酸性废水处理***包括：调节池201、曝气池202、沉淀池203、可渗透反应墙101以及污泥暂存池204。整个***被实施以处理废水，因此，各个池之间通过管道或者沟渠进行废水的输送；相应地，各个池之间可选择通过前述的管道后者沟渠进行连接。废水在各个水池或处理单元之间的输送可以是在重力作用下的自流动而实现，或者也可以选择通过水泵的方式进行输送。通过水泵等设备进行废水的输送需要电力的供应，因此，基于能耗的考虑，可以选择使用重力自流的方式。但是，重力自流需要考虑各个水池的空间位置布局，因此，可能需要对各水池进行对应的结构和功能化设计。例如，根据流体在重力作用下的由高至低的自流方向，调节池、曝气池、沉淀池、可渗透反应墙依次配置各自的出水口高度由高至低排列、布局。即通过对各个工艺单元液位标高的设计控制，整个工艺流程可以利用废水的重力自流进入各个工艺单元，达到降低运行成本。

从功能上而言，各处理水池至少具有下述之功能和作用。

调节池用于接收包含待处理的酸性矿山废水的原水。原水在调节池内进行水质和水量进行调节，并且在满足所需要求后，向后续池输送。作为调节进、出水流量的构筑物，调节池可以使管渠等正常工作，不受废水高峰流量、低谷流量或浓度变化的影响。作为调节水质的构筑物，调节池还可以对污水的水质进行调节，例如对污水pH值、水温进行调节，以满足后续工艺单元的工作需要。

调节池出水(主要是溢流)被输送至曝气池内，并且在曝气池内通过其中的溶解氧反应生成金属氧化物。其中，曝气池内设置曝气管或搅拌装置，用以在曝气管内的废水形成一定浓度的溶解氧。而废水中的部分杂质(主要是金属物质，例如金属离子)可以通过与水中的溶解氧反应形成固体物质(如金属氧化物)，从水中脱离。

曝气管直接将氧气或者空气分散地输送到水体，在氧气与水接触的过程中，氧气通过传质作用而溶解在水体中成为溶解氧。由此，曝气管还对应设置气泵用以供气。曝气管是中空的管道，且管壁设置有多个气孔，用以使输送的气体分散地分布在水体中。曝气方式还可以通过采用跌水曝气或太阳能曝气装置，以便有效降低电能，

搅拌装置则可通过对曝气池内的水体进行急速、剧烈的搅拌，使空气与水体接触，从而将氧气充分、快速地溶解在水体中。搅拌装置可以是采用电机连接叶轮实现。叶轮通过电机提供旋转动力，以对水体进行搅动。对于通过搅拌装置增加水体中的溶解氧的方式，可以选择调节搅动的速度或者激烈程度来调整水体中的溶解氧的浓度。一般地，通过调整电机的功率等方式改变其转速。另一些示例中，电机可以配备变速箱，用以对其输出转速进行控制。相应地，电机与变速箱连接，而变速箱则与叶轮连接。即电机的输出轴与变速箱的输入端连接(可以通过传动轴进行连接)，变速箱的输出端与叶轮连接。通过可调转速的叶轮使水中的溶解氧含量满足部分氧化废水中金属离子要求，维持池中的溶解氧水平。

进一步地，为了减少对外界的电力的需求和消耗，搅拌装置还可以配置供电器。供电器通过风能或者太阳能发电，从而对用电设备供电。一种可替代的示例中，供电器包括通过连接装置连接的太阳能发电板和支架。更进一步地，太阳能发电板还可以通过设置在连接装置的转向器进行转动。由此，太阳能发电板可以根据当地的光照情况，根据阳光进行转动，以便接受更多的阳光进行发电。

曝气池出水输送至沉淀池内。沉淀池内废水静置，通过沉淀作用(固体从液体中因密度差异而发生沉降，从而分离；或者也可以通过使用化学试剂通过反应将希望去除的物质通过絮凝而从液体中固化析出并沉降)，在曝气池内的金属氧化物沉降至沉淀池的底部，而上层的水则可向下游输送，进行对应的处理。沉淀池在长期使用后，其底部积累的金属氧化物等固体物质将占用沉淀池的有效体积而阻碍沉淀池的正常使用。因此，根据需要，在适当的时机时，沉降在沉淀池底部的“污泥”被排出，以预留曝气池污水的沉降空间。

对应于沉淀池，示例中，酸性废水处理***包括污泥暂存池。其用以接收沉淀池排出的污泥。与沉淀池相似地，沉淀池排出(可通过排泥泵实现)的污泥在污泥暂存池内静置，也会相应地沉降，而实现分层——位于底部的底泥以及位于上层的上清液。其中，底泥排出可以进行减量化、干燥等处理，上清液可以排放或者返流至前述的调节池，用以对原水进行调节。相应地，污泥暂存池可以与调节池连接，也可以选择与沉淀池连接。

可渗透反应墙用以接收并处理沉淀池出水。可渗透反应墙可以通过渗透作用对废水进行过滤，以将其中的杂质(水溶性，如离子等；或非水溶性，如大分子生物代谢物质等)与水进行分离。可渗透反应墙还可以通过反应将废水中的选择物质去除。

考虑到废水中的组分、物质比较复杂，因此，由单一功能的可渗透反应墙可能并不易于将前述物质去除。相应地，可以考虑设置多个可渗透反应墙或者对可渗透反应墙的功能进行优化改进。例如，可渗透反应墙内能够起到渗透和反应作用的功能单元有多个，且进行适应性的组合。本申请示例中，选择对可渗透反应墙的数量和功能进行协同优化改进。例如，可渗透反应墙包括一级可渗透反应墙和二级可渗透反应墙，且其中的一级可渗透反应墙的入口与沉淀池连接、一级可渗透反应墙的出口与二级可渗透反应墙的入口连接。参阅图3，各个可渗透反应墙101还内置有反应填料。反应填料可以通过活性物质与水体中的特定成分反应。因此，可渗透反应墙一般包括墙体以及其内部固定的反应填料，其中的反应填料可以通过金属框架和载体架1011而被固定在墙体内。基于优化考虑，反应填料以可更换的方式实现。例如，将作为整体的金属框架和载体架进行替换。

本工艺中的反应填料是一种无毒无害环保材料，既具有可重复利用性，又可以和废水发生一系列物理作用和化学反应达到去除重金属离子的目的。反应填料可根据废水中重金属种类和特征，通过试验研发确定，并且其数量/种类可以是一种，也可以是几种的选择配比。例如，示例中提供了三种反应填料。第一反应填料的元素构成有Mn(锰)、Si(硅)、Fe(铁)、S(硫)、Mg(镁)、O(氧)，其反应机理为氧化还原、静电吸附、络合反应；第二反应填料的元素构成有Mn(锰)、Fe(铁)、Al(铝)、O(氧)、H(氢)，其反应机理为催化氧化、拦截过滤、中和；第三反应填料的元素构成有Si(硅)、Fe(铁)、Al(铝)、O(氧)，其反应机理为电位吸附、催化氧化、拦截过滤。

此外，为了进行废水的分布，一级可渗透反应墙和二级可渗透反应墙的进水端和出水端均设置有配水槽，以便配水槽均布于各个可渗透反应墙，从而更高效地发生渗透和反应作用。考虑到***的简化和便于建造，一级可渗透反应墙的出水端与二级可渗透反应墙的进水端共用配水槽。配水槽可以有多种实现方式，作为示例，配水槽可以选择为穿孔花墙结构或穿管花墙结构，其中穿孔为50mm×50mm的方孔，穿管的管径为50mm。

基于前述的***，一种酸性矿山废水处理工艺可通过下述描述被释明。

(1)将需要处理的酸性矿山废水通过管渠引至调节池，对原水的水质、水量进行调节。

(2)调节池出水通过重力自流或泵提升至曝气池内，充分氧化废水中铁、锰等金属离子，曝气池一般分2格，池内溶解氧浓度一般控制在3mg/L以上，水力停留时间4h。

(3)曝气池出水自流进入沉淀池，通过沉淀处理去除所产生的金属氧化物，保证一级可渗透反应墙进水的水质要求，一般分2格，表面负荷为5～9m³/(m²·h)。

(4)沉淀池出水自流进入一级可渗透反应墙，一级可渗透反应墙内充装工艺反应填料，废水与反应填料接触后发生中和、吸附等作用，达到去除废水中某些金属离子，一般分2格，控制反应时间至少3h。

(5)一级可渗透反应墙出水自流进入二级可渗透反应墙，二级可渗透反应墙内充装工艺反应填料，废水与反应填料接触后发生氧化、过滤等作用，达到进一步去除废水中金属离子，一般分2格，控制反应时间至少4h。

(6)二级可渗透反应墙出水通过管渠排入受纳水体。

(7)污泥暂存池主要用于贮存沉淀池定期排放的底泥，上清液回流至调节池，污泥定期外运处置。

实施例1

湖南省某已关闭废弃矿山的矿洞涌水，其主要超标因子为铁、锰、pH和色度。

针对上述矿洞涌水，采用图1所示的工艺流程进行废水处理。

设计处理规模为150m³/d、设计进水pH为3.0、总铁浓度为400mg/L、锰浓度为4.5mg/L。

出水总铁执行《煤炭工业污染物排放标准》(GB20426-2006)，即7mg/L；

出水pH和锰执行《污水综合排放标准》(GB8978-1996)，即pH为6～9和锰的浓度为2mg/L。

主要工艺单元尺寸如下：

调节池5.0m×4.7m×2.5m；

曝气池8.2m×3.0m×2.5m；

沉淀池8.2m×3.0m×2.5m；

一级可渗透反应墙8.2m×4.0m×2.5m；

二级可渗透反应墙8.2m×4.0m×2.5m；

污泥暂存池5.0m×3.3m×2.5m。

主要设备：太阳能曝气机充氧能力为3-8m³/h，2台；潜水泵Q＝10m³/h，H＝15m，N＝1.5kW，2台。

工艺反应填料主要选择填料1、填料2和填料3，其配比为2:5:3。

该工程投资约为196.4万元，于2018年7月投产运行，运行稳定可靠，出水的水质达标排放，运行成本折合吨水约为1.02元。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种酸性矿山废水处理工艺，其特征在于，所述处理工艺包括以下步骤：

在调节池内，对待处理的酸性矿山废水的水质、水量进行调节；

在曝气池内，对调节池的出水进行曝气，使调节池出水中的第一部分金属元素反应为金属氧化物；

在沉淀池内，对曝气池的出水通过沉淀去除所产生的金属氧化物；

对沉淀池出水通过可渗透反应墙将其中第二部分金属元素的至少部分去除。

2.根据权利要求1所述的酸性矿山废水处理工艺，其特征在于，所述处理工艺包括以下步骤：

将可渗透反应墙出水排入受纳水体。

3.根据权利要求1或2所述的酸性矿山废水处理工艺，其特征在于，所述处理工艺包括以下步骤：

将沉淀池内的包含金属氧化物的沉淀物在污泥暂存池内静置，在选定时长之后，排出底泥且将上清液返流至调节池。

4.根据权利要求3所述的酸性矿山废水处理工艺，其特征在于，在各步骤中，废水通过重力自流进行输运。

5.根据权利要求1所述的酸性矿山废水处理工艺，其特征在于，可渗透反应墙具有多个，且每个可渗透反应墙分别用以处理所述第二部分金属元素的至少部分中的不同元素。

6.根据权利要求5所述的酸性矿山废水处理工艺，其特征在于，全部的可渗透反应墙依次序对沉淀池出水进行处理以去除第二部分金属元素的至少部分。

7.根据权利要求1或5或6所述的酸性矿山废水处理工艺，其特征在于，所述可渗透反应墙通过设置的反应填料去除第二部分金属元素。

8.根据权利要求7所述的酸性矿山废水处理工艺，其特征在于，每个可渗透反应墙中的反应填料包括一种或多种。

9.根据权利要求7所述的酸性矿山废水处理工艺，其特征在于，所述处理工艺还包括下述的一项或多项限定：

所述曝气池内溶解氧浓度在3mg/L以上，水力停留时间4小时；

所述反应填料的表面负荷为5m³/(m²·h)至9m³/(m²·h)；

沉淀池出水通过可渗透反应墙的处理时间至少为3小时。

10.一种酸性废水处理***，用于实施根据权利要求1至9中任意一项所述的酸性矿山废水处理工艺，其特征在于，所述酸性废水处理***包括：

调节池，用于接收包含待处理的酸性矿山废水的原水，并对原水的水质和水量进行调节；

与调节池连通的曝气池，用以接收调节池出水并通过溶解氧反应生成金属氧化物；

与曝气池连通的沉淀池，用以接收曝气池出水；

与沉淀池连通的可渗透反应墙，用以接收并处理沉淀池出水；

与调节池和沉淀池均连通的污泥暂存池，用以接收沉淀池排出的污泥，并在污泥静置后的底泥排出、上清液返流至调节池。