酸性礦業(yè)廢水治理與循環(huán)利用工程實(shí)例分析

龍開先，蔣良富，吳遠(yuǎn)斌

(貴州煤礦地質(zhì)工程咨詢與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，貴州 貴陽 550081)

貴州是我國(guó)南方礦產(chǎn)資源最豐富的省區(qū)。在全省89個(gè)縣（市）有豐富的礦物資源。儲(chǔ)量分布見表1[1]。

表1 貴州省各個(gè)地區(qū)礦產(chǎn)資源/儲(chǔ)量表（截至2017年12月底）單位：億t

上表所示，成為現(xiàn)如今貴州省經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的主要?jiǎng)恿碓?，同時(shí)也帶來了一系列的環(huán)境污染問題。開采礦過程中產(chǎn)生的礦井廢水就是主要得污染物之一。礦井廢水產(chǎn)生量不僅大（據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)礦產(chǎn)資源平均排放污水量為2.0t～2.5t[2]，全國(guó)礦產(chǎn)工業(yè)污水總量達(dá)到23億m3/年[3]），而且根據(jù)礦層所含雜質(zhì)不同，污水性質(zhì)也不同。

貴州礦產(chǎn)資源的特征之一為含硫量高，主要以黃鐵礦硫?yàn)橹?，含硫量接近或高?%[4]。因此在開采過程中，礦石中伴生有硫化礦物氧化作用則形成酸性礦井廢水。貴州省礦井廢水的排放主要有兩種類型：高SS含量型和低pH、高Fe、Mn等重屬含量型[5]。

這些廢水如不經(jīng)治理直接排放，不僅造成水之源的浪費(fèi)，同時(shí)排放的污水將會(huì)對(duì)礦區(qū)周邊及下游地區(qū)的河流、土壤、以及地下深層地質(zhì)產(chǎn)生破壞性影響，并最終危害人類健康。因此根據(jù)國(guó)家對(duì)于綠色礦山的建設(shè)要求，堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)建設(shè)和環(huán)境建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展的理念，必須加大對(duì)污水處理的力度，實(shí)現(xiàn)礦井污水高回用率和達(dá)標(biāo)排放。

1 項(xiàng)目概況

貴州某礦業(yè)公司礦產(chǎn)資源生產(chǎn)30萬t/a。礦井正常涌水量為1662m3/d（69.25m3/h），最大涌水量為2742m3/d（114.25m3/h），環(huán)評(píng)要求礦產(chǎn)開采過程中，污水處理能力為120m3/h。環(huán)評(píng)要求在主場(chǎng)地新建1座處理規(guī)模為120m3/h的礦井水處理站。處理水量的90%將回用于職工洗澡用水、洗礦廠生產(chǎn)用水及礦井井下消防、除塵、灑水等生產(chǎn)活動(dòng)。

地質(zhì)工程施工過程中，廢水排放標(biāo)準(zhǔn)要滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)（Fe、Mn參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值），其余污染物滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）。

2 主要構(gòu)筑物和設(shè)備

表2 本工程主要構(gòu)筑物

圖1 工藝流程圖

主要設(shè)備有提升泵、潛污泵、反沖洗泵、羅茨風(fēng)機(jī)、PAC加藥裝置、PAM加藥裝置、加堿裝置、清毒加藥裝置、PLC控制柜、PAM計(jì)量泵、泵PAC計(jì)量泵、加堿泵、錳砂過濾器、活性炭過濾器、微孔曝氣器、壓濾機(jī)、壓濾機(jī)專用泵。

3 礦井廢水處理工藝

由于該研究區(qū)可采礦均屬于低灰-中灰，中硫-高硫煤。礦產(chǎn)資源開采后水質(zhì)變酸，且SS濃度高。根據(jù)環(huán)評(píng)資料數(shù)據(jù)并結(jié)合地質(zhì)周邊水質(zhì)情況，綜合考慮設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)見表1。由于本礦井廢水呈酸性，金屬元素的含量超標(biāo)，根據(jù)原水水質(zhì)采用初沉調(diào)節(jié)+中和+混凝沉淀（加PAC、PAM）+二級(jí)曝氣+二級(jí)錳砂過濾+活性炭吸附+消毒工藝對(duì)該礦廢水進(jìn)行處理。污泥采用濃縮+壓濾工藝處理。

表3 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)表

工藝流程見圖1。

主要構(gòu)筑物的作用及注意。

3.1 調(diào)節(jié)池

與城市污水相比，礦井廢水的水質(zhì)和水量波動(dòng)較大，需要調(diào)節(jié)池是廢水的水質(zhì)、水量趨于恒定，滿足后續(xù)處理設(shè)施穩(wěn)定連續(xù)工作的需要。同時(shí)，調(diào)節(jié)池還具有沉淀的功能，對(duì)不依賴藥劑即可沉淀的部份懸浮物進(jìn)行初步沉淀分離，從而降低后續(xù)工序負(fù)擔(dān)。礦井污水自井口排出后流入初沉調(diào)節(jié)池，在調(diào)節(jié)池中停留2h左右，進(jìn)行初步沉淀及水質(zhì)水量的調(diào)節(jié)。水位達(dá)到上限后，由泵提入曝氣池進(jìn)行后續(xù)處理。

3.2 中和工藝

在進(jìn)行藥劑的選擇時(shí)，主要考慮它本身的溶解性、反應(yīng)速率、成本、二次污染、使用方便等因素。蘇打、苛性鈉具有成分均勻，雜質(zhì)少，易于投加、儲(chǔ)存和運(yùn)輸，在水中溶解度高，反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格昂貴，工程中不適合于大量使用。石灰來源廣，價(jià)格便宜，在礦產(chǎn)工程施工中使用較多。投加藥劑有干法和濕法兩種方式。干法投加設(shè)備簡(jiǎn)單，藥劑的制備與投配容易，但反應(yīng)緩慢，中和藥劑用量大。實(shí)際工程中多采用濕投法，將石灰在溶解槽中制成濃度為40%～50%的乳液，最后可通過加藥泵投加。

在酸性礦井廢水中含有大量的Fe2+、SO42-離子，而實(shí)際水樣中以FeSO4的形式存在的。根據(jù)水解聚合理論，水解階段、聚合階段、凝膠-沉淀生成三個(gè)階段為鐵離子水溶解聚合反應(yīng)的三個(gè)階段過程。影響沉淀效果的主要因素為加堿的方式，加堿方式不同會(huì)導(dǎo)致水解中間產(chǎn)物的不同。FeSO4的水解將產(chǎn)生H2SO4，使水質(zhì)pH值下降，但該反應(yīng)是少量的、動(dòng)態(tài)的。如果大量、快速地加入堿，OH-更多地會(huì)被Fe2+結(jié)合，生成Fe（OH）2和Fe（OH）3混合沉淀（灰綠色）。此時(shí)，若需要調(diào)節(jié)酸性水的pH值，必須采用加堿泵微量滴堿法，在緩慢地滴加燒堿時(shí)加以攪拌。

3.3 酸性礦山廢水治理技術(shù)

由于鐵在不穩(wěn)定二價(jià)時(shí)不能完全與中和堿反應(yīng)，且Fe（OH）2的沉降性并不好。因此需通過曝氣強(qiáng)制氧化成穩(wěn)定的Fe3+，F(xiàn)e（OH）2經(jīng)曝氣氧化后生成Fe（OH）3該物質(zhì)為一良好的混凝劑，能吸附MnO2，經(jīng)過下續(xù)反應(yīng)器的沉淀和過濾，從而去除掉Mn、Fe等金屬離子過去在治理酸性礦山廢水時(shí)，曾采用過化學(xué)方法、物理化學(xué)方法和生物化學(xué)方法等多種技術(shù)手段，大多由于投資、處理量、成本等原因，難以進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

在本文試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，借鑒了其他行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，推薦改造選礦流程和幾種添加堿性緩蝕劑中和的治理技術(shù)，以便既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的對(duì)酸性廢水進(jìn)行治理。

4 添加石灰石或石灰乳進(jìn)行中和

在酸性廢水中添加石灰或石灰乳是一種傳統(tǒng)的酸性廢水治理方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)酸性廢水的濃度、水量和排放點(diǎn)的適應(yīng)性較強(qiáng)，但治理成本高，沉渣多且難處理。因此，該方法應(yīng)用于廢水排放量小、濃度不穩(wěn)定及要求水循環(huán)利用率高的情況。

例如，向山硫鐵礦將pH值為3～4、流量約4000m3/d的礦坑酸性水，揚(yáng)送到選礦廠上部的高位水池，再流入中和池，加入pH值為12～14的石灰乳，用量0.8kg/m3～1.5kg/m3，可將廢水pH值調(diào)整為8～9，直接供選礦廠使用。

4.1 混凝工藝

礦井水是一種含各種懸浮物、膠體和溶解物等雜質(zhì)的水體，當(dāng)向礦井水中投加混凝劑后，通過混凝劑水解物壓縮膠體顆粒擴(kuò)散層，使膠粒脫穩(wěn)而相互聚結(jié)（或通過混凝劑的水解或縮聚反應(yīng)而形成高聚物的強(qiáng)烈的吸附架橋作用，使膠粒被吸附粘結(jié)）。經(jīng)過聚凝和絮凝兩個(gè)階段，由形成的較小微粒變成較大的絮粒。在絮粒形成過程中，不但能吸附懸浮顆粒，還能吸附部分細(xì)菌及溶解物質(zhì)。絮粒能在一定的沉淀?xiàng)l件下從水中分離、沉降出來，從而達(dá)到去除懸浮物和其它污染物的目的。

4.2 PAM絮凝工藝

PAM作為一種高分子絮凝劑主要是利用其水解后在水中的網(wǎng)狀分子將水體中的懸浮物聚集加速其沉淀。

本設(shè)計(jì)擬采用加藥機(jī)將PAM溶解調(diào)配后由計(jì)量泵泵入反管道混合器中使其產(chǎn)生絮凝。

4.3 沉淀池選型

污水懸浮物的分離可利用其與水的密度差可實(shí)現(xiàn)，當(dāng)懸浮物的密度大于水的密度時(shí)，在重力作用下，懸浮物下沉形成沉淀物。在工程中常用的沉淀池有平流沉淀池和斜管沉淀池。

平流沉淀池特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于施工；操作管理方便；對(duì)原水濁度適應(yīng)性強(qiáng)，潛力大，處理效果穩(wěn)定；管理方便，可筑于地面，也可筑于地下。但占地面積較大。

斜管沉淀池特點(diǎn)：斜管沉淀是根據(jù)淺池沉淀理論設(shè)計(jì)出來的一種新型沉淀池。斜管沉淀池具有去除效率高、停留時(shí)間短、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。但單位面積上的泥量增加，如排泥不暢，將產(chǎn)生反泥現(xiàn)象，使出水水質(zhì)惡化；斜管在上部陽光的照射下會(huì)滋生大量的藻類；停留時(shí)間短，其緩沖能力差，同時(shí)對(duì)混凝要求高；維護(hù)管理較難，使用一段時(shí)間后需要更換斜板。

二者的選擇可根據(jù)實(shí)際情況而定，當(dāng)處理廠的占地使用有限時(shí)優(yōu)先考慮斜管沉淀池。本工程綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)條件后選用斜管沉淀池。

4.4 過濾工藝

本設(shè)計(jì)方案采用一級(jí)錳砂過濾+活性炭吸附的過濾方式，對(duì)二次沉淀池出水進(jìn)行深度處理，以去除水體中的細(xì)小懸浮物，同時(shí)限制金屬元素等物質(zhì)含量，使出水達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。過濾器出水排入清水池清毒后供回用，多余部份自動(dòng)溢流外排。

過濾器截留懸浮物至一定程度后，過濾阻力逐步提高，截污能力下降，過濾器需進(jìn)行反沖洗，反沖水排入污泥濃縮池。

4.5 污泥處理工藝

系統(tǒng)污泥均排入污泥系統(tǒng)集中處理，污泥系統(tǒng)由污泥濃縮池、上清液回溝管、污泥泵、壓濾機(jī)構(gòu)成。

含水污泥進(jìn)入污泥濃縮池過程中，根據(jù)污泥特性投加PAM輔助污泥沉淀，上清液經(jīng)管道自流排入沉淀池進(jìn)水槽，濃縮污泥經(jīng)污泥泵抽取至壓濾機(jī)脫水后泥餅摻入原礦銷售。

污染物去除效率。

污水經(jīng)本污水處理站的處理后，pH從4.0提升到6以上，SS從600mg/L降至50mg/L，COD從130mg/L降至15mg/L，F(xiàn)e從60mg/L降至0.3mg/L，Mn從1.0mg/L降至0.1mg/L，具體見表4。

表4 本工程處理效率表

5 結(jié)論

污水通過本工藝處理，主要污染物去除率在90%以上，達(dá)到回用與排放的要求。礦井污水進(jìn)過處理后不僅減少礦井廢污水排放，有效改善當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)還給礦產(chǎn)企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)利益、環(huán)境效益以及社會(huì)效益。

經(jīng)濟(jì)方面：礦井污水進(jìn)處理后大部分回用，不僅約大量排污費(fèi)、避免罰款，提高了廢水綜合利用效率，還降低了企業(yè)的生產(chǎn)用水成本；環(huán)境方面：確保了排水不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，既提升了礦區(qū)環(huán)境，又保護(hù)了礦區(qū)及礦區(qū)周圍地下水等不受污染；社會(huì)效益方面，礦產(chǎn)開采后污水再利用符合國(guó)家環(huán)保政策，也是社會(huì)與企業(yè)自身可持續(xù)發(fā)展的重要保障，做好此項(xiàng)工作可以有效提升企業(yè)的社會(huì)形象。