CN100425551C

CN100425551C - 一种矿区酸水的源头治理方法

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Publication number: CN100425551C
Application number: CNB2006100962191A
Authority: CN
Inventors: 金松; 陈琪; 汪家权
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology; Hefei Polytechnic University
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: CN1931740A

Abstract

一种矿区酸水的源头治理方法，是指用微生物治理矿区自然生成的酸水，具体方法是在将要流经金属硫化物矿区的地表或地下的来水中或/和已经流经金属硫化物矿区的地表或地下的出水中添加硫酸根还原菌或/和富含硫酸根还原菌的厌氧环境物质及其营养有机物。首次添加时维持水中硫酸根还原菌菌群浓度2000～1000000个/ml，并选择添加营养有机物碳、氮、磷供菌群繁殖，使最后流出矿区的水pH6～8。本方法从源头上根治了矿区酸水的形成，对已生成的酸水pH值可自2升高至7.5，并至少保持1～2年稳定的中性范围，重金属含量可下降最低至零，彻底解决了矿区酸水的污染问题。

Description

一种矿区酸水的源头治理方法

一、技术领域

本发明涉及一种污染物的处理方法，特别涉及一种酸水的处理方法，确切地说是一种矿区酸水的源头治理和预防方法。

二、背景技术

酸水是一种污染物，有工业过程中排放的酸水，或者因排放的酸性氧化物导致的酸雨，这类酸水的治理已被广泛研究并付诸实践。此外还有自然过程中生成的酸水，如水流经金属硫化物的矿区、矿石或矿渣后就形成了酸水，称矿区酸水(Acid Mine Drainage，简称AMD)。在自然界中金属硫化物的矿物质很多，铁、镉、锰、铜、铋、锑、银、砷等都能与硫生成硫化物矿，如黄铁矿、硫锰矿、硫镉硫、硫银矿、辉锑矿、辉铜矿、辉铋矿、辉钼矿、辉银矿等等，而人类的开采活动又大大加剧了AMD的排放量和影响范围，这也是人类活动影响环境的典型例证之一。随着科学技术和人类文明的进步，AMD的危害及其治理的紧迫性已为愈来愈多的人所认识。

AMD形成的原因是金属硫化物与水中的溶解氧(dissolved oxygen简称DO)发生了氧化-还原反应，硫被氧化生成硫酸，使水呈强酸性(pH＝2)。以黄铁矿(FeS₂)为例，这一化学过程可用以下简式表示：

FeS₂+14Fe⁺³+8H₂O→15Fe⁺²+2SO₄ ^-2+16H⁺

AMD可溶解许多重金属使之变为对人类和环境最具毒害的自由离子状态，造成二次污染。AMD流经的地区寸草不生，动物绝迹。若污染了饮用水，则重金属毒害将导致各种慢性病、怪病、癌症乃到死亡等严重恶果。

目前AMD的治理技术包括碱中和、湿地、生物反应器、生物反应池、化学反应池、膜过滤等均是针对已经形成并流出的酸水，因此属被动和尾端治理。鉴于金属硫化物是AMD的源头物质，或者说，金属硫化物矿区、矿石、矿渣等是AMD的源头所在，因此被动治理面对的几乎是无限量的酸水、无限长的周期和无底洞的费用，而且是无法克服的。此外被动治理的装置大多是露天设施，受四季和气候变化等环境因素的影响较大，会造成额外的技术故障，因此被动治理的运行效果也是不稳定的。

三、发明内容

本发明针对AMD被动治理技术的缺陷而开展的实验研究，旨在提供一种从源头上根治AMD的处理方法，所要解决的技术问题是抑制、避免AMD的生成。

在含有金属硫物的矿区，即使是正在开采的也有相当部分被称之为“矿藏”的埋于地下，其生成AMD缘于地下水系(包括由地表渗入的)，包括流入和流出；矿藏被开采、选矿后的矿石、矿渣则堆集在地面，其生成AMD缘于地表水，亦包括流入和流出。所述的流入是指将要流经源头物质(金属硫化物)的来水。所述的流出是指已经流过源头物质的出水，出水就是AMD。

本发明所称的“源头治理”是相对于现有的尾端治理而言的，是对围绕着源头物质的来水和出水所进行的治理，包括地下和地表AMD的治理。地下AMD的治理得益于现代物理勘探手段的进步，如电磁勘探(Electro Magnetic，简称EM)等，可以清楚地探明流经矿区的地下水系的分布和走向，即来水和出水的分布、走向。

本发明的思路是通过硫酸根还原菌为主要菌群的微生物(sulfate-reducing Bacteria，简称SRB)的生化作用以抑制、避免AMD的生成。硫酸根还原菌是存在于自然界中的一种厌氧微生物，如污水处理厂的污泥、江、河、湖、沟、渠、塘等的淤泥以及湿地等之类厌氧环境物质中都有硫酸根还原菌为主要菌群的微生物，在本发明中就称该物质为富含硫酸根还原菌的厌氧环境物质。此外，硫酸根还原菌也可以发酵培养，人工培育得到的可以是纯种或混合种群的硫酸根还原菌，在本发明中统称硫酸根还原菌，其来源广泛。

本发明所称的源头治理是使用微生物进行治理，亦称“微生物源头治理”(BiologicalSource Treatment)，可简称BST。

本治理方法包括查明水系、水分析和添加微生物。查明水系是指用物理勘探的手段查明来水和出水的分布和走向及其确定范围内的水量；水分析是指用常规的化学和生物方法分析来水特别是AMD中酸度、硫酸根、重金属、溶解的总有机碳、氮、磷的含量以及硫酸根还原菌的浓度和活性等，为首次添加微生物及其营养有机物提供依据；所述的添加微生物是指在将要流经金属硫化物矿的来水中或/和已经流经金属硫化物矿的出水中添加硫酸根还原菌或/和富含硫酸根还原菌的厌氧环境物质及其营养有机物。

由于金属硫化物矿的品种不同、各地的地理环境也不相同、地表、地下的地质条件以及水源、水质、AMD各参数等均不相同，使得处理AMD所需的菌群数及其营养有机物也不尽相同，但实验证明，首次添加时硫酸根还原菌在水中的菌群浓度为2000～1000000个/ml，营养有机物按C∶N∶P＝10∶0.2～6.0∶0.02～2.0的摩尔比选择添加，在运行过程中以最后流出矿区的水pH6～8为准调整、确定最佳菌群浓度及其营养有机物。

所述的富含硫酸根还原菌的厌氧环境物质选自污水处理厂的污泥、江、河、湖、沟、渠塘等的淤泥、湿地泥等中一种或两种以混合泥。若上述厌氧环境物质中菌群浓度不足时，则可添加人工发酵培养的硫酸根还原菌。

所述的营养有机物除了可以用公知的富含碳、氮、磷的化学肥料或化学试剂配制外，还可以用富含有机碳、氧、磷的废水、废渣配制，如食品厂、糖果厂、味精厂、乳制品厂、纸浆厂等排放的废水、废渣等配制。

对矿区内堆集在地表面的金属硫化物矿石、矿渣其添加的方法是在其来水或/出水流经的路上分别设置或者同时设置由富含硫酸根还原菌的厌氧环境物质或/和硫酸根还原菌及其营养有机物组成的生化处理池，雷同人工营造的一块“湿地”，对来水和出水分别处理或者依次处理，使最后流出矿堆的水pH6～8。

对矿区内地下金属硫化物矿其添加的方法是在探明地下来水或/和出水分布和走向并计算出总水量的基础上选点钻井(孔)，灌注或加压灌注硫酸根还原菌或/和富含硫酸根还原菌的厌氧环境物质及其营养有机物，对浅表水系，还可以挖掘沟壕，在沟壕内填装富含硫酸根还原菌的厌氧环境物质或/和硫酸根还原菌及其营养有机物，对来水和出水分别处理或者依次处理，使最后流出矿区的水pH6～8。

本方法对来水可抑制AMD的生成、对出水可降低其酸性，其原因在于，首先微生物的化学趋向性对SRB而言使之有趋向、并附着于源头物质如黄铁矿上，在营养充足的条件下迅速形成膜状菌落(又称生物膜)构成阻档层将DO拒之门外；其次，SRB的代谢过程具有强烈的还原性，会消耗DO。在酸性条件下SRB的代谢过程会消耗质子，使pH值升高，硫酸根作为电子受体被还原，用以下反应式表示：

2CH₃ChOHCOO^-+3SO₄ ^-2+2H⁺→6HCO₃ ^-1+3H₂S

代谢生成的H₂S与水中溶解的Fe、Cu、Zn、Ni、Pb、Cr、Hg等生成沉淀，同时清除了H₂S和重金属。此外，这些沉淀又与SRB的细胞外组分互相缠结形成稳定的结构，同时使SRB更具还原性进一步消耗水中的DO。SRB的繁殖、代谢还会消耗水中的有机物，使水的COD和BOD得以降低。

本治理方法从源头上根治了AMD的形成，对已生成的AMD pH值可自2升高至7.5，并保持至少1-2年稳定在中性范围，重金属的含量可下降最低至0，彻底解决了AMD问题。

本治理方法所使用的大多属其他领域的废料，不仅解决了AMD问题同时还解决其他领域的废水、废渣问题。

四、具体实施方式

现以铜矿为例，非限定实施例叙述如下：

该铜矿有地表、地下水系流入矿区，下游的出水口多处，均呈强酸性(pH＜3.0)，并富含重金属包括铜、铁、铅、锌、镍、汞等。

BST按如下步骤进行

1、用电磁勘探(EMlectromagnetic Survey，EM)技术进行现场勘探，确定来水和出水的分布与走向。并根据其范围(长、宽、深度)计算出源头的总水量V。

2、现场水样采集，实验室分析酸度，重金属含量、硫酸根、总溶解有机碳(DOC)，总氮(N)、总磷(P)和SRB的浓度和活性。测试采用常规的化学和生物分析法。

测定DOC、N和P旨在据C∶N∶P＝10∶0.2～6.∶0.02～2.0计算确定是否添加或添加多少营养有机物。比如计算结果需要添加1000公斤的溶解有机C(DOC)作为底物，而选择的废料附近是一家味精厂的高浓度废水，其中DOS含量是10％，则总共需要的废水量为1000/10％＝10000升。余类推。

测定SRB菌群浓度和活性旨在确定第一次要添加多少SRB或/和SRB厌氧环境物质使SRB菌群浓度满足2000～100000个/ml。

3、AMD治理：

(1)、对堆集的铜矿石、铜矿渣来水或出水的治理

在矿堆来水和出水流径的途中各挖掘一生化处理池，该池与水流方向垂直，在保证进、出平衡的前提下，根据水量大小确定生化池的大小，使水在池中有足够的滞留时间。滞留时间由排出的水的pH和重金属含量是否达标试验确定。

向池中装填生活污水处理厂活性污泥，若污泥中SRB不足，可添加人工培育的SRB，使污泥中SRB菌群浓度达10000～20000个/ml，同时添加营养有机物使C∶N∶P＝10∶1∶0.3(摩尔比)。

随机取样分析处理后的AMD，使pH7.5，各重金属含量符合国家排放标准。

(2)、对地下铜矿来水或出水的治理

根据电磁勘探得知的来水和出水的走向，选2～5个点采用常规钻井或更简便的高压地质直接钻孔(GeoProbe Direct Push)。

根据水量和水样分析数据确定添加SRB和营养有机物的量，用加压注入法向孔(井)中注入SRB或/和富含SRB的厌氧环境物质以及营养有机物，使SRB菌群浓度达10000～20000个/ml，C∶N∶P＝10∶1∶0.3(摩尔比)。或者抽出地下来水或出水在容器中混入SRB或/和富含SRB的厌氧环境物质以及营养有机物使SRB菌群浓度达10000～20000个/ml、C∶N∶P＝10∶1∶0.3时再加压注入孔(井)内。

对浅表地下水系，可在距来水或出水20～30米处挖掘沟壕，向沟壕内填装富含SRB的厌氧环境物质，如活性污泥等，若污泥中SRB菌群浓度不足则可添加人工培育的SRB，使污泥中SRB菌群浓度达10000～20000个/ml，同时添加营养有机物使C∶N∶P＝10∶1∶0.3(摩尔比)。

Claims

1、一种矿区酸水的源头治理方法，包括用物理勘探查明来水和出水的分布、走向及其水量和用化学和生物法分析水质以及添加微生物，其特征在于：所述的添加微生物是指在将要流经金属硫化物矿的来水中或/和已经流经金属硫化物矿的出水中添加硫酸根还原菌或/和富含硫酸根还原菌的厌氧环境物质及其营养有机物；首次添加时维持水中硫酸根还原菌菌群浓度2000～1000000个/ml，营养有机物按C∶N∶P＝10∶0.2～6.0∶0.02～2.0的摩尔比选择添加，使最后流出矿区的水pH为6～8。

2、根据权利要求1所述的治理方法，其特征在于：所述的富含硫酸根还原菌的厌氧环境物质选自污水处理厂的污泥、江、河、湖、沟、塘的淤泥、湿地泥中的一种或两种以上混合物质。

3、根据权利要求1或2所述的治理方法，其特征在于：所述的营养有机物选自富含有机碳、氮、磷的肥料或/和化学试剂、或/和废水、废渣。

4、根据权利要求1所述的治理方法，其特征在于：对矿区内堆集的矿石、矿渣其添加方法是在来水或/和出水流经的路上分别设置或者同时设置由富含硫酸根还原菌的厌氧环境物质或/和硫酸根还原菌及其营养有机物组成的生化处理池，使最后流出矿堆的水pH为6～8。

5、根据权利要求1所述的治理方法，其特征在于：对矿区内地下矿物其添加方法是在来水或/和出水的路经上选点钻井或孔，灌注或加压灌注硫酸根还原菌或/和富含硫酸根还原菌的厌氧环境物质及其营养有机物；或者抽出地下水，混合硫酸根还原菌或/和富含硫酸根还原菌的厌氧环境物质及其营养有机物后再灌回，使最后流出矿区的水pH为6～8。

6、根据权利要求1或5所述的治理方法，其特征在于：对浅表地下水系的添加方法是在来水或/和出水的路径上挖掘沟壕，在沟壕内装填富含硫酸根还原菌的厌氧环境物质或/和硫酸根还原菌及其营养有机物使最后流出矿区的水pH为6～8。