CN104649520A - 一种酸性矿山废水处理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种酸性矿山废水处理系统，包括按照水流方向排列的石灰石沟、沉淀池和潜流堆肥湿地，所述潜流堆肥湿地包括厌氧池(2)和石灰石床(5)；所述厌氧池(2)内填充堆肥(3)，厌氧池(2)与石灰石床(5)相互隔开并且厌氧池(2)的底部与石灰石床(5)相通，石灰石床(5)上覆盖一层有机基质层(6)，有机基质层(6)上种植有湿地植物(7)。本处理系统结构简单，建造成本低，经济有效，维护简单。本发明还公开了一种酸性矿山废水处理系统的处理方法，本处理方法通过定期补充或替换有机基质，系统可长期、有效地降低AMD中的酸度和重金属含量。
Description
技术领域
本发明涉及酸性废水的净化技术，具体涉及一种酸性矿山废水处理系统及方法。
背景技术
我国南方金属矿产资源丰富，金属矿的开采导致大量酸性矿山废水(AMD)的产生。AMD的pH低、重金属含量高，未经处理的AMD进入周边水体，导致水体生态退化，重金属污染扩散。受此影响，AMD污染河流水体沿岸及其灌溉区农田土壤pH下降，重金属含量超标，使农产品产量、质量下降，并威胁人体健康。修复AMD及其污染水体对生态环境与农业生产保护具有重要意义。
为了克服AMD的污染问题，化学中和技术是目前应用最为广泛的酸性废水处理技术，但是此处理技术存在如下技术缺陷：需要持续地投加碱性物质，运行、维护成本高，并产生大量富含重金属的污泥。
“被动(Passive)”处理技术具有运行、维护成本低，环境友好的特点。AMD的处理适合采用堆肥湿地等基于有机基质的被动处理技术。但是传统堆肥湿地是一种表面流湿地，传统堆肥湿地存在如下技术缺陷：酸性废水不能与其底部的有机基质、碱性物质充分接触，酸度与金属的去除效率较低。
垂直流的堆肥湿地解决了传统堆肥湿地的技术问题，但是垂直流的堆肥湿地存在如下技术缺陷：建造成本高，处理Fe、Al含量高的AMD会产生堵塞问题，并且需要较专业的维护。
发明内容
本发明所要解决的技术问题提供了一种酸性矿山废水处理系统，本处理系统结构简单，建造成本低，经济有效，维护简单。
本发明还提供了一种酸性矿山废水处理系统的处理方法，本处理方法通过定期补充或替换有机基质，系统可长期、有效地降低AMD中的酸度和重金属含量。
本发明解决上述技术问题的方案如下：
一种酸性矿山废水处理系统，包括按照水流方向排列的石灰石沟、沉淀池和潜流堆肥湿地，所述潜流堆肥湿地包括厌氧池(2)和石灰石床(5)；所述厌氧池(2)内填充堆肥(3)，厌氧池(2)与石灰石床(5)相互隔开并且厌氧池(2)的底部与石灰石床(5)相通，石灰石床(5)上覆盖一层有机基质层(6)，有机基质层(6)上种植有湿地植物(7)。
所述潜流堆肥湿地的进水口位于厌氧池(2)的顶部，潜流堆肥湿地的排水口与有机基质层(6)位于同一高度，整个潜流堆肥湿地的水位都与石灰石床平齐。
所述石灰石沟宽0.2m～1m、深0.3m～1.0m，长度则由水力负荷决定，石灰石粒径5cm～10cm。沉淀池的长宽比为2～4，深0.5m～1m。
所述潜流堆肥湿地长5m～8m、深0.8m～1.2m，宽则由处理负荷决定。厌氧池(2)的体积占潜流堆肥湿地总体积的比例为10％～30％，堆肥(3)为植物废料堆肥。
所述石灰石床(5)的深度比厌氧池(2)的深度大20cm～40cm。
所述有机基质层(6)厚10cm～20cm。
所述湿地植物(7)为香蒲，并间套种Cd/Zn超富集植物，强化系统对重金属Cd、Zn的去除。
所述Cd/Zn超富集植物为东南景天。
上述酸性矿山废水处理系统的处理方法，包括如下步骤：
(1)酸性矿山废水进入石灰石沟进行中和，促进Fe、Al的氧化与水解，实现AMD的初步净化，废水在石灰石沟中的停留时间为2～4h，此2～4h之内酸性废水的中和是快速、高效的，当pH>5后，酸性废水与石灰石的中和效率极大下降，废水进入沉淀池；
(2)沉淀池分离废水中的不溶性重金属，废水在沉淀池里的停留时间为1～3h，使水中的金属沉淀物得到沉降，避免其进入潜流堆肥湿地；
(3)然后废水进入厌氧池，废水在厌氧池内垂直向下流过堆肥，堆肥对重金属产生吸附、离子交换和有机络合作用，堆肥降解形成的厌氧环境促进微生物的硫酸还原过程，产生碱度并使重金属以硫化物的形式沉淀；
(4)废水进入石灰石床，pH得到进一步提升，并且部分金属以碳酸盐、氢氧化物形式沉淀；石灰石床表面的有机基质层及湿地植物对重金属产生吸附与吸收作用，进一步提高出水水质；废水在厌氧池和石灰石床的总停留时间为1.5d～2.5d。
所述有机基质层的成分为泥炭土和堆肥，其中堆肥的体积占10-30％。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
本发明的酸性矿山废水处理系统及其处理方法，建造成本低，维护简单，可有效降低AMD中的酸度和重金属。石灰石沟预处理可防止低pH对厌氧池中微生物的生长产生不利影响，降低堆肥湿地的金属处理负荷。堆肥集中放置在湿地前端的厌氧池，使堆肥的补充或更换变得灵活方便，堵塞问题也可通过翻动或松动厌氧池堆肥而解决。石灰石床表面的有机基质层使石灰石床成为一个密封体系，促进石灰石床中碱度的产生。潜流式的设计使湿地植物和超富集植物的根系吸收对出水水质的提高有着更为直接、重要的作用。本处理系统通过堆肥的更换就可使系统长期有效地运行，从而经济有效地保障矿区农田灌溉水安全。
附图说明
图1为本发明的酸性矿山废水处理系统流程图。
图2为本发明的潜流堆肥湿地剖面结构图。
图3为AMD原料池、石灰石沟、潜流堆肥湿地中的水体的pH检测值曲线图。
图4为AMD原料池、石灰石沟、潜流堆肥湿地中的水体的Zn含量检测值曲线图。
图5为AMD原料池、石灰石沟、潜流堆肥湿地中的水体的Cd含量检测值曲线图。
图6为AMD原料池、石灰石沟、潜流堆肥湿地中的水体的Pb含量检测值曲线图。
图3-图6中，各个曲线的对于关系为：
AMD 石灰石沟 潜流堆肥湿地
正方形点表示检测水样取自AMD原料池，
三角形点表示检测水样取自石灰石沟，
菱形点表示检测水样取自潜流堆肥湿地。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种酸性矿山废水处理系统，包括按照水流方向排列的石灰石沟、沉淀池和潜流堆肥湿地，如图2所示，所述潜流堆肥湿地包括厌氧池2和石灰石床5；所述厌氧池2内填充堆肥3，厌氧池2与石灰石床5相互隔开并且厌氧池2的底部与石灰石床5相通，石灰石床5上覆盖一层有机基质层6，有机基质层6上种植有湿地植物7。
所述潜流堆肥湿地的进水口位于厌氧池2的顶部，潜流堆肥湿地的排水口与有机基质层6位于同一高度，整个潜流堆肥湿地的水位都与石灰石床平齐。
所述石灰石沟宽0.6m、深0.6m，长度则由水力负荷决定，石灰石粒径5cm～10cm。沉淀池的长宽比为3，深0.8m。
所述潜流堆肥湿地长7m、深1m，宽则由处理负荷决定。厌氧池2的体积占潜流堆肥湿地总体积的比例为20％，堆肥3为植物废料堆肥。
所述石灰石床5的深度比厌氧池2的深度大30cm，石灰石床5的石灰石部分延伸到厌氧池2的堆肥3下方。
所述有机基质层6厚15cm。
所述湿地植物7为香蒲，并间套种东南景天，强化系统对重金属Cd、Zn的去除。
上述酸性矿山废水处理系统的处理方法，如图1所示，包括如下步骤：
(1)酸性矿山废水进入石灰石沟进行中和，促进Fe、Al的氧化与水解，实现AMD的初步净化，废水在石灰石沟中的停留时间为3h，此3h之内酸性废水的中和是快速、高效的，当pH>5后，酸性废水与石灰石的中和效率极大下降，废水进入沉淀池；
(2)沉淀池分离废水中的不溶性重金属，废水在沉淀池里的停留时间为2h，使水中的金属沉淀物得到沉降，避免其进入潜流堆肥湿地；
(3)然后废水进入厌氧池，废水在厌氧池内垂直向下流过堆肥，堆肥对重金属产生吸附、离子交换和有机络合作用，堆肥降解形成的厌氧环境促进微生物的硫酸还原过程，产生碱度并使重金属以硫化物的形式沉淀；
(4)废水进入石灰石床，pH得到进一步提升，并且部分金属以碳酸盐、氢氧化物形式沉淀；石灰石床表面的有机基质层及湿地植物对重金属产生吸附与吸收作用，进一步提高出水水质；废水在厌氧池和石灰石床的总停留时间为2d。
所述有机基质层的成分为泥炭土和堆肥，其中堆肥的体积占20％。
为了证实本酸性矿山废水处理系统的处理效果，进行如下模拟实验1：
石灰石沟用PVC管模拟建立。PVC管的尺寸按照比例缩小，PVC管内填充石灰石，在PVC管的两端装上弯头，弯头的另一端垂直向上，使水能完全浸没管内的石灰石，PVC管两端弯头的外侧开一个孔，分别作为进水口和出水口。
潜流堆肥湿地用塑料箱模拟建立。塑料箱的尺寸按照比例缩小，箱子内设置长15cm的分隔板，分隔板下端留有5cm高的空隙。隔离的小空间作为厌氧池，其底部填充石灰石至隔板下端，然后填充堆肥，堆肥的填充高度为20cm。隔板另一侧空间填充石灰石，石灰石床表面铺一层有机基质层，其上种植香蒲并套种东南景天。
用H2SO4配置AMD废水，其各个参数如下：pH 3.3、2mg/L Fe2+(FeSO4·7H2O)、8mg/L Fe3+(Fe2(SO4)3·xH2O)、25mg/L Zn(ZnSO4·7H2O)、0.3mg/L Pb(Pb(NO3)2)、0.1mg/L Cd(CdCl2·0.5H2O)、0.08mg/L Cu(CuSO4)。
模拟系统运行：在1000L的塑料箱中，每次配800L模拟AMD。AMD先进入石灰石沟，水力停留时间4h，然后进入潜流堆肥湿地系统，水力停留时间35h，经潜流堆肥湿地系统处理后排放。
处理系统对AMD的处理效果如图3-图6所示。
如图3所示：
AMD原料池的水样，pH为3.3左右，
石灰石沟的水样，pH上升至6.3左右，但75d后，其出水pH开始下降，128d后，其出水pH大幅下降，pH下降至4.5左右。原因是金属氧化物沉降在石灰石表面形成一层包膜(Armoring)，使石灰石的溶解速率下降，可通过提高石灰石沟的坡度(>12％)或周期性冲洗石灰石，就可有效解决石灰石的包膜问题，使pH值保持在6.3左右。
潜流堆肥湿地的水样，42d内，pH值不断缓慢上升，42d后，pH基本稳定在7左右，即为中性水。虽然128d之后，石灰石沟流过来的水pH值较低，但是潜流堆肥湿地有较强的酸缓冲能力，依然能保持pH值为7左右的出水。
如图4所示，
AMD原料池的水样，Zn含量为24mg/L左右。
石灰石沟的水样，前75d，Zn含量为18mg/L左右，75d之后，Zn含量为21mg/L左右，原因是石灰石沟去除Zn的效果受其酸中和能力影响。
潜流堆肥湿地的水样，75d之前，Zn含量为2mg/L以下，75d后，其出水的Zn含量略有波动，这主要受其进水(即石灰石沟出水)Zn含量上升所影响。
如图5所示，
AMD原料池的水样，Cd含量为105ug/L左右。
石灰石沟的水样，0-51d，Cd含量下降到28ug/L左右，51d之后，Cd含量上升到82ug/L左右，原因是石灰石沟去除Cd的效果受其酸中和能力影响。
潜流堆肥湿地的水样，前22d，其出水的Cd为0.5～2.0ug/L，之后，未检出Cd(检出限0.1ug/L)。
如图6所示，
AMD原料池的水样，Pb含量为200ug/L左右。
石灰石沟的水样，0-128d，Pb含量下降到30ug/L左右，128d之后，Pb含量上升到105ug/L左右，原因是石灰石沟去除Pb的效果受其酸中和能力影响。
潜流堆肥湿地的水样，未检出Pb(检出限1.0ug/L)。
综上所述，处理系统可有效地提升AMD的pH，去除AMD中的高毒性重金属(Cd、Pb)，去除相当高比例的Zn，保护水生生态环境与土壤环境，促进农业生产。
为了进一步证实本酸性矿山废水处理系统的处理效果，进行如下模拟实
验2：
好氧石灰石沟宽0.5m、深0.4m、长6m，沟内填充粒径为5cm石灰石(孔隙率42.6％)，填充高度为0.3m，水位与石灰石的填充高度平齐，酸性废水在沟内的停留时间约为4h。
石灰石沟的出水进入沉淀池，沉淀池长1m、宽0.5m、深0.5m，水深0.4m，停留时间为2h，出水进入潜流堆肥湿地。
潜流堆肥湿地长5m、宽2m、深1m。建造时，先在湿地的底部铺一层30cm厚的粒径为5cm石灰石，然后在距离进水口1m处放置分隔板4，分隔板4为一长2m、宽1m的具有足够韧性和强度的透明塑料板。将分隔板4固定好后，向其前端空间填充堆肥，建成厌氧池2，向其后端空间填充粒径为5cm石灰石，建成石灰石床5。石灰石床5的厚度为0.85m，厌氧池堆肥3的高度与石灰石床5基本平齐。分隔板4将整个湿地划分为前端的厌氧池和后面的石灰石床两大部分，使厌氧池的水只能向下流过堆肥，再通过其底部的石灰石层进入后面的石灰石床5。
石灰石床5建好后向其表面铺一层15cm厚的泥炭土层，形成有机基质层6，然后向有机基质层6中种植狭叶香蒲，狭叶香蒲的种植密度为0.5m×0.5m。
系统建成后，将酸性矿山废水引入系统，潜流堆肥湿地的有效体积按总体积的40％计算，水力停留时间设计为2d，则系统的水力负荷为2.2m3/d。
实验结果：
AMD原料池的水样各个参数为：pH 3.3、Zn 25mg/L、Cd 0.1mg/L、Pb 0.2mg/L。
系统运行3个月之后，系统排水口出水水样的各个参数如下：pH>7，Cd、Zn、Pb含量达到农业灌溉水的标准(Zn 2mg/L、Cd 0.01mg/L、Pb 0.1mg/L)。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (10)
1.一种酸性矿山废水处理系统，其特征在于：包括按照水流方向排列的石灰石沟、沉淀池和潜流堆肥湿地，所述潜流堆肥湿地包括厌氧池(2)和石灰石床(5)；所述厌氧池(2)内填充堆肥(3)，厌氧池(2)与石灰石床(5)相互隔开并且厌氧池(2)的底部与石灰石床(5)相通，石灰石床(5)上覆盖一层有机基质层(6)，有机基质层(6)上种植有湿地植物(7)。
2.根据权利要求1所述的一种酸性矿山废水处理系统，其特征在于：所述潜流堆肥湿地的进水口位于厌氧池(2)的顶部，潜流堆肥湿地的排水口与有机基质层(6)位于同一高度。
3.根据权利要求1所述的一种酸性矿山废水处理系统，其特征在于：所述石灰石沟宽0.2m～1m、深0.3m～1.0m，石灰石粒径5cm～10cm。
4.根据权利要求1所述的一种酸性矿山废水处理系统，其特征在于：所述潜流堆肥湿地长5m～8m、深0.8m～1.2m，厌氧池(2)的体积占潜流堆肥湿地总体积的比例为10％～30％，堆肥(3)为植物废料堆肥。
5.根据权利要求1所述的一种酸性矿山废水处理系统，其特征在于：所述石灰石床(5)的深度比厌氧池(2)的深度大20cm～40cm。
6.根据权利要求1所述的一种酸性矿山废水处理系统，其特征在于：所述有机基质层(6)厚10cm～20cm。
7.根据权利要求1所述的一种酸性矿山废水处理系统，其特征在于：所述湿地植物(7)为香蒲，并间套种Cd/Zn超富集植物。
8.根据权利要求7所述的一种酸性矿山废水处理系统，其特征在于：所述Cd/Zn超富集植物为东南景天。
9.根据权利要求1所述的一种酸性矿山废水处理系统的处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)酸性矿山废水进入石灰石沟进行中和，促进Fe、Al的氧化与水解，实现AMD的初步净化，废水在石灰石沟中的停留时间为2～4h，当pH>5后，废水进入沉淀池；
(2)沉淀池分离废水中的不溶性重金属，废水在沉淀池里的停留时间为1～3h，使水中的金属沉淀物得到沉降；
(3)然后废水进入厌氧池，废水在厌氧池内垂直向下流过堆肥，堆肥对重金属产生吸附、离子交换和有机络合作用，堆肥降解形成的厌氧环境促进微生物的硫酸还原过程，产生碱度并使重金属以硫化物的形式沉淀；
(4)废水进入石灰石床，pH得到进一步提升，并且部分金属以碳酸盐、氢氧化物形式沉淀；石灰石床表面的有机基质层及湿地植物对重金属产生吸附与吸收作用；废水在厌氧池和石灰石床的总停留时间为1.5d～2.5d。
10.根据权利要求9所述的一种酸性矿山废水处理系统的处理方法，其特征在于：所述有机基质层的成分为泥炭土和堆肥，其中堆肥的体积占10-30％。
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