CN105601051A - 一种基于生物成矿的酸性矿山废水处理系统和处理方法 - Google Patents

一种基于生物成矿的酸性矿山废水处理系统和处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于生物成矿的酸性矿山废水处理系统，包括进水端、调节单元、生物氧化成矿单元、石灰中和单元、石灰溶解单元、中和残渣回流单元和出水端，所述酸性矿山废水经调节单元调节pH至3.0后，依次进入生物氧化成矿单元和石灰中和单元进行处理，从而达到排放标准。采用本发明提供的系统和方法，可以实现酸性矿山废水体系的Fe2+在48-60小时可全部氧化完全，同时，次生铁矿物合成量可以提高30-60％，与常规的石灰中和处理工艺相比较，石灰的使用量减少30-50％。

Description

一种基于生物成矿的酸性矿山废水处理系统和处理方法
技术领域
本发明涉及一种废水的处理工艺，尤其是一种基于生物成矿的酸性矿山废水处理系统和处理方法。
背景技术
酸性矿山废水(AMD)是煤矿和各种金属矿在开采和利用过程中形成的一类酸性极强(pH2.0～3.5)，富含Fe、SO4 2-及多种重(类)金属离子(Cu、As等)的一类废水，其有效处理已经成为矿区生态环境综合治理的关键问题之一。目前，AMD的治理方法有中和法、硫化沉淀浮选法，人工湿地法、硫酸盐还原菌法等。然而，由于石灰来源广、价格低、石灰中和仍是世界上最常用的AMD处理方法，其工程使用率达到90％以上。当石灰将酸性矿山废水体系中和在pH约为7时，体系的Fe2+不能完全氧化，进而水解沉淀，换言之，体系Fe2+难以彻底去除，且此时部分类金属(例如，As)去除率也较差。
具体的，由于AMD中含有丰富的Fe3+的Fe2+，由于Fe(OH)2离子浓度积高于Fe(OH)3，所以为了有效提高后续中和环节过程总Fe的去除效率，在采用中和法处理AMD之前，常常需采用曝气供氧等方式将体系Fe2+氧化为Fe3+。然而，当体系pH＜4.0时，Fe2+非生物氧化过程却非常缓缓，进而大大限制了AMD的处理效率。
嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(A.ferrooxidans)能够在pH＜4.0的酸性条件下快速氧化Fe2+。硫杆菌生物氧化Fe2+与石灰中和相耦合的两段处理工艺在AMD处理领域亦呈现出一定的应用潜力。A.ferrooxidans酸性条件下氧化Fe2+至Fe3+常伴随黄铁矾、施氏矿物等次生铁矿物的合成。此类矿物能够有效的吸附、共沉淀去除酸性矿山废水中的重金属，而且相对于石灰中和法得到的铁的氢氧化物而言，施氏矿物与黄铁矾类物质等次生铁矿物沉降性能良好，易于沉淀，可以极大降低后续固液分离成本。可见，提高Fe2+生物氧化速率与体系总Fe沉淀效率(即提高次生铁矿物合成量)对有效处理AMD具有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种集预调理、生物氧化、石灰沉淀、沉淀物回流等各反应相结合的酸性矿山废水处理新方法。以期解决酸性矿山废水处理环节中亚铁氧化速率慢、次生铁矿物合成量低，中和沉淀毒渣直接无用外排等问题。
本发明提供的基于生物成矿的酸性矿山废水处理系统，包括，进水端；
调节单元，所述调节单元具有第一搅拌装置，所述调节单元连接至该进水端以接收初始废水，并利用石灰溶液将初始废水的pH调节至3.0，形成第一过程废水；
生物氧化成矿单元，所述生物氧化成矿单元中设置有第二搅拌装置和曝气装置，并接入能够氧化亚铁离子的微生物菌液，使得生物氧化成矿单元体系的菌密度为0.6×106cells/mL～6.0×106cells/mL，所述第二搅拌装置的搅拌速率为150r/min～180r/min，通过曝气装置使得体系溶解氧DO含量为1mg/L～4mg/L，水力停留时间40h～72h；所述生物氧化成矿单元连接至所述调节单元以接收调节单元处理后形成的第一过程废水，并处理该第一过程废水形成第二过程废水；
石灰中和单元，所述石灰中和单元连接至所述生物氧化成矿单元以接收生物氧化成矿单元处理后形成的第二过程废水，并调节第二过程废水的pH至7.0，形成排放水；
石灰溶解单元，用于溶解石灰形成石灰水溶液，并分别向所述调节单元和所述石灰中和单元提供石灰水溶液；
中和残渣回流单元，所述中和残渣回流单元用于将石灰中和单元中的残渣输送到生物氧化成矿单元；
出水端，连接至所述石灰中和单元以排放所述排放水。
优选地，所述第二搅拌装置的搅拌速率为160r/min，曝气装置的曝气量达到体系溶解氧DO含量为2mg/L～3mg/L，水力停留时间48h～60h。
优选地，所述能够氧化亚铁离子的微生物为嗜酸性氧化亚铁硫杆菌。
更优选地，所述嗜酸性氧化亚铁硫杆菌的菌密度为0.6×106cells/mL～6.0×106cells/mL。
本发明还提供了一种基于生物成矿的酸性矿山废水的处理方法，具体包括如下步骤：
S1：将酸性矿山废水收集到收集槽内；
S2：将S1收集到的酸性矿山废水由进水端加入到带有第一搅拌装置的调节单元，利用石灰溶液将pH调节至3；
S3：将S2处理后的酸性矿山废水，接入生物氧化成矿单元进行处理，所述生物氧化成矿单元中设置有第二搅拌装置与曝气装置，并接入能够氧化亚铁离子的微生物菌液，使得生物氧化成矿单元体系的菌密度为0.6×106Cells/mL～6.0×106Cells/mL，所述第二搅拌装置的搅拌速率为150r/min～180r/min，通过曝气装置使体系溶解氧含量为1mg/L～4mg/L，水力停留时间48h～72h；
S4：将S3处理后的酸性矿山废水，接入石灰中和单元，并经石灰中和单元调节pH至7，形成排放水，同时将石灰中和单元中的残渣，通过中和残渣回流单元输送到生物氧化成矿单元进行回流。
优选地，S3中，所述第二搅拌装置与所述曝气装置同时使用。
优选地，S3中，所述第二搅拌装置与所述曝气装置交替使用。
优选地，S3中，所述第二搅拌装置的搅拌速率为160r/min，曝气装置的曝气量达到体系溶解氧DO为2mg/L～3mg/L，水力停留时间60h。
本发明提供的基于生物成矿的酸性矿山废水的处理系统和方法，在传统的石灰中和酸性矿山废水处理方法中，引入微生物氧化体系亚铁离子，且在生物氧化亚铁前段设置了调节单元(调节体系pH～3)，这一调节单元的设置，将提高生物氧化成矿环节中次生铁矿物的合成效率及合成量；
并将石灰中和残渣(二水硫酸钙与铁氢氧化物的混合物)向生物氧化成矿单元的回流，回流的二水硫酸钙能够作为晶种刺激生物氧化成矿单元Fe2+的生物氧化与次生铁矿物的合成。是一种集预调理、生物氧化、石灰沉淀、中和残渣回流等各环节相结合的酸性矿山废水处理的新方法。
采用本发明提供的系统和方法，可以实现酸性矿山废水体系的Fe2+在48-60小时即可全部氧化完全，同时，次生铁矿物合成量可以提高30-60％，与常规的石灰中和处理工艺相比较，石灰的使用量减少30-50％。
附图说明
图1是本发明一种基于生物成矿的酸性矿山废水的处理工艺流程图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
酸性矿山废水是煤矿和各种金属矿在开采和利用过程中形成的一类酸性极强，pH2.0～3.5，富含Fe、SO4 2-及多种重(类)金属离子Cu、As等；酸性矿山废水中液相体系存在的Fe3+能够大大提高中和所需要石灰的用量。所以为了降低后续石灰用量，在石灰中和前段，促使体系Fe3+在微生物作用下生物合成次生铁矿物，酸性矿山废水体系pH常常在2-3之间。且中和残渣常常作为最终废物被处置，没有被看做一种有附加作用的资源。
针对该类酸性矿山废水，本发明提供了一种基于生物成矿的酸性矿山废水的处理系统，包括，进水端；
调节单元，所述调节单元包括第一搅拌装置，所述调节单元连接至该进水端以接收初始废水，并利用石灰溶液将初始废水的pH调节至3，形成第一过程废水；
生物氧化成矿单元，所述生物氧化成矿单元中设置有第二搅拌装置与曝气装置，并接入能够氧化亚铁离子的微生物(嗜酸性氧化亚铁硫杆菌)菌液，使得生物氧化成矿单元体系内菌密度为0.6×106cells/mL～6.0×106cells/mL，所述第二搅拌装置的搅拌速率为150r/min～180r/min，曝气装置的曝气量使得体系溶解氧含量维持在1mg/L-4mg/L之间，水力停留时间48h～72h；所述生物氧化成矿单元连接至所述调节单元以接收调节单元处理后形成的第一过程废水，并处理该第一过程废水形成第二过程废水；
石灰中和单元，所述石灰中和单元连接至所述生物氧化成矿单元以接收生物氧化成矿单元处理后形成的第二过程废水，并调节第二过程废水的pH至7，形成排放水；
石灰溶解单元，用于溶解石灰形成石灰溶解液，并分别向所述调节单元和所述石灰中和单元提供石灰溶解液；
中和残渣回流单元，所述中和残渣回流单元用于将石灰中和单元中的残渣输送到生物氧化成矿单元；
出水端，连接至所述石灰中和单元以排放所述排放水。
上述系统中，所述第二搅拌装置的搅拌速率也可以选择150r/min～180r/min内的任何速率，该区间的搅拌速率可保证，进入生物氧化成矿单元的亚铁离子充分氧化，而曝气装置的曝气量达到体系溶解氧DO在2mg/L～3mg/L为最佳使嗜酸性氧化亚铁硫杆菌菌种更好的繁殖和生长，水力停留时间也可选择40h～72h之间的任意时间，其中以48h～60h为最佳，第二搅拌装置与曝气装置可以同时使用增加处理效果，亦可以交替使用，这些改进能够很好的实现酸性矿山废水体系的Fe2+在48-60h即可全部氧化完全；
同时，上述石灰中和单元所得到的石灰中和残渣，即二水硫酸钙与铁氢氧化物的混合物，通过中和残渣回流单元全部回流到生物氧化成矿单元，回流的二水硫酸钙能够作为晶种刺激体系微生物氧化亚铁的能力，提高次生铁矿物的合成量，生物氧化单元中亚铁完全氧化后，体系所得残渣外排处置。
采用上述系统处理酸性矿山废水的处理方法，包括如下步骤：
将酸性矿山废水收集到收集槽内；
将上述收集到的酸性矿山废水由进水端加入到具有第一搅拌装置的调节单元，利用石灰溶液将pH调节至3；
将调节单元处理后的酸性矿山废水，接入生物氧化成矿单元进行处理合成次生铁矿物，所述生物氧化成矿单元中设置有第二搅拌装置与曝气装置，并接入有氧化亚铁硫杆菌，所述第二搅拌装置的搅拌速率为150r/min～180r/min，曝气量达到体系溶解氧DO的含量2mg/L～3mg/L，水力停留时间40h～72h，其中，第二搅拌装置与曝气装置同时使用或间隔使用皆可，只要将处理系统内的物质充分搅拌即可。
将生物氧化成矿单元处理后的酸性矿山废水，接入石灰中和单元，并经石灰中和单元调节pH至7，形成排放水，同时将石灰中和单元中的残渣，通过中和残渣回流单元输送到生物氧化成矿单元进行回流。
处理后的排放水的pH为7，可进行其他工业供水来使用。
以pH为2.50，亚铁浓度为8900mg/L，总铁浓度为9600mg/L的模拟酸性矿山废水为例，采用本发明提供的处理系统及方法进行处理，具体如下：
将该模拟酸性矿山废水加入到调节单元，在搅拌条件下利用石灰溶液将pH调节至3；将调节后的酸性矿山废水，接入生物氧化成矿单元进行处理合成次生铁矿物，所述生物氧化成矿单元中的嗜酸性氧化亚铁硫杆菌菌密度在2.0×106cells/mL到4.0×106cells/mL之间，第二搅拌装置与曝气装置同时使用，第二搅拌装置的搅拌速率为160r/min，曝气量达到体系溶解氧DO的含量为3mg/L，水力停留时间60h；随后接入石灰中和单元，调节pH至7，形成排放水，同时将石灰中和单元中的残渣，以24g/L的加入量，通过中和残渣回流单元输送到生物氧化成矿单元进行回流使用。
上述方法，由于将待处理的模拟酸性矿山废水先通过石灰溶液预处理，调节pH为3.0，再进入生物氧化成矿单元中通过嗜酸性氧化亚铁硫杆菌进行氧化，随后接入石灰中和单元调节pH到中性，并将中和残渣回流到生物氧化成矿单元再次使用，很好的保证了待处理的模拟酸性矿山废水体系内亚铁离子在60小时内即可氧化完全，次生铁矿物产量相对于未进行石灰溶液预处理调节处理的增加37％；同时，相对于未进行中和残渣回流的处理工艺，体系内次生铁矿物产量提高了80％。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，其保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种基于生物成矿的酸性矿山废水处理系统，其特征在于，包括，
进水端；
调节单元，所述调节单元具有第一搅拌装置，所述调节单元连接至该进水端以接收初始废水，并利用石灰溶液将初始废水的pH调节至3.0，形成第一过程废水；
生物氧化成矿单元，所述生物氧化成矿单元中设置有第二搅拌装置和曝气装置，并接入能够氧化亚铁离子的微生物菌液，使得生物氧化成矿单元体系的菌密度为0.6×106cells/mL～6.0×106cells/mL，所述第二搅拌装置的搅拌速率为150r/min～180r/min，通过曝气装置使得体系溶解氧DO含量为1mg/L～4mg/L，水力停留时间40h～72h；所述生物氧化成矿单元连接至所述调节单元以接收调节单元处理后形成的第一过程废水，并处理该第一过程废水形成第二过程废水；
石灰中和单元，所述石灰中和单元连接至所述生物氧化成矿单元以接收生物氧化成矿单元处理后形成的第二过程废水，并调节第二过程废水的pH至7.0，形成排放水；
石灰溶解单元，用于溶解石灰形成石灰水溶液，并分别向所述调节单元和所述石灰中和单元提供所述石灰水溶液；
中和残渣回流单元，所述中和残渣回流单元用于将石灰中和单元所得中和残渣输送到生物氧化成矿单元；
出水端，连接至所述石灰中和单元以排放所述排放水。
2.根据权利要求1所述的基于生物成矿的酸性矿山废水处理系统，其特征在于，
所述第二搅拌装置的搅拌速率为160r/min，曝气装置的曝气量达到体系溶解氧DO的含量2mg/L～3mg/L，水力停留时间60h。
3.根据权利要求1所述的基于生物成矿的酸性矿山废水处理系统，其特征在于，所述能够氧化亚铁离子的微生物为嗜酸性氧化亚铁硫杆菌。
4.根据权利要求3所述的基于生物成矿的酸性矿山废水处理系统，其特征在于，所述嗜酸性氧化亚铁硫杆菌的菌密度为2.0×106cells/mL～4.0×106cells/mL。
5.一种基于生物成矿的酸性矿山废水处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将酸性矿山废水收集到收集槽内；
S2：将S1收集到的酸性矿山废水由进水端加入到带有第一搅拌装置的调节单元，利用石灰溶液将pH调节至3；
S3：将S2处理后的酸性矿山废水，接入生物氧化成矿单元进行处理，所述生物氧化成矿单元中设置有第二搅拌装置与曝气装置，并接入能够氧化亚铁离子的微生物菌液，使得生物氧化成矿单元体系的菌密度为0.6×106Cells/mL～6.0×106Cells/mL，所述第二搅拌装置的搅拌速率为150r/min～180r/min，通过曝气装置使体系溶解氧含量为1mg/L～4mg/L，水力停留时间40h～72h；
S4：将S3处理后的酸性矿山废水，接入石灰中和单元，并经石灰中和单元调节pH至7，形成排放水，同时将石灰中和单元中的残渣，通过中和残渣回流单元输送到生物氧化成矿单元进行回流。
6.根据权利要求5所述的基于生物成矿的酸性矿山废水处理方法，其特征在于，S3中，所述第二搅拌装置与所述曝气装置同时使用。
7.根据权利要求5所述的基于生物成矿的酸性矿山废水处理方法，其特征在于，S3中，所述第二搅拌装置与所述曝气装置交替使用。
8.根据权利要求5所述的基于生物成矿的酸性矿山废水处理方法，其特征在于，S3中，所述第二搅拌装置的搅拌速率为160r/min，曝气装置的曝气量达到体系溶解氧DO的含量为3mg/L，水力停留时间48h～60h。
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