CN111943453A - 一种酸性煤矸石堆淋出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煤矸石堆淋出废水处理系统及方法，属于环境工程技术领域，所述系统包括集水池、分散碱性基质处理设备、沉淀池和人工湿地，所述方法为集水池收集酸性煤矸石堆的淋出废水，在沉淀池沉淀，上清液进入分散碱性基质处理设备后，利用氮气进行反冲洗，反冲洗产生的废水进入所述分散碱性基质处理设备旁设的沉淀池，在沉淀池中进行沉淀后上清液返回集水池重新进行处理，沉淀下来的泥渣脱水后填入煤矸石堆；经过废水处理设备处理后的废水进入人工湿地，在人工湿地中进一步去除水中的污染物后，回用，本发明成功解决了在连续运行过程中的填料堵塞的问题。

Description

一种酸性煤矸石堆淋出废水处理系统及方法
技术领域
本发明涉及环境工程技术领域，特别是涉及一种酸性煤矸石堆淋出废水处理系统及方法。
背景技术
我国煤炭保有储量中45.56％为晚古生代煤，其中50％为中高硫煤，因此，煤矿开采会产生大量含硫量较高的煤矸石，这些煤矸石在堆存过程中硫铁矿暴露于空气，在与降水接触时通过一系列化学与生物氧化反应，使得中性的水转变为低pH、高Fe、SO4 2-或者大量其他重金属离子存在酸性矿山淋出废水，此类废水污染成分复杂、水量波动大、难于控制等特点，若不经有效处理而任意排放，将严重污染地表水、地下水及土壤环境，威胁农作物、水生生物与人体健康。
中和法是目前处理酸性废水普遍的一种方法，将中和剂放入酸性废水，在中和剂的作用下处理酸性废水。石灰中和法是最常用的酸性矿山排水的治理方法。然而，大多数酸性矿山排水体系中含有较大量的Fe2+，由于Fe(OH)2离子浓度积远大于Fe(OH)3的离子浓度积，所以为了在近中性条件下使得铁离子完全沉淀而去除，在工程应用中通常在化学中和前段完成Fe2+氧化过程，完成Fe2+的氧化需要曝气设备，运行过程中需要消耗大量的电能。开放石灰沟、连续碱法等也是较常用的处理方法，这两种方法在连续运行过程中会产生填料的堵塞严重，造成处理效果下降甚至处理设备失去处理功能。而且，目前现有技术中对矸石山淋出废水的处理案例较少，很多都不做单独的处理，因为这种废水只有在下雨的时候才产生，一般不容易收集。
发明内容
本发明提供了一种酸性煤矸石堆淋出废水处理系统及方法，成功解决了在连续运行过程中的填料堵塞的问题。
本发明充分利用酸性煤矸石堆场的地形特点，不需要建设大量的处理构筑物，减少处理设备的建设成本与占地面积，利用氮气进行有效的曝气反冲洗措施，可以避免碱性材料在运行过程中堵塞问题，反冲洗产生的含有有机物反冲洗水为反应系统提供有机物质，消耗水体中的溶解氧，反冲洗过程中没有代入氧气，可有效避免碱性材料内部的溶解存在而生成沉淀物沉积在碱性材料的表面，影响处理过程的可持续性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
技术方案一：
本发明提供一种酸性煤矸石堆淋出废水处理系统，包括集水池、分散碱性基质处理设备、沉淀池和人工湿地；
所述集水池设置在酸性煤矸石堆的下游位置，所述集水池与所述分散碱性基质处理设备通过管路相连，所述分散碱性基质处理设备通过管路与所述沉淀池相连，所述分散碱性基质处理设备通过管路与所述人工湿地相连。
作为本发明的进一步改进，所述分散碱性基质处理设备包括基体，所述基体顶部设置有密封盖，所述密封盖上设有排气口，所述基体底部设有过滤层，所述基体底部固定连接有反冲洗器管、第一出水管和第二出水管；所述排气口用于排放处理过程中产生的各种气体；
所述第一出水管与所述沉淀池相连，所述第二出水管与所述人工湿地相连；
所述过滤层包括由下到上顺次设置的分散碱性基质层和石英砂层。
作为本发明的进一步改进，所述石英砂层厚30-50cm，所述分散碱性基质层厚为80～120cm。
作为本发明的进一步改进，所述分散碱性基质层中基质材料包括石灰石、秸秆和石英砂，三者质量比依次为(8～12)：(1～3)：(1～3)，优选质量比为10：1：1，比例可以调整；
作为本发明的进一步改进，所述集水池的容积＝(当地最大雨强×矸石堆占地面积×0.8×2)×(1～2)。
技术方案二：本发明还提供利用所述的酸性煤矸石堆淋出废水处理系统对酸性煤矸石堆淋出废水进行处理的方法，具体包括以下步骤：
(1)集水池收集酸性煤矸石堆的淋出废水，酸性煤矸石堆淋出废水在集水池中进行沉淀处理后上清液通过水泵泵入分散碱性基质处理设备，沉淀下来的颗粒物抽出经脱水处理后埋入矸石堆场；
(2)上清液进入所述分散碱性基质处理设备后，经过石英砂层过滤后进入分散碱性基质层，利用氮气进行反冲洗，在没有淋出废水产生的时候进行反冲洗，反冲洗时开启水泵，关闭出水管的阀门，开启氮气阀门，利用氮气和泵入的淋出废水对分散碱性基质进行反冲洗；
(3)反冲洗产生的废水进入所述分散碱性基质处理设备旁设的沉淀池，在沉淀池中进行沉淀后上清液返回集水池重新进行处理，沉淀下来的泥渣脱水后填入煤矸石堆；
(4)经过废水处理设备处理后的废水进入人工湿地，在人工湿地中进一步去除水中的污染物后，回用。
作为本发明的进一步改进，集水池的水泵入分散碱性基质处理设备，废水在分散碱性基质处理设备中反应10～18h，pH提高至6～9之间，去除水中的铁锰离子，出水进入人工湿地，分散碱性基质处理设备为加盖的防腐蚀的容器或构筑物，容器上方设置一排气孔，排放甲烷、二氧化碳、硫化氢等废气。
作为本发明的进一步改进，所述人工湿地中种植去除水中有机物的植物。优选种植美人蕉、芦苇、鸢尾等植物，去除水中的有机物，吸附水中的铁锰等金属离子，人工湿地的水长期存在于湿地中，作为矸石堆的生态治理用水。
作为本发明的进一步改进，当分散碱性基质层堵塞时需要进行反冲洗，首先关闭出水管道中的阀门，开启氮气泵进行气体的冲洗，氮气冲洗1min后开启进水泵，利用进水和氮气同时进行冲洗，反冲洗液体进入旁设的沉淀池，冲洗时间为3～5min。
作为本发明的进一步改进，步骤(3)所述反冲洗产生的废水在沉淀池中沉淀10～12d。
作为本发明的进一步改进，所述分散碱性基质层中的基质材料12～18个月更换一次，更换下来的基质材料填入矸石堆。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
由于酸性煤矸石堆的淋出废水是在下雨之后才出现，现有的处理是利用管道接入矿区污水处理厂或者直接排放，本发明在矸石堆场就近设置处理装置：1、可以有效收集；2、简单的处理装置；3、简单的运行操作与管理；4、一般降雨的量不大的时候，湿地中的水可以长期存在于湿地中，也可以作为矸石堆的生态治理用水，这些都属于对雨水的综合利用。
碱性分散基质就是在酸性废水处理过程中H+与基质中的碱性材料进行中和反应，如果反应物全部为碱性材料的话，在运行的过程中在碱性材料的表面会形成沉淀堆积，造成碱性材料失去进一步中和反应的可能，此外，在有氧气存在时，也是容易在碱性材料的表面形成沉积物，因此，利用分散基质中的秸秆截留部分反应生产颗粒物，同时长期的运行过程中，秸秆腐烂会消耗水中的溶解氧，保证碱性材料能够长期稳定有效；当碱性基质层中截留了大量的悬浮物时，需要进行反冲洗，本发明是利用氮气进行反冲洗，避免利用空气进行反冲洗而代入氧气，反冲洗的过程中排出的水中含有的有机物重新进入反应系统作为水中溶解氧的消耗物质；经过分散碱性基质处理后的出水中COD在人工湿地中进行处理，在分散碱性基质中没有处理掉的铁、锰等离子在人工湿地中进一步去除。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述酸性煤矸石堆淋出废水处理系统的示意图，其中1为集水池，2为分散碱性基质处理设备，3为沉淀池，4为人工湿地；
图2为分散碱性基质处理设备结构示意图，其中5为基体，6为石英砂层，7为分散碱性处理层，8为密封盖，9为排气口，10为第一出水管，11为反冲洗气管，12为第二出水管；
图3为酸性废水处理工艺流程图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
如图1，为本发明所述酸性煤矸石堆淋出废水处理系统的示意图，其中1为集水池，2为分散碱性基质处理设备，3为沉淀池，4为人工湿地；图2为分散碱性基质处理设备结构示意图，其中5为基体，6为石英砂层，7为分散介质处理层，8为密封盖，9为排气口，10为第一出水管，11为反冲洗气管，12为第二出水管，石英砂层厚30-50cm，石英砂层上覆水20-30cm；图3为酸性废水处理工艺流程图。
所述集水池1设置在酸性煤矸石堆的下游位置，所述集水池1与所述分散碱性基质处理设备2通过管路相连，所述分散碱性基质处理设备2通过管路与所述沉淀池3相连，所述分散碱性基质处理设备2通过管路与所述人工湿地4相连。
对酸性煤矸石堆淋出废水进行处理时，集水池1收集酸性煤矸石堆的淋出废水，酸性煤矸石堆淋出废水在集水池1中进行沉淀处理后上清液通过水泵泵入分散碱性基质处理设备2，沉淀下来的颗粒物抽出经脱水处理后埋入矸石堆场，酸性煤矸石堆淋出废水进入所述分散碱性基质处理设备2后，经过石英砂层6过滤后进入分散碱性基质层7，利用氮气进行反冲洗，反冲洗周期根据出水的水质确定，在没有淋出废水产生的时候进行反冲洗，反冲洗时开启水泵，关闭出水管的阀门，开启氮气阀门，利用氮气和泵入的淋出废水对分散碱性基质进行反冲洗；反冲洗产生的废水通过第一出水管10进入所述分散碱性基质处理设备2旁设的沉淀池3，在沉淀池3中进行沉淀后上清液返回集水池1重新进行处理，沉淀下来的泥渣脱水后填入煤矸石堆；所述排气口9用于排放处理过程中产生的各种气体；经过分散碱性基质处理设备2的废水通过第二出水管12进入人工湿地4，在人工湿地4中进一步去除水中的污染物后，回用。
实施例1
一种酸性煤矸石堆淋出废水处理系统，包括集水池、分散碱性基质处理设备、沉淀池和人工湿地；所述集水池设置在酸性煤矸石堆的下游位置，所述集水池与分散碱性基质处理设备通过管路相连，所述分散碱性基质处理设备包括基体，基体顶部设置有可开闭密封盖，所述密封盖上设置有一排气口，所述分散碱性基质处理设备底部设置有过滤层，所述过滤层上层为石英砂层，下层为分散碱性基质层，所述基体的底部固定连接有反冲洗器管、第一出水管、第二出水管，所述第一出水管与沉淀池相连，所述沉淀池设置在所述分散碱性基质处理设备旁，所述分散碱性基质处理设备通过第二出水管与人工湿地相连，人工湿地中种植美人蕉、芦苇和鸢尾。
利用所述系统对酸性煤矸石堆淋出废水进行处理的方法，包括以下步骤：集水池收集酸性煤矸石堆的淋出废水，在山东某煤矿矸石堆场的下游设置集水池，集水池的容积160立方米，酸性煤矸石堆淋出废水在集水池中进行沉淀处理后上清液通过水泵泵入分散碱性基质处理设备，所述分散碱性基质处理设备包括基体，沉淀下来的颗粒物抽出经脱水处理后埋入矸石堆场，酸性煤矸石堆淋出废水进入所述分散碱性基质处理设备后，所述基体底部设有过滤层，所述过滤层由下到上顺次设置的分散碱性基质层和石英砂层，石英砂层厚30cm，分散碱性基质层厚90cm，废水经过石英砂层过滤后进入分散碱性基质层，分散碱性基质层由石灰石、秸秆和石英砂组成，三种材料均匀混合，三者的质量比为10：1：1，在分散碱性基质处理设备2反应10h，使pH提高至6，去除水中的铁锰离子，出水进入人工湿地，所述基体底部固定连接有反冲洗气管，利用氮气进行反冲洗，在没有淋出废水产生的时候进行反冲洗，反冲洗时开启水泵，关闭出水管的阀门，开启氮气阀门，氮气冲洗1min后开启进水泵，利用进水和氮气同时进行冲洗，反冲洗液体进入旁设的沉淀池，冲洗时间为3min；反冲洗产生的废水通过第一出水管进入所述分散碱性基质处理设备旁设的沉淀池，在沉淀池沉淀10d后，在沉淀池中进行沉淀后上清液返回集水池重新进行处理，沉淀下来的泥渣脱水后填入煤矸石堆；经过分散碱性基质处理设备处理后的废水通过第二出水管进入人工湿地，在人工湿地中进一步去除水中的污染物后，作为矸石山生态修复的绿化用水回用。
处理前的酸性煤矸石堆淋出废水的pH为3.7，中铁的浓度为103.4mg/l，处理后的出水的pH为6.8，中铁的浓度为2.5mg/l。
实施例2
一种酸性煤矸石堆淋出废水处理系统，同实施例1。
利用所述系统对酸性煤矸石堆淋出废水进行处理的方法，包括以下步骤：集水池收集酸性煤矸石堆的淋出废水，在江苏某煤矿矸石堆场的下游设置集水池，集水池的容积120立方米，酸性煤矸石堆淋出废水在集水池中进行沉淀处理后上清液通过水泵泵入分散碱性基质处理设备，沉淀下来的颗粒物抽出经脱水处理后埋入矸石堆场，酸性煤矸石堆淋出废水进入所述分散碱性基质处理设备后，所述基体底部设有过滤层，所述过滤层由下到上顺次设置的分散碱性基质层和石英砂层，石英砂层厚30cm，分散碱性基质层厚100cm，废水经过石英砂层过滤后进入分散碱性基质层，分散碱性基质层由石灰石、秸秆和石英砂组成，三种材料均匀混合，三者的质量比为10：1：1，在分散碱性基质处理设备反应15h，使pH提高至8，去除水中的铁锰离子，出水进入人工湿地，所述分散碱性基质处理设备底部安装反冲洗气管，利用氮气进行反冲洗，反冲洗周期根据出水的水质确定，在没有淋出废水产生的时候进行反冲洗，反冲洗时开启水泵，关闭出水管的阀门，开启氮气阀门，氮气冲洗1min后开启进水泵，利用进水和氮气同时进行冲洗，反冲洗液体进入旁设的沉淀池，冲洗时间为5min；反冲洗产生的废水进入所述分散碱性基质处理设备旁设的沉淀池，在沉淀池中进行沉淀后上清液返回集水池重新进行处理，沉淀下来的泥渣脱水后填入煤矸石堆；经过分散碱性基质处理设备处理后的废水通过第二出水管进入人工湿地，在人工湿地中进一步去除水中的污染物后，作为矸石山生态修复的绿化用水回用。
处理前的酸性煤矸石堆淋出废水的pH为4.2，中铁的浓度为28.0mg/l，处理后的出水的pH为7.9，中铁的浓度为1.6mg/l。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种酸性煤矸石堆淋出废水处理系统，其特征在于，包括集水池、分散碱性基质处理设备、沉淀池和人工湿地；
所述集水池设置在酸性煤矸石堆的下游位置，所述集水池与所述分散碱性基质处理设备通过管路相连，所述分散碱性基质处理设备通过管路与所述沉淀池相连，所述分散碱性基质处理设备通过管路与所述人工湿地相连。
2.根据权利要求1所述的酸性煤矸石堆淋出废水处理系统，其特征在于，所述分散碱性基质处理设备包括基体，所述基体顶部设置有密封盖，所述密封盖上设有排气口，所述基体底部设有过滤层，所述基体底部固定连接有反冲洗器管、第一出水管和第二出水管；
所述第一出水管与所述沉淀池相连，所述第二出水管与所述人工湿地相连；
所述过滤层包括由下到上顺次设置的分散碱性基质层和石英砂层。
3.根据权利要求1所述的酸性煤矸石堆淋出废水处理系统，其特征在于，所述石英砂层厚30-50cm，所述分散碱性基质层厚为80～120cm。
4.根据权利要求1所述的酸性煤矸石堆淋出废水处理系统，其特征在于，所述分散碱性基质层中基质材料包括石灰石、秸秆和石英砂，三者质量比依次为(8～12)：(1～3)：(1～3)。
5.根据权利要求1所述的酸性煤矸石堆淋出废水处理系统，其特征在于，所述集水池的容积＝(当地最大雨强×矸石堆占地面积×0.8×2)×(1～2)。
6.一种酸性煤矸石堆淋出废水处理方法，其特征在于，利用权利要求1-5任一项所述的酸性煤矸石堆淋出废水处理系统对酸性煤矸石堆淋出废水进行处理，具体包括以下步骤：
(1)集水池收集酸性煤矸石堆的淋出废水，酸性煤矸石堆淋出废水在集水池中进行沉淀处理后上清液通过水泵泵入分散碱性基质处理设备，沉淀下来的颗粒物抽出经脱水处理后埋入矸石堆场；
(2)上清液进入所述分散碱性基质处理设备后，经过石英砂层过滤后进入分散碱性基质层，利用氮气进行反冲洗，在没有淋出废水产生的时候进行反冲洗，反冲洗时开启水泵，关闭出水管的阀门，开启氮气阀门，利用氮气和泵入的淋出废水对分散碱性基质进行反冲洗；
(3)反冲洗产生的废水进入所述分散碱性基质处理设备旁设的沉淀池，在沉淀池中进行沉淀后上清液返回集水池重新进行处理，沉淀下来的泥渣脱水后填入煤矸石堆；
(4)经过废水处理设备处理后的废水进入人工湿地，在人工湿地中进一步去除水中的污染物后，回用。
7.根据权利要求6所述的酸性煤矸石堆淋出废水处理方法，其特征在于，集水池的水泵入分散碱性基质处理设备，废水在分散碱性基质处理设备中反应10～18h，pH提高至6～9之间，出水进入人工湿地。
8.根据权利要求6所述的酸性煤矸石堆淋出废水处理方法，其特征在于，所述人工湿地中种植去除水中有机物的植物。
9.根据权利要求6所述的酸性煤矸石堆淋出废水处理方法，其特征在于，步骤(3)所述反冲洗产生的废水在沉淀池中沉淀10～12d。
10.根据权利要求6所述的酸性煤矸石堆淋出废水处理方法，其特征在于，所述分散碱性基质层中的基质材料12～18个月更换一次，更换下来的基质材料填入矸石堆。
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