CN112031864B - 遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制装置及方法，该装置包括密闭墙：所述密闭墙外侧设置有中央控制器、CO2气源、药剂桶、虹吸管I、蓄液桶；所述密闭墙内侧设置有若干监测传感器，所述监测传感器与中央控制器电气连接；所述密闭墙底部设置有泄洪阀。本发明通过监测矿井水pH反馈控制系统自动补给药剂，通过监测密闭墙内侧CO2和O2气体浓度自动补充CO2气体，通过虹吸管自动排出矿井水，通过溢流管排出矿井水并联动泄洪阀，实现了装置小型化、低电耗长期运行，以实现长期无人值守与运行维护。
Description
技术领域
本发明涉及遗留矿区污染治理技术领域，具体涉及遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制装置及方法。
背景技术
矿产资源是社会生产发展的重要物质基础，我国70％的工业制品原料和90％的能源均来自于矿产资源的开采和利用。由于我国地质、水文、矿床赋存条件原因以及开采技术水平等限制，不可避免地破坏了自然地貌与环境，产生了大量难以回收利用的固体废弃物和废水。
例如：露天采矿时大规模剥离岩土，人为造成水土侵蚀；地下采矿形成的采空区，造成地面沉降塌陷，破坏地下水的自流循环；废矿石的堆积，占用了大面积土地。废弃的矿石往往是同一矿床内的多元素伴生矿石，其中硫、铁伴生矿种类最多，大量的废弃矿石和开采面长期暴露在环境中，经空气、水、微生物作用生成的酸性废水。这些酸性废水不但pH低、酸度大，而且含有大量有毒、有害重金属离子，且随地表水直接流入自然水系，这将直接威胁到人类、动植物的健康生存。矿区酸性废水成分复杂，废水水量大，易发生二次污染，处理困难，废弃矿井酸性矿山废水外排防控一直是全球性难题。
针对矿区酸性废水可采取内侧填充和出口封堵的方法加以控制，如申请号202010425951.9的发明申请公开了一种适用于遗留矿洞和矿井坑道的封堵及其搭建方法，但地下水和降雨无孔不入、无孔不出，废水的外渗防不胜防，难度极大。申请号202010684700.2的发明申请公开了一种遗留矿井酸性废水的排放和封堵系统及方法，该申请可实现封闭隔氧、适时排气泄压，自动虹吸定深排液，CO2驱替溶解氧还原矿井水中可能存留的硫酸根与亚硫酸根，排液补气、避免负压漏气等目的，从源头解决遗留矿井酸性废水抑制、疏导的问题。但其现场安装构建较复杂，未集成为一体式装备，自动控制功能设计不足。
因此，需要一种集成有多功能自动化控制的遗留矿井酸性废水封堵和排放集成控制系统，以从源头抑制废水的酸化、及时疏导矿井水外排，并实现装置小型化整体式安装、设备低电耗长期自动运行。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制装置及方法，其可从源头抑制废水的酸化、及时疏导矿井水外排，并集成多功能自动化控制装置，实现装置小型化、低电耗长期运行。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制装置，包括密闭墙：
所述密闭墙外侧设置有中央控制器、CO2气源、药剂桶、虹吸管I、蓄液桶，所述中央控制器连接有电源，所述CO2气源通过气管通往密闭墙内侧，所述药剂桶通过供药管路通往密闭墙内侧，所述虹吸管I的入口设置于密闭墙内侧、出口设置于密闭墙外侧，且虹吸管I的入口高于出口，所述蓄液桶内设置有溢流管，所述溢流管通往密闭墙内侧上部，且溢流管的溢流口高于虹吸管I的最高点位置；
所述密闭墙内侧设置有若干监测传感器，所述监测传感器与中央控制器电气连接；
所述密闭墙底部设置有泄洪阀，所述泄洪阀上方设置有定滑轮组，所述定滑轮组两端分别连接蓄液桶、泄洪阀。
作为上述技术方案的改进，所述气管上设有供气阀，所述供气阀连接至中央控制器。
作为上述技术方案的改进，所述供药管路上设有供药泵，所述供药泵连接至中央控制器。
作为上述技术方案的改进，所述溢流管下端连通有蓄液管，所述蓄液管通往密闭墙内侧下部，其上设有蓄液阀，所述蓄液阀连接至中央控制器。
作为上述技术方案的改进，所述蓄液桶内设有虹吸管II，所述虹吸管II的入口段位于蓄液桶内，且入口段通过多孔浮体固定，所述蓄液桶的上边缘设有与虹吸管II相吻合的凹槽。
作为上述技术方案的改进，所述蓄液桶上方设有防淋水板。
作为上述技术方案的改进，所述监测传感器包括安装于浮漂上的CO2浓度传感器、O2浓度传感器、pH传感器、底泥高度传感器，其中所述CO2浓度传感器、O2浓度传感器安装于设浮漂上端，所述pH传感器、底泥高度传感器安装于浮漂下端，所述浮漂漂浮于密闭墙内侧矿井水表面。
作为上述技术方案的改进，所述CO2气源上设有压力传感器，所述压力传感器连接至中央控制器。
作为上述技术方案的改进，所述药剂桶内设有碳源和硫酸盐还原菌菌液。
作为上述技术方案的改进，所述中央控制器连接有远程报警器。
本发明同时提供了一种遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制方法，本方法应用于上述任一项所述的遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制装置，其包括：
当pH传感器检测到矿井水pH值小于6，则通过中央控制器开启供药泵，药剂桶往矿井水中添加药剂；反之，则通过中央控制器关闭供药泵；
当CO2浓度传感器检测到密闭墙内侧CO2浓度低于90％或O2浓度传感器检测到密闭墙内侧O2浓度高于5％，则通过中央控制器开启供气阀，CO2气源往密闭墙内侧补充CO2气体；反之，则通过中央控制器关闭供气阀；
当矿井水的水位上升到达虹吸管I的入口位置时，矿井水开始进入虹吸管I的入口段；当矿井水的水位达到虹吸管I的最高位置时，矿井水开始进入虹吸管I的出口段，虹吸形成，矿井水开始持续排出，虹吸效应使得矿井水的水位从虹吸管I的最高位置下降至虹吸管I的入口位置；
当矿井水上涨过快达到溢流管的溢流口位置时，则溢流的矿井水进入蓄液桶，蓄液桶因重量增加下降并带动泄洪阀上升，使得泄洪阀开启实现泄洪；由于蓄液桶内设有虹吸管II，且虹吸管II固定于多孔浮体，多孔浮体逐渐吸水而下沉，经过一段时间则虹吸管II浸入水中，蓄液桶内的水进入虹吸管II后形成虹吸作用，蓄液桶内的水随之排出，蓄液桶因重量减小上升并带动泄洪阀下降，使得泄洪阀关闭对密闭墙内矿井水重新封堵；
若需要强制启动泄洪阀，则通过中央控制器开启蓄液阀，矿井水通过蓄液管进入蓄液桶，蓄液桶内蓄积液体重量增加，进而下降并使得泄洪阀抬升启动；
当CO2浓度传感器检测到密闭墙内侧CO2浓度低于85％超过2分钟或O2浓度传感器检测到密闭墙内侧O2浓度高于10％超过2分钟，则通过中央控制器启动远程报警器；
当压力传感器检测到压力值低于0.3MPa，则通过中央控制器启动远程报警启；
当pH传感器检测到矿井水pH值小5.5超过10分钟，则通过中央控制器启动远程报警器。
本发明带来的有益效果有：
本发明集成有多功能自动控制系统：通过监测矿井水pH反馈控制系统自动补给药剂，通过监测密闭墙内侧CO2和O2气体浓度自动补充CO2气体，通过虹吸管自动排出矿井水，通过溢流管排出矿井水并联动泄洪阀。
同时，本装置集成度高、设备小型化，低电耗利于长期自动运行，其中各监测传感器、中央控制器、远程报警器、阀门等均为弱电设备，泄洪阀的开启基于矿井水蓄液桶重力自动运行，避免了设备大中功率用电，仅需蓄电池供电即可保障长时间稳定运行，以实现长期无人值守与运行维护。
附图说明
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明，
图1为本发明集成控制装置主体结构示意图；
图2为本发明中央控制器连接结构示意图；
其中：1-供气阀，2-压力传感器，3-远程报警器，4-中央控制器，5-电源，6-CO2气源，7-药剂桶，8-供药泵，9-气管，10-溢流管，11-密闭墙，12-定滑轮组，13-防淋水板，14-蓄液桶，15-多孔浮体，16-虹吸管II，17-泄洪阀，18-CO2浓度传感器，19-O2浓度传感器，20-浮漂，21-矿井水，22-pH传感器，23-底泥高度传感器，24-虹吸管I，25-蓄液管，26-蓄液阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上端”、“下端”、“内侧”、“外侧”、“左”、“右”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和简化描述，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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接；可以是直接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1，遗留矿井的酸性废水封堵与排放的集成控制装置，包括密闭墙11及分设于密闭墙11两侧(图示左侧为密闭墙11外侧，右侧为密闭墙11内侧)的中央控制器4、电源5、CO2气源6、药剂桶7、虹吸管I24、泄洪阀17、蓄液桶14、CO2浓度传感器18、O2浓度传感器19、pH传感器22、底泥高度传感器23，其中
CO2气源6通过气管9通往密闭墙11内侧，气管9上设有供气阀1；
药剂桶7通过供药管路通往密闭墙11内侧，供药管路上设有供药泵8，药剂桶7内主要设有碳源和硫酸盐还原菌菌液；
虹吸管I24的入口设置在密闭墙11内侧、出口设置在密闭墙11外侧，且虹吸管I24的入口高于出口；
泄洪阀17与蓄液桶14通过绳索分别连接于定滑轮组12两端，蓄液桶14上方设有防淋水板13，溢流管10从蓄液桶14内穿过防淋水板13通往密闭墙11内侧的上部，且溢流管10溢流口高于虹吸管I24的最高点位置；溢流管10旁连通有蓄液管25，蓄液管25通往密闭墙11内侧的下部，蓄液管25上设有蓄液阀26；
蓄液桶14配有虹吸管II16，虹吸管II16的入口段位于蓄液桶14内，且入口段与多孔浮体15固定，蓄液桶14的上边缘设有凹槽与虹吸管II16吻合，可使虹吸管II16向下移动时嵌入该凹槽；多孔浮体15刚浸入液体时会漂浮，待液体通过多孔浮体15上的孔洞逐渐灌入多孔浮体15内部时，多孔浮体15沉入液体中；
参照图2，CO2浓度传感器18、O2浓度传感器19、pH传感器22、底泥高度传感器23均电气连接至中央控制器4；CO2气源6上设有压力传感器2，压力传感器2连接至中央控制器4；供气阀1、供药泵8、蓄液阀26、远程报警器3均与中央控制器4连接，中央控制器4连接有电源5。
CO2浓度传感器18、O2浓度传感器19设置在矿井水21表面的浮漂20上端，pH传感器22、底泥高度传感器23设置在浮漂20下端，浮漂20可带动上述4种传感器随矿井水21水位的升降而上升或下降。
实施例2
本实施例提供的一种遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制方法，应用于实施例1中遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制装置，其包括：
当pH传感器22检测到矿井水21pH值小于6，则通过中央控制器4开启供药泵8，药剂桶7往矿井水21中添加药剂；反之，则通过中央控制器4关闭供药泵8；
当CO2浓度传感器18检测到密闭墙11内侧CO2浓度低于90％或O2浓度传感器19检测到密闭墙11内侧O2浓度高于5％，则通过中央控制器4开启供气阀1，CO2气源6往密闭墙11内侧补充CO2气体；反之，则通过中央控制器4关闭供气阀1；
当矿井水21的水位上升到达虹吸管I24的入口位置时，矿井水21开始进入虹吸管I24的入口段；当矿井水21的水位达到虹吸管I24的最高位置时，矿井水21开始进入虹吸管I24的出口段，虹吸形成，矿井水21开始持续排出，虹吸效应使得矿井水21的水位从虹吸管I24的最高位置下降至虹吸管I24的入口位置；
当矿井水21上涨过快达到溢流管10的溢流口位置时，则溢流的矿井水21进入蓄液桶14，蓄液桶14因重量增加下降并带动泄洪阀17上升，使得泄洪阀17开启实现泄洪；由于蓄液桶14内设有虹吸管II16，且虹吸管II16固定于多孔浮体15，多孔浮体15逐渐吸水而下沉，经过一段时间则虹吸管II16浸入水中，蓄液桶14内的水进入虹吸管II16后形成虹吸作用，蓄液桶14内的水随之排出，蓄液桶14因重量减小上升并带动泄洪阀17下降，使得泄洪阀17关闭对密闭墙11内矿井水21重新封堵；
若需要强制启动泄洪阀17，则通过中央控制器4开启蓄液阀26，矿井水21通过蓄液管25进入蓄液桶14，蓄液桶14内蓄积液体重量增加，进而下降并使得泄洪阀17抬升启动；
当CO2浓度传感器18检测到密闭墙11内侧CO2浓度低于85％超过2分钟或O2浓度传感器19检测到密闭墙11内侧O2浓度高于10％超过2分钟，则通过中央控制器4启动远程报警器3；
当压力传感器2检测到压力值低于0.3MPa，则通过中央控制器4启动远程报警启；
当pH传感器22检测到矿井水21pH值小5.5超过10分钟，则通过中央控制器4启动远程报警器3。
实施例3
在遗留矿井矿洞适当位置安装好实施例1集成控制装置后，启动中央控制器4，开始运行。
密闭墙11内侧的矿井水21蓄积，则水位逐渐上升。
若pH传感器22检测到矿井水21pH值为5.8，则通过中央控制器4开启供药泵8，药剂桶7往矿井水21中添加药剂；当再次检测pH为6.5，则关闭供药泵8停止添加药剂。
若CO2浓度传感器18检测到CO2浓度为85％，或O2浓度传感器19检测到O2浓度高于5％，则通过中央控制器4开启供气阀1，CO2气源6往密闭墙11内侧补充CO2气体；若再检测到CO2浓度为93％、且O2浓度低于5％，则关闭供气阀1。
当矿井水21的水位上升到达虹吸管I24的入口位置时，矿井水21开始进入虹吸管I24的入口段；当矿井水21的水位达到虹吸管I24的最高位置，则矿井水21可以进入虹吸管I24的出口段，虹吸形成，矿井水21开始持续排出，虹吸效应使得矿井水21的水位从虹吸管I24的最高位置下降至虹吸管I24的入口位置。
当矿井水21上涨过快达到溢流管10的溢流口位置，则溢流的矿井水21进入蓄液桶14，蓄液桶14重量增加开始下降并带动与蓄液桶14连接在一起并在定滑轮另一端的泄洪阀17上升，使得泄洪阀17开启实现泄洪。由于蓄液桶14内设有虹吸管II16，且虹吸管II16固定于多孔浮体15，多孔浮体15逐渐吸水而下沉，经过一段时间则虹吸管II16浸入水中，蓄液桶14内的水进入虹吸管II16后形成虹吸作用，蓄液桶14内的水随之排出重量减小，然后蓄液桶14上升而泄洪阀17下降，实现泄洪阀17对密闭墙11内矿井水21的重新封堵。
若需要强制启动泄洪阀17，则通过中央控制器4开启蓄液阀26，矿井水21通过蓄液管25进入蓄液桶14，蓄液桶14内蓄积的液体重量增加，从而下降并使得泄洪阀17抬升。
当CO2浓度传感器18检测到的CO2浓度低于85％超过2分钟或O2浓度传感器19检测到O2浓度高于10％超过2分钟，表明密闭墙11可能出现了密闭不严，则通过中央控制器4启动远程报警器3；
当压力传感器2检测到压力值低于0.3MPa，表明CO2气源6即将用完，则通过中央控制器4启动远程报警器3；
当pH传感器22检测到pH值小于5.5超过10分钟，表明药剂用尽，则通过中央控制器4启动远程报警器3。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制装置，包括密闭墙，其特征在于：
所述密闭墙外侧设置有中央控制器、CO2气源、药剂桶、虹吸管I、蓄液桶，所述中央控制器连接有电源，所述CO2气源通过气管通往密闭墙内侧，所述药剂桶通过供药管路通往密闭墙内侧，所述虹吸管I的入口设置于密闭墙内侧、出口设置于密闭墙外侧，且虹吸管I的入口高于出口，所述蓄液桶内设置有溢流管，所述溢流管通往密闭墙内侧上部，且溢流管的溢流口高于虹吸管I的最高点位置；
所述密闭墙内侧设置有若干监测传感器，所述监测传感器与中央控制器电气连接；
所述密闭墙底部设置有泄洪阀，所述泄洪阀上方设置有定滑轮组，所述定滑轮组两端分别连接蓄液桶、泄洪阀；
所述蓄液桶内设有虹吸管II，所述虹吸管II的入口段位于蓄液桶内，且入口段通过多孔浮体固定，所述蓄液桶的上边缘设有与虹吸管II相吻合的凹槽，所述虹吸管II向下移动时嵌入该凹槽，所述多孔浮体刚浸入液体时会漂浮，待液体通过多孔浮体上的孔洞逐渐灌入多孔浮体内部时，所述多孔浮体沉入液体中。
2.根据权利要求1所述的遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制装置，其特征在于：所述气管上设有供气阀，所述供药管路上设有供药泵，所述供气阀、供药泵均连接至中央控制器。
3.根据权利要求1所述的遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制装置，其特征在于：所述溢流管下端连通有蓄液管，所述蓄液管通往密闭墙内侧下部，其上设有蓄液阀，所述蓄液阀连接至中央控制器。
4.根据权利要求1所述的遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制装置，其特征在于：所述蓄液桶上方设有防淋水板。
5.根据权利要求1所述的遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制装置，其特征在于：所述监测传感器包括安装于浮漂上的CO2浓度传感器、O2浓度传感器、pH传感器、底泥高度传感器，其中所述CO2浓度传感器、O2浓度传感器安装于设浮漂上端，所述pH传感器、底泥高度传感器安装于浮漂下端，所述浮漂漂浮于密闭墙内侧矿井水表面。
6.根据权利要求1所述的遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制装置，其特征在于：所述CO2气源上设有压力传感器，所述压力传感器连接至中央控制器。
7.根据权利要求1所述的遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制装置，其特征在于：所述药剂桶内设有碳源和硫酸盐还原菌菌液。
8.根据权利要求1所述的遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制装置，其特征在于：所述中央控制器连接有远程报警器。
9.遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制方法，其特征在于：本方法应用于权利要求1~8任一项所述的遗留矿井的酸性废水封堵与排放集成控制装置，其包括：
当pH传感器检测到矿井水pH值小于6，则通过中央控制器开启供药泵，药剂桶往矿井水中添加药剂；反之，则通过中央控制器关闭供药泵；
当CO2浓度传感器检测到密闭墙内侧CO2浓度低于90%或O2浓度传感器检测到密闭墙内侧O2浓度高于5%，则通过中央控制器开启供气阀，CO2气源往密闭墙内侧补充CO2气体；反之，则通过中央控制器关闭供气阀；
当矿井水的水位上升到达虹吸管I的入口位置时，矿井水开始进入虹吸管I的入口段；当矿井水的水位达到虹吸管I的最高位置时，矿井水开始进入虹吸管I的出口段，虹吸形成，矿井水开始持续排出，虹吸效应使得矿井水的水位从虹吸管I的最高位置下降至虹吸管I的入口位置；
当矿井水上涨过快达到溢流管的溢流口位置时，则溢流的矿井水进入蓄液桶，蓄液桶因重量增加下降并带动泄洪阀上升，使得泄洪阀开启实现泄洪；由于蓄液桶内设有虹吸管II，且虹吸管II固定于多孔浮体，多孔浮体逐渐吸水而下沉，经过一段时间则虹吸管II浸入水中，蓄液桶内的水进入虹吸管II后形成虹吸作用，蓄液桶内的水随之排出，蓄液桶因重量减小上升并带动泄洪阀下降，使得泄洪阀关闭对密闭墙内矿井水重新封堵；
若需要强制启动泄洪阀，则通过中央控制器开启蓄液阀，矿井水通过蓄液管进入蓄液桶，蓄液桶内蓄积液体重量增加，进而下降并使得泄洪阀抬升启动；
当CO2浓度传感器检测到密闭墙内侧CO2浓度低于85%超过2分钟或O2浓度传感器检测到密闭墙内侧O2浓度高于10%超过2分钟，则通过中央控制器启动远程报警器；
当压力传感器检测到压力值低于0.3MPa，则通过中央控制器启动远程报警器；
当pH传感器检测到矿井水pH值小5.5超过10分钟，则通过中央控制器启动远程报警器。
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