CN112299646B - 一种酸性矿井涌水的处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种酸性矿井涌水的处理系统，包括依次沿酸性矿井涌水的河道或水道的水流方向设置的第一透水坝、第二透水坝、生物转盘、第三透水坝，所述第一透水坝、所述第二透水坝、所述第三透水坝均横跨所述河道或所述水道设置，所述生物转盘转动安装于支撑架上，所述生物转盘上负载有锰氧化菌。本发明还提供了一种酸性矿井涌水的处理方法。本发明能有效去除酸性矿山废水中的重金属离子和硫酸根，同时加强对Mn²⁺的去除效果。

Description

一种酸性矿井涌水的处理系统及方法

技术领域

本发明属于环保领域中废水处理技术领域，更具体地，涉及一种酸性矿井涌水的处理系统及方法。

背景技术

酸性矿井涌水是全球采矿业面临的最严重的环境问题之一，此问题在我国也相当突出。我国煤矿矿山和非煤矿山数量大，在产成规模矿山数量达8.2万座。在贵州、云南、湖北和湖南等诸多省份，一些煤矿矿山和非煤矿山均伴生有硫铁矿，此类矿山在开采后，由于硫铁矿与空气、水接触，原来的还原环境变为氧化环境，在微生物作用下，矿石中的铁和硫元素进而被氧化，产生三价铁离子、硫酸根离子和大量的氢离子(酸性)。酸性矿井涌水的强酸性使其在通过采矿矿洞或岩体裂隙流出矿区，流经其他矿石时溶解矿石中的重金属元素，使这些重金属元素从固定态转变为离子态，从矿石中溶出，进入溶液中并向下游迁移，对流域造成了较严重的环境污染。同时遗留下来的废渣产生的淋溶水、矿山水土流失等也对流域造成了严重的面源污染。即使矿山闭库后，其污染可持续数百年，对当地环境影响深远。

从20世纪70年代，我国矿井水处理技术逐渐应用于各大煤矿矿井水处理中，国外用于地表、江河、湖泊水处理净化的处理构筑物，如预沉调节池、反应沉淀池(或澄清池)、过滤池等典型构筑物大部分被我国借鉴和采用过。但采用建设构筑物对酸性矿井涌水进行处理，不仅占用了大量土地，增加了处理成本，同时，构筑物的后续处理也是增加了许多污染的建筑垃圾。

一种利用梯级拦截坝辅助处理酸性矿山废水的系统及其工艺(公开号：CN102701545A)中包括至少三级拦截坝，拦截坝呈自然落差的梯形状分布，对酸性矿山废水进行初级处理、中和处理、还原处理和去杂处理。该专利利用梯级坝的阻隔、微生物的物理、化学反应以及植物根系的过滤、吸附等作用，降低了重金属含量及酸性，减少矿山废水对水源地及生态环境的破坏。该工艺是在每两级拦截坝之间底部放置药剂对酸性矿山废水进行处理，会出现酸性矿山废水中的重金属离子经反应沉淀后覆盖在药剂表面的情况，导致后续废水无法与药剂发生反应且沉淀后底泥无法及时分离抽出处理。

一种生物转盘处理污水的装置和方法(公开号：CN104150707A)中指出生物转盘工艺是生物膜法污水生物处理技术的一种，是污水灌溉和土地处理的人工强化，这种处理法使细菌和菌类的微生物、原生动物一类的微型动物在生物转盘填料载体上生长繁育，形成膜状生物性污泥－－生物膜。污水经沉淀池初级处理后与生物膜接触，生物膜上的微生物摄取污水中的有机污染物作为营养，使污水得到净化。在气动生物转盘中，微生物代谢所需的溶解氧通过设在生物转盘下侧的曝气管供给。转金表面覆有空气罩，从曝气管中释放出的压缩空气驱动空气罩使转金转动，当转金离开污水时，转金表面上形成一层薄薄的水层，水层也从空气中吸收溶解氧。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：解决上述现有技术存在的问题，而提供一种酸性矿井涌水的处理系统，使药剂和产生沉淀分离，有效去除酸性矿山废水中的重金属离子和硫酸根，同时加强对Mn²⁺的去除效果。

本发明还提供了一种酸性矿井涌水的处理方法，使药剂和产生沉淀分离，加强酸性矿井涌水的处理效果。

本发明采用的技术方案是：

一种酸性矿井涌水的处理系统，包括依次沿酸性矿井涌水的河道或水道的水流方向设置的第一透水坝、第二透水坝、生物转盘、第三透水坝，所述第一透水坝、所述第二透水坝、所述第三透水坝均横跨所述河道或所述水道设置，所述生物转盘转动安装于支撑架上，且部分位于水面以上，所述支撑架固定于所述河道、水道底部或岸上，所述生物转盘上负载有锰氧化菌。

本发明在酸性矿井涌水的河道或水道的水流方向依次设置多个透水坝，并在多个透水坝中依次填充去除铁的填料、还原硫酸盐的填料和去除锰的填料，依次对铁离子、硫酸盐和Mn²⁺进行处理，同时生物转盘加强对Mn²⁺的去除效果。

优选地，该处理系统还包括第四透水坝，所述第四透水坝横跨所述河道或所述水道设置，且设置于所述第一透水坝与所述第二透水坝之间。第四透水坝用于更换去除铁的填料或者还原硫酸盐的填料时的备选，当需要更换去除铁的填料或者还原硫酸盐的填料时，启用第四透水坝，在第四透水坝中放入去除铁的填料或者还原硫酸盐的填料后，再更换第一透水坝或第二透水坝中的填料。

优选地，该处理系统还包括第五透水坝，所述第五透水坝横跨所述河道或所述水道设置，且设置于所述第三透水坝的下游。第五透水坝用于更换去除锰的填料时的备选，当需要更换去除锰的填料时，启用第五透水坝，在第五透水坝中放入去除锰的填料后，再更换第三透水坝中的去除锰的填料。

优选地，该处理系统还包括第一沉淀凹槽、第二沉淀凹槽和第三沉淀凹槽，所述第一沉淀凹槽设置于所述第一透水坝的下游，所述第二沉淀凹槽设置于所述生物转盘下方，所述第三沉淀凹槽设置于所述第三透水坝的下游。第一沉淀凹槽、第二沉淀凹槽和第三沉淀凹槽内沉淀物定期由污泥泵抽出，脱水后进行相应的污泥稳定化或热处理。

优选地，该处理系统还包括第四沉淀凹槽，所述第四沉淀凹槽设置于所述第四透水坝与所述第二透水坝之间。第四沉淀凹槽内沉淀物定期由污泥泵抽出，脱水后进行相应的污泥稳定化或热处理。

优选地，所述生物转盘负载有锰氧化菌。进一步优选地，所述生物转盘为负载的锰氧化菌的可更换的木质薄板。

本发明还公开了一种利用上述酸性矿井涌水的处理系统的处理方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、在第一透水坝中填充去除铁的填料，在第二透水坝中填充还原硫酸盐的填料，在第三透水坝中填充去除锰的填料；

S2、酸性矿井涌水通过去除铁的填料，使酸性矿井涌水中的铁离子生成铁沉淀；

S3、经过S1处理后的废水通过还原硫酸盐的填料，使硫酸根还原为硫离子，硫离子与废水中其他重金属离子形成沉淀；

S4、经过S2处理后的废水通过生物转盘和去除锰的填料，将Mn²⁺氧化为不溶性的高价锰沉淀；

S5、定期抽出S1、S2和S3产生的沉淀。

优选地，还原硫酸盐的填料包括负载硫酸盐还原菌的秸秆碎块或木屑。秸秆碎块或木屑主要起支撑硫酸盐还原菌的作用，同时也可作为硫酸盐还原菌的碳源。

优选地，所述去除铁的填料为缓释材料，所述缓释材料的制备方法包括以下步骤：

环保型蜂蜡熔融后，将能释放出氧气的药剂注入熔融态环保型蜂蜡中，搅拌，使能释放出氧气的药剂在蜂蜡中均匀分布，然后冷却制得缓释材料；能释放出氧气的药剂选自过氧化物或超氧化物的其中一种或多种。

优选地，去除锰的填料为除锰滤料。除锰滤料选自锰砂、石英砂其中的一种或多种。

优选地，还原硫酸盐的填料只填充水面以下部分，水面以上部分填充实心材料。实心材料为混凝土，实心材料为硫酸盐还原菌营造缺氧环境。

优选地，去除铁的填料、还原硫酸盐的填料和去除锰的填料均为一体式设计。更换填料时，直接取出，方便更换。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下述有益效果：

本发明在酸性矿井涌水原河道上依次设置铁处理单元、硫酸盐处理单元、锰处理单元，可满足酸性矿井涌水的处理要求，同时降低废水处理构筑物的建设费用，占地面积小；通过铁处理单元中缓释材料的释放，使酸性矿井涌水的pH升高，酸性矿井涌水中的铁离子生成铁沉淀被去除；通过在硫酸盐处理单元中硫酸盐还原菌还原硫酸根为硫离子，硫离子与其他重金属离子形成沉淀得到去除；通过在锰处理单元的生物转盘上负载锰氧化菌，以及设置锰砂填料透水坝可以使废水中的Mn²⁺得到去除。本发明在原有的酸性矿井涌水过水河道上设置水处理构筑物，使处理后的废水达标，同时也不会造成二次污染。

本发明通过放置缓释填料的透水坝，保证酸性矿山废水与反应填料充分接触，经反应后生成的沉淀进入透水坝后端的沉淀凹槽中，有利于收集处理；同时，随着缓释材料的释放坝体变小变薄，可直接对透水坝进行更换。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是本发明中的第一透水坝和去除铁的填料的结构示意图；

图3是本发明中的第四透水坝的结构示意图；

图4是本发明中的第二透水坝和还原硫酸盐的填料的结构示意图；

图5是本发明中的第三透水坝和去除锰的填料的结构示意图；

图6是本发明中的去除铁的填料的结构示意图；

图7是本发明中的还原硫酸盐的填料和实心材料的结构示意图；

图8是本发明中的去除锰的填料的结构示意图。

附图中的标记为：

1-第一透水坝、2-第二透水坝、3-生物转盘、4-第三透水坝、5-去除铁的填料、6-还原硫酸盐的填料、7-去除锰的填料、8-支撑架、9-第四透水坝、10-第五透水坝、11-第一沉淀凹槽、12-第二沉淀凹槽、13-第三沉淀凹槽、14-第四沉淀凹槽、15-实心材料、16-吊环、17-孔。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。

如图1所示，一种酸性矿井涌水的处理系统，包括依次沿酸性矿井涌水的河道或水道水流方向设置的第一透水坝1、第一沉淀凹槽11、第四透水坝9、第四沉淀凹槽14、第二透水坝2、生物转盘3、第三透水坝4、第五透水坝10和第三沉淀凹槽13。第二沉淀凹槽12设置于生物转盘3下方。第一透水坝1、第四透水坝9、第二透水坝2、第三透水坝4和第五透水坝10均横跨酸性矿井涌水的河道或水道设置。第一透水坝1、第四透水坝9、第二透水坝2、第三透水坝4和第五透水坝10的侧面均开设有多个孔17，使透水坝既能固定填料，又能使酸性矿井涌水从孔17中流过。

如图2所示，铁处理单元由第一透水坝1与去除铁的填料5组成。在第一透水坝1中填充去除铁的填料5，去除铁的填料5为缓释材料，该缓释材料由能释放出氧气的药剂，如过氧化钠、过氧化钙、超氧化钾等与环保型蜂蜡组成，环保型蜂蜡熔融后，将药剂注入熔融态蜂蜡中，搅拌，使其在蜂蜡中均匀分布，然后冷却制得。缓释材料填在透水坝中，在水流的作用下缓释材料中的药剂随水流不断释放，在生成氧气的同时，还能够连续提高酸性矿山废水的pH，同时使酸性矿山废水中的铁离子形成铁沉淀物得到去除。第一透水坝1后接第一沉淀凹槽11用于接收经铁处理单元后河道内的铁沉淀。

如图4所示，硫酸盐处理单元由第二透水坝2与还原硫酸盐的填料6组成。在第二透水坝2中填充还原硫酸盐的填料6，还原硫酸盐的填料6由负载硫酸盐还原菌的秸秆碎块或木屑构成，秸秆碎块或木屑用于为硫酸盐还原菌提供碳源。硫酸盐还原菌为脱硫弧菌属，可以选用Desulfovibrio desulfuricans或者Desulfovibrio oxamicus中的一种。一体式硫酸盐还原填料只填充水面以下部分，上部填充混凝土实心材料，为硫酸盐还原菌营造缺氧环境。

锰处理单元由生物转盘3、第三透水坝4和去除锰的填料7组成。如图5所示，在第三透水坝4中填充去除锰的填料7，去除锰的填料7为除锰滤料，除锰滤料主要为锰砂、石英砂。生物转盘3转动安装于支撑架8上，且部分位于水面以上，支撑架8固定于河道、水道底部或岸上，生物转盘的盘体为可更换的木质薄板，生物转盘3上负载有锰氧化菌，锰氧化菌是从外部购买菌种。生物转盘3由水流带动旋转。第二沉淀凹槽12用于接收经锰处理单元产生的锰沉淀。

如图6-8所示，去除铁的填料5、还原硫酸盐的填料6和去除锰的填料7均为一体式设计。去除铁的填料5、还原硫酸盐的填料6和去除锰的填料7的顶部均装有吊环16，方便进行更换。

如图3所示，第四透水坝9为备用透水坝，设置于第一透水坝1与第二透水坝2之间。当需要对铁处理单元的第一透水坝1中的去除铁的填料5，或者硫酸盐处理单元的第二透水坝2中的还原硫酸盐的填料6进行更换时，启用第四透水坝9，第四透水坝9中放入相应的需更换的一体式填料后，再对铁处理单元或者硫酸盐处理单元的填料进行更换。第四透水坝9后接第四沉淀凹槽14，第四沉淀凹槽14设置于第四透水坝9与第二透水坝2之间。当第四透水坝9中装有去除铁的填料5时，第四沉淀凹槽14用于接收经第四透水坝9后河道内的铁沉淀。

第五透水坝10为备用透水坝，设置于第三透水坝4与第三沉淀凹槽13之间。第五透水坝10既可作为第三透水坝4更换去除锰的填料7的备用坝体；不同地区的酸性矿井涌水含其他重金属离子，也可将第五透水坝10中填入吸附式填料，作为其他重金属离子的末端处理步骤。第三沉淀凹槽13设置于第三透水坝4的下游，用于接收锰处理单元的沉淀或者其他重金属沉淀。

第一沉淀凹槽11、第二沉淀凹槽12、第三沉淀凹槽13和第四沉淀凹槽14内沉淀物定期由污泥泵抽出，脱水后处理。

通过以上处理设施的设置构成了一种对酸性矿井涌水处置效率高、占地面积小、易操作的处理系统。酸性矿井涌水通过铁处理单元的去除铁的填料5时，使酸性矿井涌水的pH升高，同时缓释材料开始释放，酸性矿井涌水中的铁离子生成铁沉淀，铁沉淀在流动过程中沉淀于第一沉淀凹槽11中被去除；pH升高后的废水流经硫酸盐处理单元的第二透水坝2，废水中的硫酸根离子被还原硫酸盐的填料6还原硫酸根为硫离子，硫离子与废水中其他重金属离子形成沉淀并得到去除；废水进一步通过在锰处理单元的生物转盘3，转盘的可更换木质薄板盘体上负载的锰氧化菌将废水中的一部分Mn²⁺氧化为不溶性的高价锰，另一部分未被氧化的Mn²⁺经过去除锰的填料7，可以进一步使废水中的锰离子得到去除。先用生物转盘将废水中的一部分Mn²⁺氧化为不溶性的高价锰，后续在透过锰砂填料透水坝时不仅可以将另一部分未被氧化的Mn²⁺去除，同时也可对前期工序产生的不溶性沉淀物起到过滤作用。

Claims (8)

1.一种酸性矿井涌水的处理系统，其特征在于：包括依次沿酸性矿井涌水的河道或水道的水流方向设置的第一透水坝（1）、第二透水坝（2）、生物转盘（3）、第三透水坝（4），所述第一透水坝（1）、所述第二透水坝（2）、所述第三透水坝（4）均横跨所述河道或所述水道设置，所述生物转盘（3）转动安装于支撑架（8）上，且部分位于水面以上，所述支撑架（8）固定于所述河道、水道底部或岸上，所述生物转盘（3）上负载有锰氧化菌；

所述第一透水坝（1）中填充有去除铁的填料，所述第二透水坝（2）中填充有还原硫酸盐的填料，所述第三透水坝（4）中填充有去除锰的填料；

所述酸性矿井涌水的处理系统还包括第四透水坝（9），所述第四透水坝（9）横跨所述河道或所述水道设置，且设置于所述第一透水坝（1）与所述第二透水坝（2）之间；

所述第四透水坝（9）用于更换去除铁的填料或者还原硫酸盐的填料时的备选。

2.根据权利要求1所述的一种酸性矿井涌水的处理系统，其特征在于：还包括第五透水坝（10），所述第五透水坝（10）横跨所述河道或所述水道设置，且设置于所述第三透水坝（4）的下游。

3.根据权利要求1所述的一种酸性矿井涌水的处理系统，其特征在于：还包括第一沉淀凹槽（11）、第二沉淀凹槽（12）和第三沉淀凹槽（13），所述第一沉淀凹槽（11）设置于所述第一透水坝（1）的下游，所述第二沉淀凹槽（12）设置于所述生物转盘（3）下方，所述第三沉淀凹槽（13）设置于所述第三透水坝（4）的下游。

4.根据权利要求1所述的一种酸性矿井涌水的处理系统，其特征在于：还包括第四沉淀凹槽（14），所述第四沉淀凹槽（14）设置于所述第四透水坝（9）与所述第二透水坝（2）之间。

5.一种利用权利要求1-4中任意一项所述的酸性矿井涌水的处理系统的处理方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、在第一透水坝中填充去除铁的填料，在第二透水坝中填充还原硫酸盐的填料，在第三透水坝中填充去除锰的填料；

S2、酸性矿井涌水通过去除铁的填料，使酸性矿井涌水中的铁离子生成铁沉淀；

S3、经过S1处理后的废水通过还原硫酸盐的填料，使硫酸根还原为硫离子，硫离子与废水中其他重金属离子形成沉淀；

S4、经过S2处理后的废水通过生物转盘和去除锰的填料，将Mn²⁺氧化为不溶性的高价锰沉淀；

S5、定期抽出S1、S2和S3产生的沉淀。

6.根据权利要求5所述的处理方法，其特征在于：还原硫酸盐的填料包括负载硫酸盐还原菌的秸秆碎块或木屑。

7.根据权利要求5所述的处理方法，其特征在于所述去除铁的填料为缓释材料，所述缓释材料的制备方法包括以下步骤：

环保型蜂蜡熔融后，将能释放出氧气的药剂注入熔融态环保型蜂蜡中，搅拌，使能释放出氧气的药剂在蜂蜡中均匀分布，然后冷却制得缓释材料；能释放出氧气的药剂选自过氧化物或超氧化物的其中一种或多种。

8.根据权利要求5所述的处理方法，其特征在于：去除锰的填料为除锰滤料。

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