CN112321076A - 一种酸性矿井水的级联处理系统 - Google Patents
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Abstract
一种酸性矿井水的级联处理系统，属于酸性矿井水处理领域，可解决现有酸性矿井水处理技术未实现酸性矿井水中高浓度铁离子的回收利用，未充分发挥处理过程中物理、化学和生物等因素的协同作用的问题，本发明通过加入碱性物质调节酸碱性，实现对铁离子的分级沉淀和回收；利用可渗透反应墙中填充基质的物理吸附作用阻止高盐离子进入随后的处理环节；利用微生物发酵池中微生物活动产生热量以节约外部动力；利用多年生湿生植物的搭配及组合对酸性矿井水污染环境中不同种类污染物分解吸附的生物作用，发挥回收和处理过程中物理、化学和生物等过程的协同作用。本发明将有效回收并生成含铁黄色素，解决矿井水净化过程中成本高、净化效果不理想的问题。
Description
技术领域
本发明属于酸性矿井水处理技术领域，具体涉及一种酸性矿井水的级联处理系统。
背景技术
酸性矿井水是生产中矿井或已关停煤矿中产生的低pH值，并含高浓度铁、铝、锰、锌等金属离子和硫酸根离子的一种工业污水，具有污染面大，污染时间长，水质水量波动大的特点。当前酸性矿井水处理技术集中于采用物理、化学、生物和生态湿地等处理方法中的一种或两种，通过物理、化学及生物作用，沉降、吸附或分解其中的污染成分，且在处理过程中依赖外部动力对酸性矿井水进行分级处理，尚未实现酸性矿井水中高浓度铁离子的高效回收利用，未充分发挥处理过程中物理、化学和生物等因素的协同作用，在矿井水资源回收利用和处理过程中的经济效益、社会效益和生态效益仍有优化空间。
发明内容
本发明针对现有酸性矿井水处理技术尚未实现酸性矿井水中高浓度铁离子的高效回收利用，未充分发挥处理过程中物理、化学和生物等因素的协同作用的问题，提供一种酸性矿井水的级联处理系统。
本发明是一种针对酸性矿井水中高浓度铁离子进行沉降回收，随后对水体进行逐级净化的系统，各处理单元间利用水体落差的重力自流和虹吸原理等串联连接，实现了酸性矿井水的高效回收及净化。本发明中，通过外部加入碱性物质调节矿井水的酸碱性，实现对其中铁离子的分级沉淀和回收；利用可渗透反应墙中填充基质的物理吸附作用阻止高盐离子进入随后的处理环节；利用微生物发酵池中微生物活动产生热量以节约外部动力；利用多年生湿生植物的搭配及组合对酸性矿井水污染环境中不同种类污染物分解吸附的生物作用，充分发挥回收和处理过程中物理、化学和生物等过程的协同作用。本发明将有效回收并生成含铁黄色素，解决矿井水净化过程中成本较高、净化效果不理想且不可持续的问题，实现酸性矿井水中含铁黄色素的沉降回收、硫酸根离子生物降解、重金属离子生物富集，低成本、低风险且具有较高的综合效益。
本发明采用如下技术方案：
一种酸性矿井水的级联处理系统，包括用于铁离子选择性沉降的回收池、装有可渗透反应墙的第二级处理单元、物化反应池、微生物发酵池和生态湿地池，其中，回收池位于酸性矿井水排出口，位于地面以下，回收池的出水口与第二级处理单元通过跌水式进水口连接，物化反应池位于地面以下，与可渗透反应墙相邻，一端设有入水口和入水阀门，另一端通过虹吸式排水口与微生物降解池的入水口连接，微生物降解池的出水口通过虹吸式排水口与生态湿地池连接。
所述用于铁离子选择性沉降的回收池的池底设有大于10°的倾角斜面，回收池内加有5.7g/L的碳酸氢钠溶液。
所述可渗透反应墙内设有透水反应介质。
所述透水反应介质包括粉煤灰、马兰黄土或膨润土中的任意一种。
所述物化反应池的池底设有倾角为1°的斜面。
所述微生物发酵池的数量为两个。
所述物化反应池的虹吸式排水口设有软管，软管的管口设有环状浮子，软管末端设有Y型管，分别与两个微生物发酵池连接。
所述物化反应池的池底设有石灰石层。
所述微生物发酵池的顶部设有若干钢索，钢索上吊装有固化被，固化被内设有载体，载体上吸附有氧化亚铁硫杆菌和氧化铁硫杆菌，微生物发酵池的表面覆盖有塑料布层，侧壁设有起保温加热作用的水管。
所述生态湿地的底部设有垫层，垫层上种植植被，外围种植柳树，内部种植芦苇、莎草和柳树，所述垫层从上至下依次为腐殖土层、布水层、透水层和集水层，布水层和集水层分别埋设有集水管，集水管上设有穿孔，集水层的底部设有复合土工膜。
所述腐殖土层为受酸性矿井水污染的土壤，布水层、透水层和集水层均为碎石、砾石、煤块、粗砂、细砂、炉渣、沸石和硅灰石中的一种或几种。
所述腐殖土层、布水层、透水层和集水层的厚度分别为600-700mm、200-300mm、300-500mm和300-500mm。
本发明的有益效果如下：
本发明可实现酸性矿井水的资源化和分级净化，基于排出或出露的酸性矿井水中含有高浓度铁离子，用于回收并生产含铁黄色素，随后设计多级处理单元吸附和降解酸性矿井水中的硫酸根离子和金属离子。通过加入一定浓度的碳酸氢钠，可提升酸性矿井水的酸碱性，致使水体中铁离子形成氢氧化铁沉淀，静置一定时间后，通过抽真空泵从池底回收沉淀，将含有氢氧化铁沉淀的液体中加入硝酸溶液，形成铁的水合离子，再加入高浓度的氢氧化钾，使水合铁结晶，形成含铁黄色结晶，该环节中除掉铁离子的同时，带入钠离子，因此随后设计可渗透反应墙，以吸附、降解和淋滤污染物。物化反应池中，利用分级基质拦截过滤和石灰石或石灰等碱性物质作为中和剂发生中和反应，降低水体酸度并显著提升水体pH值；在微生物发酵池中，利用吸附法，将氧化铁硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌固定在由涤棉纱布制成的固化被上，微生物作用下降解去除铁离子和硫酸根离子；生态湿地池的下垫层基质分层布控，由不同粒径碎石、砾石、煤块、炉渣等固体废弃物与土壤混合构建生态湿地池基质，为湿地植物生长提供适宜环境，在湿地植物根系和根际微生物作用下，进一步吸收富集并积累铜、锰、锌等重金属离子。
该酸性矿井水级联处理系统是将含铁黄色素回收、中和酸碱性和微生物分解硫酸根离子、植物根系和根际微生物的降解富集污染物的物理、化学和生物作用的有机结合，基于沉降和中和反应、微生物的降解净化作用、人工湿地植物的降解和吸附作用，可实现对酸性矿井水的逐级回收处理和净化，在持续收获含铁沉淀、更换可渗透反应墙填充物、石灰石、微生物固化被和收获湿地植物成熟的茎叶下，可保证污水中污染物被持续有效地移走。
该回收处理系统构造简单，建造成本低，外动力依赖程度低，处理风险低，可实现酸性矿井水的高效资源化处理；经沉淀、洗脱和洗出的含铁黄色素结晶，可用于给混凝土、砂浆或涂料等材料的着色；经处理后水质明显改善，可实现矿区工业用水的回用，缓解用水压力并减少对干净受纳环境的污染，建成后可运行多年，管理维护费用低廉，性价比较高。此外，人工湿地中的经济作物回收利用也可产生一定的经济价值。
附图说明
图1为本发明的物化反应池的结构示意图；
图2为本发明的物化反应池的剖面图；
图3为本发明的微生物发酵池的结构示意图；
图4为本发明的微生物发酵池的剖面图；
图5为本发明的生态湿地池的结构示意图；
图6为本发明的生态湿地池的剖面图；
图7为本发明的级联处理系统的结构示意图；
其中：1-回收池；2-第二级处理单元；3-可渗透反应墙；4-物化反应池；5-微生物发酵池；6-生态湿地池；7-石灰石层；8-钢索；9-腐殖土层；10-布水层；11-透水层；12-集水层。
具体实施方式
结合附图，对本发明做进一步说明。
用于酸性矿井水原位回收含铁黄色素和净化处理的级联系统，包括铁离子选择性沉降回收池、可渗透反应墙、物化反应池、微生物发酵池和人工生态湿地池五大主体部分。本发明选址在酸性矿井水排出和出流的原位，其中，铁离子选择性沉降回收池进行铁离子的沉淀、溶解和结晶；可渗透反应墙吸附含铁黄色素分级沉淀时带入的盐离子；物化反应池发生沉降和中和反应，通过物理缓冲及过滤沉降过程去除固体杂质，并结合化学反应过程调控酸碱性，使水体酸碱性达到进入微生物降解池的要求；进入微生物发酵池后，基于池内固定的浸矿细菌（氧化亚铁硫杆菌、氧化铁硫杆菌、硝化细菌等）的代谢活动，进一步降解硫酸根离子和残留铁离子；经过处理后的废水最后流入人工湿地池，基于植物（芦苇、蒲草、柳树等）、基质和根际微生物的综合作用，最终吸收并富集残留的Fe、Mn、Cd、Cr、Cu和As等重金属离子。
第一级为含铁黄色素选择性沉降回收部分，主体为修建在地面以下的水池，池底为大于10°倾角的斜面，池内配备有pH检测仪，根据汇集水体体积，按照5.7 g/L 用量加入碳酸氢钠，将pH值低于3的酸性矿井水的pH值调整到3.7左右，此时酸性矿井水中Fe3+离子逐渐形成微溶的Fe(OH)3，化学反应式为：Fe3+(aq)+3OH-(aq)→Fe(OH)3↓；将沉淀到池底的Fe(OH)3通过真空泵吸附回收后，加入硝酸溶液，形成水溶性的[Fe(H2O)6]3+，化学反应式为：Fe(OH)3 +3HNO3→[Fe(H2O)6]3+；为进一步形成含铁黄色素结晶，加入氢氧化钾，以形成含铁水合物的结晶，化学反应式为：[Fe(H2O)6]3++KOH→(Fe5HO8▪4H2O)n，最后以结晶形态分离了含铁的黄色素。加入硝酸溶液的处理在系统外进行。回收铁离子后的水体pH值在3.7左右，新增入Na离子。
第二级为地下可渗透反应墙，内置有粉煤灰、马兰黄土、膨润土等透水反应介质，与第一级处理单元间设计跌水式进水口，间隔一定距离垂直于地下水流方向安放，可发生吸附、降解、淋滤等作用去除酸性矿井水中盐离子、金属、有机质等污染物质。
如图1和图2所示，第三级为物化反应池，为修建在地面以下的长宽适宜，深数米水池，紧邻可渗透反应墙。池底设置倾角为1°的斜面，设计有入水口与进水阀门，虹吸式排水口。虹吸式排水口为长软管，管口加装环状浮子，使管口刚好浸没在在酸性矿井水表层以下。软管末端接Y形管，分别安装阀门接入之后的两个发酵池中。池底铺设一定厚度的石灰石，待废水反应沉淀6小时后，打开相应排水阀门，利用虹吸现象将表层无杂质废水排入相应发酵池。待排放完毕后，需入池收集处理池底污泥，再次铺设石灰石重复上述步骤。
如图3和图4所示，第四级为微生物发酵池，为两个挖设于地面以下的长宽深适宜的水池，利用氧化亚铁硫杆菌等原生境中土著微生物的分解作用，进一步降解去除废水中SO42-等有害离子。其中微生物菌群固着在固化被上，吊装在横跨池边的钢索上，预埋保温加热水管，以应对冬季极端低温环境。发酵池表面加盖塑料布。菌群固化被由涤棉纱布制成厚3cm、长2m、宽1m的固化被，培养氧化亚铁硫杆菌和氧化铁硫杆菌。固化被中载体为0.9-1.1cm见方的纱布碎片，利用吸附法将菌群固定于其上。低温时补充碳源以增强菌群数量和生物活性。
如图5和图6所示，第五级为生态湿地池，利用湿地生态系统中植物对重金属离子等有害物质的吸附作用和植物发达根系的根际微生物对有害离子的降解、吸附和富集作用，达到污水净化的目的。所选植物均为原生境中芦苇、香蒲、莎草和柳树等适生植被，最外围种植柳树，以拦截人畜进入，内部将芦苇、莎草和柳树间隔有序种植，并采取人工驯化方法进行育苗，在构建湿地池时搭配种植，并辅以人工补苗、及时收割和更新等管理措施。
生态湿地池的下垫层基质分层布控，从上到下依次为腐殖土层、布水层、透水层和集水层，腐殖土层填料选择受酸性矿井水污染的本地常见土壤，根据本地土壤适当的增加某些土壤成分并进行调配，使之成为比较适合湿地植物生长的土壤，其余各层填料选择碎石、砾石、煤块、粗砂、细沙、炉渣、沸石、硅灰石等一种或几种本地常见的混合物，且各层粒径由上到下依次增大。隔层厚度依次选择厚度为600-700mm、200-300mm、300-500mm和300-500mm。布水层和集水层填料中埋设有集水管，集水管为穿孔管，孔径和孔间距视具体情况而定；对于生态湿地池的防水处理，可在集水层下方铺设复合土工膜做防水用。
如图7所示，上述五个处理单元池顺序串联组成级联处理系统。排出或出露的酸性矿井水经水道疏通引导后在重力自流作用下进入含铁黄色素回收池，池中水体充满后在重力自流作用下进入装有可渗透反应墙的第二级处理单元，经可渗透反应墙内介质的物理和化学作用后，渗透到物化反应池，物化池处理的矿井水经虹吸排水后进入生物发酵池，微生物发酵池处理后的水体经虹吸排水进入生态湿地池，串联单元间流通无需外加动力。
每个单元池都相应配置有检测仪器，当检测出某一单元池内各离子浓度达不到预期效果时，考虑为是否填充基质有问题而更换基质。通过级联处理设备，可去除酸性矿井水中的大部分硫酸根离子，不同价位铁离子以及其他重金属离子，达到净化目的。
为了达到更好的处理效果，可以根据实际情况在处理系统之前配置蓄水池，提前蓄好水，为后续的处理过程做准备。
Claims (10)
1.一种酸性矿井水的级联处理系统，其特征在于：包括用于铁离子选择性沉降的回收池、装有可渗透反应墙的第二级处理单元、物化反应池、微生物发酵池和生态湿地池，其中，回收池位于酸性矿井水排出口，位于地面以下，回收池的出水口与第二级处理单元通过跌水式进水口连接，物化反应池位于地面以下，与可渗透反应墙相邻，一端设有入水口和入水阀门，另一端通过虹吸式排水口与微生物降解池的入水口连接，微生物降解池的出水口通过虹吸式排水口与生态湿地池连接。
2.根据权利要求1所述的一种酸性矿井水的级联处理系统，其特征在于：所述用于铁离子选择性沉降的回收池的池底设有大于10°的倾角斜面，回收池内加有5.7g/L的碳酸氢钠溶液。
3.根据权利要求1所述的一种酸性矿井水的级联处理系统，其特征在于：所述可渗透反应墙内设有透水反应介质。
4.根据权利要求3所述的一种酸性矿井水的级联处理系统，其特征在于：所述透水反应介质包括粉煤灰、马兰黄土或膨润土中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种酸性矿井水的级联处理系统，其特征在于：所述物化反应池的池底设有倾角为1°的斜面。
6.根据权利要求1所述的一种酸性矿井水的级联处理系统，其特征在于：所述微生物发酵池的数量为两个，物化反应池的虹吸式排水口设有软管，软管的管口设有环状浮子，软管末端设有Y型管，分别与两个微生物发酵池连接。
7.根据权利要求1所述的一种酸性矿井水的级联处理系统，其特征在于：所述物化反应池的池底设有石灰石层。
8.根据权利要求1所述的一种酸性矿井水的级联处理系统，其特征在于：所述微生物发酵池的顶部设有若干钢索，钢索上吊装有固化被，固化被内设有载体，载体上吸附有氧化亚铁硫杆菌和氧化铁硫杆菌，微生物发酵池的表面覆盖有塑料布层，侧壁设有起保温加热作用的水管。
9.根据权利要求1所述的一种酸性矿井水的级联处理系统，其特征在于：所述生态湿地的底部设有垫层，垫层上种植植被，外围种植柳树，内部种植芦苇、莎草和柳树，所述垫层从上至下依次为腐殖土层、布水层、透水层和集水层，布水层和集水层分别埋设有集水管，集水管上设有穿孔，集水层的底部设有复合土工膜。
10.根据权利要求9所述的一种酸性矿井水的级联处理系统，其特征在于：所述腐殖土层为受酸性矿井水污染的土壤，布水层、透水层和集水层均为碎石、砾石、煤块、粗砂、细砂、炉渣、沸石和硅灰石中的一种或几种；所述腐殖土层、布水层、透水层和集水层的厚度分别为600-700mm、200-300mm、300-500mm和300-500mm。
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