CN112746595B - 一种河道围隔截污处理系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于污水治理技术领域，涉及一种河道围隔截污处理系统，具体涉及一种含铁矿井水污染河道围隔截污处理系统。所述河道围隔截污处理系统包括隔水幕墙和雍水坝；所述隔水幕墙设置于雍水坝上游大于100m处，所述隔水幕墙主要包括隔水幕布、固定桩和浮筒等，所述隔水幕墙与两侧河岸围成库盆。通过设置合理的清水和含铁矿井水比例和水力停留时间，达到含铁矿井水自然中和、氧化、沉淀和清污分离的目的。该体系运行维护简便，充分利用河道特性，不需添加任何化学药品，可实现含铁悬浮物的沉淀，有效净化受含铁矿井水污染的河道，并阻止含铁矿井水污染的扩散。

Description

一种河道围隔截污处理系统及其应用

技术领域

本发明属于污水治理技术领域，涉及一种河道围隔截污处理系统及其应用，具体涉及一种含铁矿井水污染河道围隔截污处理系统及其应用。

背景技术

煤矿酸性矿井水形成的机理是煤矿伴生或上覆岩体中硫铁矿的氧化，主要与矿山的硫化物自身组成元素、开采方式及当地的水文地质条件、气候、温度及微生物条件有关。其氧化的基本过程与反应如下：

通过反应式（1）～（4）氧化的基本过程，水的酸度增大。

在伴生硫铁矿的煤矿地下开采特别是平洞开采过程中，采掘活动破坏了地下含水层和煤层之间的隔水层，使得其中的孔隙水、裂隙水和（或）溶洞水渗入含硫铁矿的煤层，导致铁离子溶出，形成含铁矿井（坑）水，矿井水通常以点源或面源的形式进入周边水体环境，这些污染物质在水中不断经氧化等作用逐步转化，最终形成以Fe(OH)₃和Fe₂O₃等金属化合物和以硫酸钙为主的硫酸盐类。被污染的河流颜色随着铁含量及其他污染物含量的多少而从青灰色到浅黄到深黄褐色不等，通常被称为“锈水河”。根据实验，河水总铁浓度达到约0.5mg/L时出现轻微的黄色，水体透明度约50cm；总铁含量1mg/L时，呈现明显的铁锈黄色，水体透明度约为25cm；总铁含量5mg/L时，呈现深黄色，水体透明度约为10cm。

目前，国内矿井水处理多采用末端处理技术，主要有中和沉淀法、缺氧石灰石沟法、可渗透反应墙、人工湿地和硫酸盐还原菌反应器等。

中和沉淀法是将中和剂投入酸性废水中，提升废水的pH，金属离子在碱性条件下生成氢氧化物沉淀，从而从废水中去除。传统的石灰中和法存在严重结钙、浓密机浓缩效果差等问题，产生大量不易脱水的硫酸钙渣，这些底泥处理不当会对附近水体造成二次污染。此外中和沉淀法在实际含铁矿井水处理过程中中和剂用量较多，且需要长期管理维护。

缺氧石灰石沟法是将石灰石埋在地下沟渠中，矿井水流经沟渠，使石灰石不断溶解，产生碱度。在缺氧的条件下，避免了Fe²⁺氧化进而形成的Fe(OH)₃包裹于石灰石表面，此法对酸性矿井水进水溶解氧和 Fe³⁺等要求较高，并不适用于单独处理高浓度的酸性矿山废水。

可渗透反应墙是利用可渗透反应墙原理结合微生物修复来进行含酸矿井水处理。通过挖掘沟渠，并在沟渠中填充活性材料（如有机固体混合物、石灰石或砾石），这些活性材料要能满足水流正常渗透。还原性的微生物在可渗透反应墙中生长并产生碱度，同时与石灰石溶解产生的碱度共同作用于废水，金属离子以硫化物、氢氧化物、碳酸盐沉淀形式得以去除。该技术无需外加动力，反应池构建于地下，不占地面空间，但随着运行时间的延长，有毒元素和死亡代谢微生物和有机质在可渗透反应墙中累积，系统逐渐失去对污染物的拦截和捕捉能力，从而系统崩溃。

人工湿地法是利用自然湿地生态系统中物理、化学、生物的协同作用，通过沉淀、吸附、阻隔、微生物同化分解、硝化、反硝化以及植物吸收等途径去除悬浮物、有机物、N、P和重金属等。人工湿地法占地面积大，处理程度受环境影大，重金属不易回收。

硫酸盐还原菌法是在SO₄ ^2-充足的环境中，异化硫酸盐还原代谢细菌以有机物为电子供体，以 SO₄ ^2-为电子受体，氧化有机物，通过对有机物的异化作用获得生命所需的能量，同时将SO₄ ^2-进行还原。该方法处理速度慢、要求反应器的体积大、管理复杂。

上述技术方案虽然能够对含铁矿井水进行处理，但是基于含铁矿井水的污染机制和排放特点，以上方法难以实现对含铁矿井水污染的长效控制，并且存在处理成本高、运行维护复杂和占地面积大等问题。因此开发一种具有高效、成本低、管理及运行维护简便的含铁矿井水治理方法很有工程应用价值和前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对含铁矿井水现有技术方法存在的处理成本高、运行维护工作量大和难以保持长效治理效果等方面存在的不足，本发明根据含铁矿井水点源及面源污染河道的方式，提供一种含铁矿井水污染河道围隔截污处理系统及其应用。本发明充分利用物理、化学作用实现污染河流清污分流，避免含铁矿井水对下游河流的扩散污染，从而达到治理缓流型含铁矿井水点源污染河道的目的，无需投加中和剂、絮凝剂等化学药剂，处理及运行维护成本低，无次生污染。

本发明的技术方案是：

一种河道围隔截污处理系统，包括干流、受含铁矿进水污染的支流和调蓄塘；所述干流设有雍水坝，所述支流设有幕墙，所述调蓄塘、受含铁矿进水污染的支流和干流从上游到下游依次连通，所述幕墙设置于含铁矿井水支流与干流汇合处，所述幕墙布置于雍水坝上游大于100m处，所述幕墙与两侧河岸围成库盆；

所述幕墙包括幕布和定位装置。

优选的，所述幕布定位装置包括固定装置、上纲、多个浮筒、限位桩及限位拉索；

所述固定装置包括混凝土固定墙和混凝土固定墩；所述混凝土固定墙固定幕布下缘并固定于河道底部；

所述多个浮筒之间通过浮筒固定绳连接，所述多个浮筒设置在幕布上端，并浮在水面上；所述浮筒穿设于竖向布置的上纲上，所述上纲的下端与混凝土固定墩通过限位拉索相连；所述幕布转弯处和两侧每隔预设的距离设置限位桩。

幕墙起到阻隔含铁底泥的主要部位为拦挡幕布，拦挡幕布为土工织物结构，幕墙目前主要用于水库下泄低温水的治理，例如现有技术中1（练继建, 杜慧超, 马超. 幕布改善深水水库下泄低温水效果研究[J]. 水利学报, 2016, 47(007):942-948.）和现有技术2（王海军, 冯立阳, 练继建. 深水水库幕布透水率对下泄水温影响研究[J]. 水资源与水工程学报, 2020, v.31;No.149(01):142-147.）中公开的。水下固定墙、固定桩墩、限位桩采用的是常规的混凝土结构，为拦挡幕布起到固定和限位的作用。

所述幕墙利用幕布形成封闭围挡空间，水下固定墙固定幕布下缘并密封底部，上纲及浮筒保证幕布竖立、并随水位变化，保证不出现跑泥现象。固定桩墩和限位拉索控制上纲及浮筒的横向移动，限位桩设置在幕墙转弯处，以此限制幕墙围隔区域的大致布局。

优选的，所述幕布透水不透泥。

优选的，所述幕布选用有纺土工布制备，其渗透系数不小于1.0×10-3，孔径小于0.2mm。

此孔径和渗透系数保证了水可自由通过，但含铁悬浮物质和底泥会被阻隔下来。

优选的，所述幕墙与雍水坝之间的距离为100m-200m。

优选的，所述雍水坝为混凝土坝。

本发明还提供了一种含铁矿井水处理方法，采用上述的河道围隔截污处理系统对含铁矿井水进行处理。

优选的，库盆内水流流速小于0.03m/s。

在此流速下，悬浮态Fe(OH)₃可充分沉淀成底泥。

优选的，在受含铁矿井水污染的支流中设置多处堆石或树木。

通过调整调蓄塘出水口高程调节含铁矿井水进入支流中的流量，使支流水和含铁矿井水按照不小于20：1的比例在支流中充分的中和、氧化。

优选的，含铁矿井水总铁浓度为50-200mg/L。

优选的，含铁矿井水在支流中的水力停留时间为1-3d，含铁矿井水从进入支流至到达幕墙的水力停留时间不低于3d。

在此条件下可保证Fe²⁺在河流中的充分自然中和、氧化，并沉淀在库盆中。

一方面，通过合理选择雍水坝的位置，降低水体流速，使库盆内水流流速小于0.03m/s，使得中和、氧化后的悬浮物和底泥能够有效沉淀。另一方面，在支流中通过堆石或树木起到拦水作用等措施，减缓水体流速，从而延长含铁矿井水在支流中的水力停留时间。所述库盆的体积可根据含铁矿井水的浓度、库盆内水流流速和水力停留时间等参数计算得到。

优选的，支流清水和含铁矿井水污水按照不小于20：1的流量比例混合，混合后在支流中充分氧化、中和。

而库盆内水流流速小于0.03m/s，能够很好的沉淀，净化后的水透过幕墙进入河流下游，污泥沉淀于库盆区域，定期采用绞吸船清理底泥，控制底泥对河流的污染。

优选的，含铁矿井水总铁浓度不大于200mg/L。

与中和沉淀法相比，本发明的系统是利用自然氧化沉淀，相比于中和沉淀法是借助中和沉淀药剂使铁离子沉淀，更节约成本，同时环保。

下面对本发明做进一步的解释：

含铁矿井水呈强酸性，在其本身强酸性体系中，亚铁离子不会沉淀。含铁矿井水通过调蓄塘控制进入支流的流量，使支流流量与进入支流的含铁矿井水流量呈一定比例，此比例不小于20:1。在此条件下，pH值提高明显，Fe²⁺氧化后中和形成氢氧化铁沉淀。又由于支流的流速相对较快，不能提供有利的沉降条件，直至进入幕墙围成的区域，缓慢沉降。至此，含铁矿井水中的亚铁离子被沉降，清水透过幕布流往下游。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明利用幕墙和雍水坝形成含铁矿井水污染河道围隔截污处理系统，利用适宜清污比混合，达到含铁矿井水Fe²⁺自然中和、氧化和沉淀。该体系运行、维护简便，充分利用河道自净，不需添加任何化学药品，有效净化受含铁矿井水污染的河道，实现清污分离，避免对下游水环境的污染。

2、本发明不需添加任何中和剂，工程运行维护费用低。利用含铁矿井水污染物迁移、转化规律，实现自然处理。运行维护简单、且运行维护费用低，在本技术领域具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明的河道围隔截污处理系统平面布置图；

图2为幕墙断面示意图；

图3为幕墙立面示意图；

图4为受含铁矿井水污染河流中游和下游雍水坝处水质现状对比。

其中：

1—幕墙 7—幕布

2—浮筒 8—混凝土固定墙

3—混凝土固定墩 9—水位线

4—限位桩 10—河道底泥

5—雍水坝 11—上纲

6—限位拉索 12—浮筒固定绳

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图1-3所示，本发明的河道围隔截污处理系统如下：包括干流、受含铁矿井水污染的支流和调蓄塘；所述干流河道和支流分别设有雍水坝5和幕墙1，所述调蓄塘、支流和干流依次连通，所述幕墙1布置于雍水坝5上游大于100m，所述幕墙1设置于支流与干流汇合处，所述幕墙1与两侧河岸围成库盆；

利用雍水坝5和幕墙1形成有效的河流清污分流围隔体系，将含铁矿井水引入围隔体系。根据支流的平均流量，在含铁矿井水出口处设置调蓄塘，通过调整调蓄塘出水口高程调节含铁矿井水进入支流中的流量，使支流流量和含铁矿井水按照不小于20：1的比例充分的中和、氧化。雍水坝5形成的上游库区内水体流速小于0.03m/s，悬浮态Fe(OH)₃在库盆内完成沉淀，治理后的清水通过隔泥幕墙进入下游河道。幕墙1有效拦截的污染底泥沉淀后，定期采用绞吸船清理，消除内源污染。

幕墙由幕布7、混凝土固定墙8、上纲11、浮筒2、浮筒固定绳12、混凝土固定墩3、限位桩4及限位拉索6组成。混凝土固定墙8固定幕布7下缘并固定于河道底泥中；所述多个浮筒2之间通过浮筒固定绳12连接，所述多个浮筒2设置在幕布7上端，并浮在水面上；浮筒2穿设于竖向布置的上纲11上，上纲11的下端与混凝土固定墩3通过限位拉索6相连；幕布转弯处和两侧每隔预设的距离设置限位桩4。利用幕布形成封闭围挡空间，幕布下缘采用混凝土固定墙8固定，幕布上缘布置上纲11和浮筒2，以此保证幕布竖立且可随水位变化幕布高度，不出现跑泥现象。水下固定墙埋入基础一定深度，固定幕布下缘和保证底部密封，布置混凝土固定墩3和限位拉索6控制上纲及浮筒的横向移动。

在已实施的工程中，含铁矿井水呈强酸性，pH值为2.8，在其本身强酸性体系中，亚铁离子不会沉淀。含铁矿井水通过调蓄塘控制进入支流的流量，使支流流量与含铁矿井水流量呈一定比例，此比例不小于20:1。在此条件下，pH值提高明显，亚铁离子逐步氧化，变成铁离子，然后形成氢氧化铁沉淀。又由于支流的流速相对较快，无法提供有利的沉降条件，不能沉降，直至进入围隔截污体系中，缓慢沉降。

在含铁矿井水在支流中的水力停留时间为1.2d，含铁矿井水从进入支流至到达幕墙的水力停留时间为3d，水体流速为0.03m/s的情况下，氧化形成的含铁底泥在到达坝址前已基本沉淀（见下图4）。针对受含铁矿井水污染河道的情况下，本发明通过设置雍水坝和幕墙，减缓水体流速、延长水力停留时间，使污染物能够有效中和、氧化和沉淀，阻隔污染物的进一步扩散，保证下游河道不受含铁矿井水污染。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种含铁矿井水处理方法，其特征在于，控制含铁矿井水进入支流的流量，通过河道围隔截污处理系统对含铁矿井水进行处理；

所述含铁矿井水在库盆内的水流流速小于0.03m/s；

含铁矿井水在支流中的水力停留时间为1-3d；

所述河道围隔截污处理系统，包括干流河道、受含铁矿进水污染的支流和调蓄塘；所述干流河道设有雍水坝，所述受含铁矿进水污染的支流设有幕墙，所述调蓄塘、支流和干流河道依次连通，所述雍水坝布置于幕墙下游大于100m处，所述幕墙设置于含铁矿井水与干流河道的汇合处，所述幕墙与河岸围成库盆；

所述幕墙包括幕布和定位装置，所述幕布透水不透泥；

所述幕布选用有纺土工布制备，其渗透系数不小于1.0×10^-3，孔径小于0.2mm；

在支流中设置多处堆石或树木；使支流水和含铁矿井水按照不小于20：1的比例在支流中充分的中和、氧化；

所述含铁矿井水通过调蓄塘进入支流，在支流中逐步中和、氧化，然后在库盆中沉淀。

2.根据权利要求1所述的含铁矿井水处理方法，其特征在于，所述定位装置包括固定装置、上纲、多个浮筒、限位桩及限位拉索；

所述固定装置包括混凝土固定墙和混凝土固定墩；所述混凝土固定墙固定幕布下缘于河道底部；

所述多个浮筒之间通过固定绳连接，所述多个浮筒设置在幕布上端，并浮在水面上；所述浮筒穿设于竖向布置的上纲上，所述上纲的下端与混凝土固定墩通过限位拉索相连；所述幕布的转弯处和两侧每隔预设的距离设置限位桩。

3.根据权利要求1所述的含铁矿井水处理方法，其特征在于，含铁矿井水总铁浓度不大于200mg/L。

4.根据权利要求1所述的含铁矿井水处理方法，含铁矿井水从进入支流至到达幕墙的水力停留时间不低于3d。

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