CN113149244B - 基于水动力因素提高酸性矿山废水处理效率的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于水动力因素提高酸性矿山废水处理效率的系统，涉及水化学处理技术领域，包括检测装置和搅动装置；所述检测装置包括检测传感器和检测控制器；所述搅动装置包括搅拌转轴、搅拌电机和搅拌外壳；搅拌外壳内转动连接有搅拌转轴，搅拌电机通过搅拌转轴转动连接搅拌外壳，搅拌转轴与搅拌外壳之间设有带过滤的网搅拌筒；检测传感器设置在搅拌筒与搅拌外壳之间，所述检测传感器通过电信号连接检测控制器；所述检测控制器还通过电信号连接有搅拌电机；通过包括检测传感器以及检测控制器的检测装置、包括搅拌转轴、搅拌电机以及搅拌外壳搅动装置，再通过搅拌筒，能够准确的模拟出不同水动力条件下石灰石在酸性矿山废水中溶解速率。

Description

基于水动力因素提高酸性矿山废水处理效率的系统
技术领域
本发明涉及水化学处理技术领域，具体是基于水动力因素提高酸性矿山废水处理效率的系统。
背景技术
矿产资源作为人类发展的基础资源，在为社会经济发展提供保障的同时，也不可避免对环境造成污染，大量的尾矿溃坝事故，引发了众多的社会灾难和环境问题，引起了世界范围对矿山废弃物(水)的关注，特别是矿山废水产生的环境问题日益引起人们关注。在各种废弃矿石中，通常含有大量的含硫矿物(如煤矸石、赤铁矿石等)，这些含硫矿石在空气中被氧化产生酸性矿山废水(Acid mine drainage，AMD)。酸性矿山废水具有pH值低、重金属离子浓度高等特点，是产生量大、产生范围广且对环境危害最严重的一类矿山废水。一方面，酸性矿山废水导致受纳水体中酸度增加，对水中生物生长带来不利影响；另一方面，酸性矿山废水中的重金属离子会破坏受纳水体环境，危害渔业和农业生产，污染饮用水源和土壤。因此，酸性矿山废水处理中的关键问题就是中和酸性矿山废水的酸度和去除重金属离子。
目前，处理酸性矿山废水的方法可以分为两大类：主动处理和被动处理。主动处理是采用人工投放的方法直接向矿坑水或受矿坑水污染的水体投放碱性物质以中和酸性矿山废水的酸度。这种方法的应用成本通常是很昂贵的，因为主动处理过程中要人为地添加化学药品，对日常运行和维护的要求也较高，不仅处理维护成本较高，而且不利于环保部门的监管。被动处理方法是指使酸性矿山废水流过碱性矿石，利用碱性矿石的溶解达到中和酸度和降低金属离子浓度的目的。被动处理方法不用人为地添加化学药品，只需要考虑一次性的投资，基本不需要运行和维护费用，是一种经济效益很高的酸性矿山废水处理方法，因而目前在世界各国得到了广泛应用。
在被动处理方法中，最常用的碱性矿物是石灰石。石灰石的溶解速度是制约被动处理系统效率的主要因素之一。由于石灰石的溶解速度很慢，酸性矿山废水流经石灰石需要的水力停留时间长。如果酸性矿山废水的流量很大，需要的占地面积就较大，会造成投资成本增大，无法体现该方法的优势。建立水动力条件与酸性矿山废水在石灰石中溶解速率的定量关系，可为解决石灰石溶解速度慢的问题提供理论支撑。而目前的模拟废水在石灰石中的溶解速率的实验系统，大多采用缓慢反应的方式，针对不同水动力条件下石灰石在酸性矿山废水中溶解速率，并未给出明确的溶解模型。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于水动力因素提高酸性矿山废水处理效率系统系，以至少达到准确模拟废水溶解以及简单实用的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
基于水动力因素提高酸性矿山废水处理效率的系统，包括检测装置和搅动装置；所述的检测装置包括检测传感器以及检测控制器；所述的搅动装置包括搅拌转轴、搅拌电机以及搅拌外壳；
所述的搅拌外壳内转动连接有所述的搅拌转轴，所述的搅拌电机通过搅拌转轴转动连接所述的搅拌外壳，所述的搅拌转轴与所述的搅拌外壳之间设有搅拌筒；所述的搅拌筒底端设有过滤网
所述的检测传感器设置在所述的搅拌筒的与所述的搅拌外壳之间，所述的检测传感器通过电信号连接所述的检测控制器；所述的检测控制器还通过电信号连接有所述的搅拌电机。
优选的，为了进一步实现准确模拟废水溶解的目的，所述的搅拌外壳顶端设有取样口、转轴口以及导线入口；所述的转轴口设置在所述的搅拌外壳的顶端圆心处；所述的取样口与导线入口相对所述的转轴口的轴心线所在竖直面对称设置；所述的转轴口内穿设有所述的搅拌转轴；通过采用均匀分布的取样口、转轴口以及导线入口，从而能够通过取样口实时监测酸性废水中的pH数据，再配合检测传感器，从而将不同水动力条件下的石灰石溶解速率的实时数据检测出，进而构建出完整的数据模型，准确模拟废水溶解石灰石的过程。
优选的，为了进一步实现准确模拟废水溶解的目的，所述的搅拌筒下方设有容纳石灰石的容纳层；所述的容纳层设置在所述的搅拌外壳底端的内壁；所述的容纳层由内到外依次包括容纳一区、容纳二区、容纳三区、容纳四区以及容纳五区；所述的容纳一区所在的轴心与所述的搅拌外壳的圆心的连线处于同一直线；所述的容纳五区抵接所述的搅拌外壳设置；通过将容纳层分区，将下层反应的石灰石表面呈现不同分区，从而能够考察不同分区内的废水中石灰石的溶解情况，达到准确模拟废水溶解的目的。
优选的，为了进一步实现简单实用的目的，所述的搅拌转轴的侧壁设有搅拌杆；所述的搅拌杆呈三角形设计；通过三角形设计的搅拌杆，从而将搅拌电机的动力准确传输给矿山废水，实现简单实用的目的。
优选的，为了进一步实现准确模拟废水溶解的目的，所述的检测传感器为声学多普勒流速仪ADV的传感器；通过限定检测传感器为声学多普勒流速仪ADV的传感器，从而能够测定溶液的流速、紊动动能、剪切力，进而配合取样口检测pH，进而准确模拟出石灰石溶解过程中的相关数据，进而实现准确模拟废水溶解的目的。
本发明的有益效果是：
1.通过包括检测传感器以及检测控制器的检测装置、包括搅拌转轴、搅拌电机以及搅拌外壳的搅动装置，通过以底端带过滤网的搅拌筒内搅动的搅拌转轴，从而将搅拌筒内的搅动流传递到搅拌外壳内的石灰石中，再通过包括检测传感器以及检测控制器，利用检测传感器检测搅拌筒内的水动力数据，从而能够准确的模拟出不同水动力条件下石灰石在酸性矿山废水中溶解速率模型，实现准确模拟的目的。
2.通过采用均匀分布的取样口、转轴口以及导线入口，从而能够通过取样口实时监测酸性废水中的pH数据，再配合检测传感器，从而将不同水动力条件下的石灰石溶解速率的实时数据检测出，进而构建出完整的数据模型，准确模拟废水溶解石灰石的过程。
3.通过将容纳层分区，将下层反应的石灰石表面呈现不同分区，从而能够考察不同分区内的废水中石灰石的溶解情况，达到准确模拟废水溶解的目的。
4.通过三角形设计的搅拌杆，从而将搅拌电机的动力准确传输给矿山废水，实现简单实用的目的。
5.通过限定检测传感器为声学多普勒流速仪ADV的传感器，从而能够测定溶液的流速、紊动动能、剪切力等数据，进而配合取样口检测pH，进而准确模拟出石灰石溶解过程中的相关数据，进而实现准确模拟废水溶解的目的。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为本发明的搅拌外壳俯视图；
图中，1-检测装置，11-检测传感器，12-检测控制器，2-搅动装置，21-搅拌转轴，22-搅拌电机，23-搅拌外壳，231-取样口，232-转轴口，233-导线入口，24-搅拌筒，25-过滤网，26-容纳层，261-容纳一区，262-容纳二区，263-容纳三区，264-容纳四区，265-容纳五区。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例1
如图1和图2所示，基于水动力因素提高酸性矿山废水处理效率的系统，包括检测装置1和搅动装置2；所述的检测装置1包括检测传感器11以及检测控制器12；所述的搅动装置2包括搅拌转轴21、搅拌电机22以及搅拌外壳23；
所述的搅拌外壳23内转动连接有所述的搅拌转轴21，所述的搅拌电机22通过搅拌转轴21转动连接所述的搅拌外壳23，所述的搅拌转轴21与所述的搅拌外壳23之间设有搅拌筒24；所述的搅拌筒24底端设有过滤网25
所述的检测传感器11设置在所述的搅拌筒24的与所述的搅拌外壳23之间，所述的检测传感器12通过电信号连接所述的检测控制器12；所述的检测控制器12还通过电信号连接有所述的搅拌电机22。
为了进一步实现准确模拟废水溶解的目的，所述的搅拌外壳23顶端设有取样口231、转轴口232以及导线入口233；所述的转轴口232设置在所述的搅拌外壳23的顶端圆心处；所述的取样口231与导线入口233相对所述的转轴口232的轴心线所在竖直面对称设置；所述的转轴口232内穿设有所述的搅拌转轴21；通过采用均匀分布的取样口231、转轴口232以及导线入口233，从而能够通过取样口231实时监测酸性废水中的pH数据，再配合检测传感器，从而将不同水动力条件下的石灰石溶解速率的实时数据检测出，进而构建出完整的数据模型，准确模拟废水溶剂。
为了进一步实现准确模拟废水溶解的目的，所述的搅拌筒24下方设有容纳石灰石的容纳层26；所述的容纳层26设置在所述的搅拌外壳23底端的内壁；所述的容纳层26由内到外依次包括容纳一区261、容纳二区262、容纳三区263、容纳四区264以及容纳五区265；所述的容纳一区261所在的轴心与所述的搅拌外壳23的圆心的连线处于同一直线；所述的容纳五区265抵接所述的搅拌外壳23设置；通过将容纳层26分区，将下层反应的石灰石表面呈现不同分区，从而能够考察不同分区内的废水中石灰石的溶解情况，达到准确模拟废水溶解的目的。
为了进一步实现简单实用的目的，所述的搅拌转轴21的侧壁设有搅拌杆211；所述的搅拌杆211呈三角形设计；通过三角形设计的搅拌杆211，从而将搅拌电机22的动力准确传输给矿山废水，实现简单实用的目的。
为了进一步实现准确模拟废水溶解的目的，所述的检测传感器11为声学多普勒流速仪ADV的传感器；通过限定检测传感器11为声学多普勒流速仪ADV的传感器，从而能够测定溶液的流速、紊动动能、剪切力，进而配合取样口231检测pH，进而准确模拟出石灰石溶解过程中的相关数据，进而实现准确模拟废水溶解的目的。
具体过程为：
先将酸性矿山水配置完毕，再将石灰石样品研磨成圆盘形后，置于搅拌外壳23的底端内壁，此时由于容纳层26的分区，由内到外依次包括容纳一区261、容纳二区262、容纳三区263、容纳四区264以及容纳五区265将石灰石圆盘分区，再调节搅拌转轴21的转速分别为10rpm、30rpm、60rpm和90rpm，并分组同时开始计时，每隔20min通过搅拌外壳23的取样口231取出水样测量酸性矿山废水的pH值，同时由于声学多普勒流速仪ADV的传感器的检测传感器11将搅拌筒24内的废水搅拌速度、紊动动能、剪切力数据传输给声学多普勒流速仪ADV中的检测控制器12，而检测控制器12将数据转换到显示屏中，同时检测控制器12中的PLC根据根据石灰石的特性，修正石灰石的溶解速率计算公式为：
Figure BDA0003020536230000051
而对于一个均匀的水体，水体中的多数反应符合一阶动力学反应速率方程，因此本系统中的石灰石溶解速率常数与水体的pH的关系式为：
Figure BDA0003020536230000052
式中，K为溶解速率常数；pHe为反应达到平衡时的pH值，变形得到
ln(pHe-pH)＝-Kt+C
针对上式中的ln(pHe-pH)与统计的时间t之间的关系拟合，得到各个工况下石灰石的溶解速率常数K，分别为0.109、0.1461、0.164、0.1628，拟合的相关系数R2分别为0.9291、0.9906、0.9846和0.9773，同时由于在本系统中石灰石表面在旋转的流场中进行的，因此其表面流速水平差异比较大，因此本系统中的分区依据在于石灰石表面的流速按照相近原则，同一半径处的流速应是相同的；因此只需根据流速沿径向的分布曲线，使划分的各段内流速的最大值与最小值的差值相近，由各区所占面积比例得到其对石灰石溶解速率的影响加权值αi：
Figure BDA0003020536230000053
式中，Ai表示第i个区域的面积。
又因为K受水动力学因素的影响，假设对于任一工况有以下的表达式：
Figure BDA0003020536230000054
式中，vi表示第i个区域的流速；f(vi)为某一流速对溶解速率K的影响规律关系；S为常数，仅受温度、石灰石和酸性矿山废水的化学成分影响，当vi＝0时(即当溶液静止时)，石灰石的溶解速率常数K在数值上与S相等。
运用最小二乘法的原理，对流速与石灰石溶解速率常数之间的定量关系进行最优拟合，得出的流速与溶解速率常数K之间的关系为：
Figure BDA0003020536230000055
从而根据流速即可控制并提高废水中石灰石的溶解速率。
对比例1
不采用搅拌筒24设置，直接将搅拌转轴21与搅拌外壳23的石灰石直接搅拌，测定此过程中的石灰石的溶解速率常数K，但是其拟合相关系数R2平均为0.9164，与实施例1相比，相关性较低，因此采用搅拌筒24的本系统，其具备优越性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.基于水动力因素提高酸性矿山废水处理效率的系统，其特征在于：包括检测装置（1）和搅动装置（2）；所述的检测装置（1）包括检测传感器（11）以及检测控制器（12）；所述的搅动装置（2）包括搅拌转轴（21）、搅拌电机（22）以及搅拌外壳（23）；
所述的搅拌外壳（23）内转动连接有所述的搅拌转轴（21），所述的搅拌电机（22）通过搅拌转轴（21）转动连接所述的搅拌外壳（23），所述的搅拌转轴（21）与所述的搅拌外壳（23）之间设有搅拌筒（24）；所述的搅拌筒（24）底端设有过滤网（25）；
所述的检测传感器（11）设置在所述的搅拌筒（24）的与所述的搅拌转轴（21）之间，所述的检测传感器（11 ）通过电信号连接所述的检测控制器（12）；所述的检测控制器（12）还通过电信号连接有所述的搅拌电机（22）；
所述的搅拌筒（24）下方设有容纳石灰石的容纳层（26）；所述的容纳层（26）设置在所述的搅拌外壳（23）底端的内壁。
2.根据权利要求1所述基于水动力因素提高酸性矿山废水处理效率的系统，其特征在于：所述的搅拌外壳（23）顶端设有取样口（231）、转轴口（232）以及导线入口（233）；所述的转轴口（232）设置在所述的搅拌外壳（23）的顶端圆心处；所述的取样口（231）与导线入口（233）相对所述的转轴口（232）的轴心线所在竖直面对称设置；所述的转轴口（232）内穿设有所述的搅拌转轴（21）。
3.根据权利要求1 所述的基于水动力因素提高酸性矿山废水处理效率的系统，其特征在于：所述的容纳层（26）由内到外依次包括容纳一区（261）、容纳二区（262）、容纳三区（263）、容纳四区（264）以及容纳五区（265）；所述的容纳一区（261）所在的轴心与所述的搅拌外壳（23）的圆心的连线处于同一直线；所述的容纳五区（265）抵接所述的搅拌外壳（23）设置。
4.根据权利要求 1-3 任意一项所述的基于水动力因素提高酸性矿山废水处理效率的系统，其特征在于：所述的搅拌转轴（21）的侧壁设有搅拌杆（211）；所述的搅拌杆（211）呈三角形设计。
5.根据权利要求 1 所述的基于水动力因素提高酸性矿山废水处理效率的系统，其特征在于：所述的检测传感器（11）为声学多普勒流速仪 ADV 的传感器。
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