酸性礦業廢水治理與循環利用工程實例分析

龍開先，蔣良富，吳遠斌

(貴州煤礦地質工程咨詢與地質環境監測中心，貴州 貴陽 550081)

貴州是我國南方礦產資源最豐富的省區。在全省89個縣（市）有豐富的礦物資源。儲量分布見表1[1]。

表1 貴州省各個地區礦產資源/儲量表（截至2017年12月底）單位：億t

上表所示，成為現如今貴州省經濟和社會發展的主要動力來源，同時也帶來了一系列的環境污染問題。開采礦過程中產生的礦井廢水就是主要得污染物之一。礦井廢水產生量不僅大（據統計我國礦產資源平均排放污水量為2.0t～2.5t[2]，全國礦產工業污水總量達到23億m3/年[3]），而且根據礦層所含雜質不同，污水性質也不同。

貴州礦產資源的特征之一為含硫量高，主要以黃鐵礦硫為主，含硫量接近或高于3%[4]。因此在開采過程中，礦石中伴生有硫化礦物氧化作用則形成酸性礦井廢水。貴州省礦井廢水的排放主要有兩種類型：高SS含量型和低pH、高Fe、Mn等重屬含量型[5]。

這些廢水如不經治理直接排放，不僅造成水之源的浪費，同時排放的污水將會對礦區周邊及下游地區的河流、土壤、以及地下深層地質產生破壞性影響，并最終危害人類健康。因此根據國家對于綠色礦山的建設要求，堅持經濟建設和環境建設協調發展的理念，必須加大對污水處理的力度，實現礦井污水高回用率和達標排放。

1 項目概況

貴州某礦業公司礦產資源生產30萬t/a。礦井正常涌水量為1662m3/d（69.25m3/h），最大涌水量為2742m3/d（114.25m3/h），環評要求礦產開采過程中，污水處理能力為120m3/h。環評要求在主場地新建1座處理規模為120m3/h的礦井水處理站。處理水量的90%將回用于職工洗澡用水、洗礦廠生產用水及礦井井下消防、除塵、灑水等生產活動。

地質工程施工過程中，廢水排放標準要滿足《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅱ類標準（Fe、Mn參照《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）集中式生活飲用水地表水源地補充項目標準限值），其余污染物滿足《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）。

2 主要構筑物和設備

表2 本工程主要構筑物

圖1 工藝流程圖

主要設備有提升泵、潛污泵、反沖洗泵、羅茨風機、PAC加藥裝置、PAM加藥裝置、加堿裝置、清毒加藥裝置、PLC控制柜、PAM計量泵、泵PAC計量泵、加堿泵、錳砂過濾器、活性炭過濾器、微孔曝氣器、壓濾機、壓濾機專用泵。

3 礦井廢水處理工藝

由于該研究區可采礦均屬于低灰-中灰，中硫-高硫煤。礦產資源開采后水質變酸，且SS濃度高。根據環評資料數據并結合地質周邊水質情況，綜合考慮設計進水水質見表1。由于本礦井廢水呈酸性，金屬元素的含量超標，根據原水水質采用初沉調節+中和+混凝沉淀（加PAC、PAM）+二級曝氣+二級錳砂過濾+活性炭吸附+消毒工藝對該礦廢水進行處理。污泥采用濃縮+壓濾工藝處理。

表3 設計進水水質表

工藝流程見圖1。

主要構筑物的作用及注意。

3.1 調節池

與城市污水相比，礦井廢水的水質和水量波動較大，需要調節池是廢水的水質、水量趨于恒定，滿足后續處理設施穩定連續工作的需要。同時，調節池還具有沉淀的功能，對不依賴藥劑即可沉淀的部份懸浮物進行初步沉淀分離，從而降低后續工序負擔。礦井污水自井口排出后流入初沉調節池，在調節池中停留2h左右，進行初步沉淀及水質水量的調節。水位達到上限后，由泵提入曝氣池進行后續處理。

3.2 中和工藝

在進行藥劑的選擇時，主要考慮它本身的溶解性、反應速率、成本、二次污染、使用方便等因素。蘇打、苛性鈉具有成分均勻，雜質少，易于投加、儲存和運輸，在水中溶解度高，反應速度快等優點，但價格昂貴，工程中不適合于大量使用。石灰來源廣，價格便宜，在礦產工程施工中使用較多。投加藥劑有干法和濕法兩種方式。干法投加設備簡單，藥劑的制備與投配容易，但反應緩慢，中和藥劑用量大。實際工程中多采用濕投法，將石灰在溶解槽中制成濃度為40%～50%的乳液，最后可通過加藥泵投加。

在酸性礦井廢水中含有大量的Fe2+、SO42-離子，而實際水樣中以FeSO4的形式存在的。根據水解聚合理論，水解階段、聚合階段、凝膠-沉淀生成三個階段為鐵離子水溶解聚合反應的三個階段過程。影響沉淀效果的主要因素為加堿的方式，加堿方式不同會導致水解中間產物的不同。FeSO4的水解將產生H2SO4，使水質pH值下降，但該反應是少量的、動態的。如果大量、快速地加入堿，OH-更多地會被Fe2+結合，生成Fe（OH）2和Fe（OH）3混合沉淀（灰綠色）。此時，若需要調節酸性水的pH值，必須采用加堿泵微量滴堿法，在緩慢地滴加燒堿時加以攪拌。

3.3 酸性礦山廢水治理技術

由于鐵在不穩定二價時不能完全與中和堿反應，且Fe（OH）2的沉降性并不好。因此需通過曝氣強制氧化成穩定的Fe3+，Fe（OH）2經曝氣氧化后生成Fe（OH）3該物質為一良好的混凝劑，能吸附MnO2，經過下續反應器的沉淀和過濾，從而去除掉Mn、Fe等金屬離子過去在治理酸性礦山廢水時，曾采用過化學方法、物理化學方法和生物化學方法等多種技術手段，大多由于投資、處理量、成本等原因，難以進行推廣和應用。

在本文試驗研究的基礎上，借鑒了其他行業的經驗，推薦改造選礦流程和幾種添加堿性緩蝕劑中和的治理技術，以便既經濟又實用的對酸性廢水進行治理。

4 添加石灰石或石灰乳進行中和

在酸性廢水中添加石灰或石灰乳是一種傳統的酸性廢水治理方法。該方法的優點是對酸性廢水的濃度、水量和排放點的適應性較強，但治理成本高，沉渣多且難處理。因此，該方法應用于廢水排放量小、濃度不穩定及要求水循環利用率高的情況。

例如，向山硫鐵礦將pH值為3～4、流量約4000m3/d的礦坑酸性水，揚送到選礦廠上部的高位水池，再流入中和池，加入pH值為12～14的石灰乳，用量0.8kg/m3～1.5kg/m3，可將廢水pH值調整為8～9，直接供選礦廠使用。

4.1 混凝工藝

礦井水是一種含各種懸浮物、膠體和溶解物等雜質的水體，當向礦井水中投加混凝劑后，通過混凝劑水解物壓縮膠體顆粒擴散層，使膠粒脫穩而相互聚結（或通過混凝劑的水解或縮聚反應而形成高聚物的強烈的吸附架橋作用，使膠粒被吸附粘結）。經過聚凝和絮凝兩個階段，由形成的較小微粒變成較大的絮粒。在絮粒形成過程中，不但能吸附懸浮顆粒，還能吸附部分細菌及溶解物質。絮粒能在一定的沉淀條件下從水中分離、沉降出來，從而達到去除懸浮物和其它污染物的目的。

4.2 PAM絮凝工藝

PAM作為一種高分子絮凝劑主要是利用其水解后在水中的網狀分子將水體中的懸浮物聚集加速其沉淀。

本設計擬采用加藥機將PAM溶解調配后由計量泵泵入反管道混合器中使其產生絮凝。

4.3 沉淀池選型

污水懸浮物的分離可利用其與水的密度差可實現，當懸浮物的密度大于水的密度時，在重力作用下，懸浮物下沉形成沉淀物。在工程中常用的沉淀池有平流沉淀池和斜管沉淀池。

平流沉淀池特點：結構簡單，便于施工；操作管理方便；對原水濁度適應性強，潛力大，處理效果穩定；管理方便，可筑于地面，也可筑于地下。但占地面積較大。

斜管沉淀池特點：斜管沉淀是根據淺池沉淀理論設計出來的一種新型沉淀池。斜管沉淀池具有去除效率高、停留時間短、占地面積小等優點。但單位面積上的泥量增加，如排泥不暢，將產生反泥現象，使出水水質惡化；斜管在上部陽光的照射下會滋生大量的藻類；停留時間短，其緩沖能力差，同時對混凝要求高；維護管理較難，使用一段時間后需要更換斜板。

二者的選擇可根據實際情況而定，當處理廠的占地使用有限時優先考慮斜管沉淀池。本工程綜合考慮現場條件后選用斜管沉淀池。

4.4 過濾工藝

本設計方案采用一級錳砂過濾+活性炭吸附的過濾方式，對二次沉淀池出水進行深度處理，以去除水體中的細小懸浮物，同時限制金屬元素等物質含量，使出水達到設計標準。過濾器出水排入清水池清毒后供回用，多余部份自動溢流外排。

過濾器截留懸浮物至一定程度后，過濾阻力逐步提高，截污能力下降，過濾器需進行反沖洗，反沖水排入污泥濃縮池。

4.5 污泥處理工藝

系統污泥均排入污泥系統集中處理，污泥系統由污泥濃縮池、上清液回溝管、污泥泵、壓濾機構成。

含水污泥進入污泥濃縮池過程中，根據污泥特性投加PAM輔助污泥沉淀，上清液經管道自流排入沉淀池進水槽，濃縮污泥經污泥泵抽取至壓濾機脫水后泥餅摻入原礦銷售。

污染物去除效率。

污水經本污水處理站的處理后，pH從4.0提升到6以上，SS從600mg/L降至50mg/L，COD從130mg/L降至15mg/L，Fe從60mg/L降至0.3mg/L，Mn從1.0mg/L降至0.1mg/L，具體見表4。

表4 本工程處理效率表

5 結論

污水通過本工藝處理，主要污染物去除率在90%以上，達到回用與排放的要求。礦井污水進過處理后不僅減少礦井廢污水排放，有效改善當地自然環境，促進生態環境恢復還給礦產企業帶來較大的經濟利益、環境效益以及社會效益。

經濟方面：礦井污水進處理后大部分回用，不僅約大量排污費、避免罰款，提高了廢水綜合利用效率，還降低了企業的生產用水成本；環境方面：確保了排水不會對環境造成污染，既提升了礦區環境，又保護了礦區及礦區周圍地下水等不受污染；社會效益方面，礦產開采后污水再利用符合國家環保政策，也是社會與企業自身可持續發展的重要保障，做好此項工作可以有效提升企業的社會形象。