不同鐵濃度的含酸礦井水的中和沉淀試驗

李國卿，周海燕，戴向榮，唐澤恒

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引言

酸性礦井水源于硫化礦物在采礦活動時暴露于氧氣和水中發生一系列生化、物化反應而形成的[1-4]，其中黃鐵礦(FeS2)是開采中最常見的硫化礦物，反應機理如式(1)～式(5)所示。黃鐵礦首先于中性pH在過量水和分子氧的作用下氧化生成Fe2+和SO42–如式(1)所示；隨后鐵氧化菌催化Fe2+氧化形成Fe3+如式(2)所示；Fe3+與水自發反應形成氫氧化鐵如式(3)所示，即酸性礦井水中可見的橙色沉淀物；過量的Fe3+可作為額外的二次還原劑與黃鐵礦反應，如式(4)所示。總的反應式如式(5)所示，主要產物有H2SO4和Fe(OH)3。

酸性礦井水若處理不當，不僅會腐蝕礦井設備、惡化礦井施工環境，更嚴重的是對當地的生態系統產生巨大破壞。例如，酸性礦井水滲入礦區附近地表土壤，有毒金屬與土壤顆粒發生吸附解吸，因而改變土壤背景值；高濃度的硫酸鹽會在形成河流和湖泊底部形成沉積物，這些沉積物會產生硫化氫，導致水體缺氧和中毒[5-8]。文章以貴州兩個不同鐵濃度的礦井水為研究對象，開展中和法試驗研究，擬為酸性礦井水治理工藝提供技術依據。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗使用的高鐵濃度含酸礦井水和低鐵濃度含酸礦井水分別取自貴州菠蘿沖和老都勻，簡稱為礦井水1(菠蘿沖礦井水)和礦井水2(老都勻礦井水)，對水樣的pH、總鐵濃度和Fe2+濃度等指標進行了測試，測試結果如表1所示。

表1 酸性礦井水水質

實驗所用熟石灰、NaOH、MgO和Na2CO3等均購于購自國藥集團化學試劑有限公司，實驗用水為超純水，電阻率為18 M?·cm。

1.2 試驗儀器

pH計(PHB-4型，上海儀電科學儀器股份有限公司)；電子天平(CP214型，奧豪斯儀器(上海)有限公司)；磁力攪拌器(DF-101S型，上海錦賦實驗儀器設備有限公司)；電熱恒溫鼓風干燥箱(DGX-8053B，上海福瑪實驗設備有限公司)。

1.3 試驗方法

用量筒依次量取1 000 mL菠蘿沖礦井水于5個2 000 mL燒杯中，然后將一定量的熟石灰(Ca(OH)2)、NaOH、MgO和Na2CO3分別加入酸性礦井水中，緩慢攪拌后靜置一段時間，分別取其上清液測量pH值(達標值在6.5～7.0區間內)。靜置后形成的底部污泥經過離心處理后，放置于100 ℃干燥箱中直至完全干燥，從而稱量得到干污泥量。

2 試驗結果與討論

2.1 高鐵濃度含酸礦井水的中和沉淀實驗

圖1為高鐵濃度含酸礦井水1投加不同中和劑的實驗結果。以熟石灰作為礦井水1中和沉淀藥劑時，在熟石灰投加量為2.42 g/L時，礦井水pH升至6.55，生成污泥濃度為5.05 g/L；同理，當NaOH投加量達到2.20 g/L時，礦井水pH升至6.91，污泥濃度為5.94 g/L；采用MgO作為中和沉淀藥劑，在投加量為2.20 g/L 的情況下，礦井水pH升至6.64，污泥濃度為4.79 g/L；選取Na2CO3作為中和沉淀藥劑，當投加量為4.60 g/L時，礦井水pH升至6.61，污泥濃度為4.98 g/L。由此可以看出，投加中和沉淀藥劑至酸性礦井水后，出水pH均明顯提升。上述堿性中和劑的中和效應主要依靠羥基和碳酸基團的緩沖容量來實現，堿性中和劑的溶解提升了pH值，促進不溶性金屬氫氧化物和碳酸鹽沉淀物的形成，而這些沉淀物可輕易通過固液分離工藝去除。從圖1的礦井水1中和沉淀試驗結果可以知道，在pH達標的情況下，熟石灰、NaOH和MgO的投加量相近，而Na2CO3投加量則相對較高，其中MgO作為中和沉淀藥劑生成的污泥濃度最低。

圖1 礦井水1的中和沉淀實驗結果

2.2 低鐵濃度含酸礦井水的中和沉淀實驗

以熟石灰作為低鐵濃度含酸礦井水2中和沉淀藥劑，實驗結果如圖2所示，在熟石灰投加量為0.40 g/L時，礦井水2的pH升至6.62，生成污泥濃度為0.71 g/L；同理，當NaOH投加量達到0.26 g/L時，礦井水pH升至6.61，污泥濃度為0.66 g/L；采用MgO作為中和沉淀藥劑，在投加量為0.56 g/L 的情況下，礦井水pH升至6.80，污泥濃度為1.21 g/L；選取Na2CO3作為中和沉淀藥劑，當投加量為0.50 g/L時，礦井水pH升至6.57，污泥濃度為0.73 g/L。

圖2 老都勻礦井水中和沉淀實驗結果

根據圖2礦井水中和沉淀試驗結果，在pH達標的情況下，NaOH投加量最低，熟石灰投加量次之，而MgO和Na2CO3投加量則相對較高。低鐵濃度含酸礦井水2中總鐵濃度和Fe2+濃度均明顯低于高鐵濃度含酸礦井水2，尤其是Fe2+，Fe2+水解沉淀完全的pH值較高，需要更多的堿用量。并且低鐵濃度含酸礦井水2中不溶性氫氧化物和碳酸鹽的含量更低，因此產生的污泥量也低于高鐵濃度含酸礦井水2。

2.3 處理成本分析

中和試劑的選擇需要兼顧環境問題、礦井水成分、pH和經濟成本等問題；中和沉淀法會產生大量污泥，污泥本身屬于無經濟效益產物，相關處置方案需從污泥量和成分等方面綜合考慮。表2為礦井水中和處理的直接成本概算，各中和劑單價按大宗化學品價格計算，污泥處理按50元/噸。礦井水中和處理的直接成本等于中和試劑成本加污泥處理成本。NaOH相較于其他中和劑處理效果更為顯著，這主要是由于NaOH能完全離解從而獲得高pH值，然而工業級NaOH商業價格較為昂貴，且綜合處理成本較高。對于高鐵濃度含酸礦井水1，MgO的中和處理直接成本最低，熟石灰次之。對于低鐵濃度含酸礦井水2，熟石灰的中和處理直接成本最低，MgO次之。因此，綜合考慮可以采用熟石灰或MgO進行含酸礦井水中和處理。

表2 礦井水中和處理直接成本 單位：元/噸

3 結語

選取熟石灰、NaOH、MgO和Na2CO3中和處理酸性礦井水，結果表明這四種堿性中和劑均能有效促使酸性礦井水的pH值提高到達標值6.5～7.0區間內。對于高鐵濃度含酸礦井水，熟石灰、NaOH和MgO的投加量相近，而Na2CO3投加量則相對較高，其中MgO作為中和沉淀藥劑生成的污泥濃度最低。對于低鐵濃度含酸礦井水，礦井水中總鐵和Fe2+含量較低，所需堿性中和劑添加量明顯降低，產生污泥量也相應減少，其中NaOH投加量最低，熟石灰投加量次之。綜合考慮可以采用熟石灰或MgO進行含酸礦井水中和處理其成本最低。