酸性礦井廢水與其他廢液協同處理的研究

趙 鑫

（忻州市生態環境局東部區域監測技術保障中心，山西 原平 034100）

煤炭和銅、鎳、金等金屬的開采與酸性排水相關，這可能對水體和整個生態系統產生不利影響[1]。此外，金屬采礦部門產生的許多廢水中含有大量有害成分，如砷、鎘、氰化物、鉛和汞，會給人類和動物帶來生態影響和高度健康風險。這種廢水屬于酸性礦水，通常是由采礦暴露的硫化物礦物發生氧化反應形成的。然而，同樣的反應可以在任何黃鐵礦巖石和多金屬硫化物暴露的地方發生。有許多硫化物礦物以類似黃鐵礦的方式氧化，排出硫酸鹽和各類金屬（如Cd、Pb、Fe、As、Al、Cu）。酸性礦井廢水對環境的污染程度取決于其pH 值和組成成分，與礦區的地質情況密切相關。例如，南非金礦和煤礦的Fe2+平均質量濃度就存在差異，分別為830 mg/L 和2 135 mg/L[2]。

在過去的幾十年里，人們越來越關注使用生物工藝來處理含金屬廢水，因為這些工藝可以增加廢水pH值，并降低其中金屬濃度。目前，將更多精力集中在協同處理方案的研究上，通過操作單一流程來實現成本降低和能源支出，而不是對不同的廢液運行不同處理流程。然而，協同處理的應用研究卻很少。現已經證明影響共處理技術有效性的因素包括：混合比例、微生物元素的范圍、反應器設計和混合水化學。雖然微生物群落及共處理動力學與該技術的關系也很密切，但相關研究相對較少。因此，有必要整理已發表的研究并對其進行比較，以確定在這個研究領域的進一步研究需求，從而提供一個未來視角，將推動酸性礦井廢水協同處理作為進一步探索研究類型。

1 酸性礦井廢水處理工藝現狀

酸性礦井廢水的處理包括：加入堿性試劑提高pH 值、沉淀溶解金屬將其作為氫氧化物[3]兩種。根據煤矸石中的酸性礦井廢水作為化學混凝劑處理灰水的可行性分析，Rao 等[4]利用加拿大Mattabi 礦山有限公司收集的酸性礦井廢水進行了研究，酸性礦井廢水取代了應用廣泛的FeCl3混凝劑來輔助磷酸鹽沉淀，處理平均懸浮物（SS）質量濃度為45 mg/L 的廢水。根據相同酸性礦井廢水作為化學混凝劑處理細固體泥漿的可能性分析，Rao 等[4]用酸性礦井廢水代替明礬混凝劑處理廢水，將10 ml 的酸性礦井廢水與100 mL 的漿液快速混合5 min，然后靜置沉淀。在兩個實驗中，結果顯示處理后水質濁度為40%～70%，沒有其他明顯的化學添加，金屬的濃度下降了60%以上。酸性礦井廢水引入了表面H+離子，抑制了混凝和陽離子吸附。更重要的是，漿液中的硅質礦物和黏土礦物對酸性礦井廢水中的金屬離子進行了有效的吸附，使該過程成為一種協同處理的補救策略。但是，需要注意的是，這兩項研究都沒有涉及硫酸鹽還原的數據，硫酸鹽是酸性礦井廢水的持久性污染物之一。酸性礦井廢水的有機物濃度較低，使得硫酸鹽還原具有挑戰性。若要成功地進行共處理，需要識別具有高濃度有機物和堿度的廢水，當其與酸性礦井廢水混合時，將會促進處理混合廢水的生物和物理化學反應過程。

2 直接酸性礦井廢水共處理工藝特點

對城市污水、酸性礦井廢水和活性污泥的共處理工藝特點進行分析。城市污水的平均懸浮物吸附特性及其堿度是促進兩種溪流修復的關鍵?；钚晕勰嗌锪考铀倭怂嵝缘V井廢水中金屬的去除，提高了處理過程的有效性。由于城市污水中的金屬濃度明顯低于酸性礦井廢水，城市污水污泥吸附位點的有效性使得金屬吸附成為可能。同樣，城市污水中大量的微粒促進了Fe 與氫氧根發生沉淀。Fe 和Al 的氫氧化物可以通過為細菌附著提供空位來降低城市污水中的營養物質。此外，酸性礦井廢水中的Fe 可能是一種上市混凝劑的有效替代品。活性污泥的特性，即活性污泥對高負荷硫酸鹽、酸性和金屬的適應能力，提高了酸性礦井廢水和城市污水的協同處理效率。Hughes 等[5]觀察到隨機添加酸性礦井廢水幾乎不會降低處理廠污泥生物量中的污泥自身氧化率。同時，在3 周內檢測活化菌群的馴化，盡管細菌豐度顯著降低，但在他們的實驗研究中，廢水pH 值從2.8 增加到6.2，表現出良好的性能。酸性礦井廢水和城市污水的體積比為1∶1，活性污泥（混合液和平均懸浮物）的質量濃度約為2.5～4.0 g/L。此外，本研究證實了使用城市污水處理廠的活性污泥和合成酸性礦井廢水的間歇式工藝可使Zn、Fe、Cu 和Al的金屬去除率達到90%以上。

因此，利用污水污泥與酸性礦井廢水共同處理城市污水似乎是一種可行的、創新的修復策略，具有一些實際優勢，也會使與建造和運行酸性礦井廢水處理系統相關的材料和能源成本顯著降低。Hughes等[5]發現隨著pH 值的增加，金屬去除能力增強，磷酸鹽去除能力增強，污泥沉降能力增強，這也將有助于化學品成本的節約和運營成本的降低。

3 間接酸性礦井廢水處理工藝要素

在處理一些間接酸性礦井廢水時，需要適當的有機底物為溶解氧脫落、硫酸鹽還原以及細菌介導的金屬去除提供電子供體。另一方面，傳統的城市污水處理通常需要一個電子受體來氧化碳基質中的細菌，并通過過濾、混凝、絮凝來去除病原體的化學物質。此外，城市進水中包括一系列不同的有機化合物，如纖維素和糖。Strosnider 等[6]得出結論，通過被動共處理城市污水和酸性礦井廢水，獲得的水質堿度允許城市污水的有機物、營養物質與混凝劑、電子受體均質結合；并強調了酸性礦井廢水在良好控制條件下的凈化特性，可消耗更少的能量來改善水質。被動式共處理系統的操作條件必須在一種廢水中的電子受體和另一種廢水中的潛在電子供體之間達到平衡。

在酸性礦井廢水與另一廢液的協同處理過程中，監測金屬毒性可維持硫酸鹽還原微生物群的各種功能。在酸性礦井廢水中含有的多種金屬元素中，Fe 被證明是一種抑制劑，其會導致反應器中代謝活性的降低，這種抑制是由于鐵硫化物的形成和Fe3+引起的電子供體競爭而發生的。Deng 等[7]報告了一種雙階段處理城市污水和酸性礦井廢水的過程，他們首先將兩種廢物混合，然后進行磺化處理。這一過程成功地去除了金屬離子，降低了化學需氧量，改善了堿度，并減少了廢水中的硫酸鹽。共同處理的一個好處是，城市污水可以作為酸性礦井廢水的中和劑，實現凈堿性值。此外，城市污水與酸性礦井廢水的混合，在產生凈堿性值后，也加速了金屬的溶解去除?；瘜W需氧量和硫酸鹽比值很重要，因為它代表了硫酸鹽還原菌和產甲烷菌的電子流量分數。雖然報告中強調了化學需氧量和硫酸鹽的比例很重要，但很難從文獻中確定一個適合共同處理的最佳比例，因為每一項研究報告所給出的結果均不同。這些差異可能是由于不同的碳源、硫酸鹽濃度和其他環境因素引起的。

4 酸性礦井廢水與廢液共處理的優勢

從理論上講，酸性礦井廢水與廢液共處理的一個優勢是，其組分通常處于傾斜平衡狀態，例如，一個流出流是高酸性的，而另一個是高堿性的，當兩者混合時產生中和。城市污水中高濃度的微粒通過氫氧根沉淀促進Fe 的消除，Fe 和Al 的氫氧化物可以通過吸附來增強城市污水中的濁度，并能將平均懸浮物去除，并降低化學需氧量。在一些城市污水處理廠中，通過添加Fe 或Al 鹽來去除磷酸鹽，這些鹽自然存在于酸性礦井廢水中。使用酸性礦井廢水污泥作為混凝劑與在城市污水處理廠中使用的傳統混凝劑的有效程度一樣。影響金屬去除的最重要因素是工藝參數，包括沉降時間、平均懸浮物去除、溶解氧濃度和水力保留時間等；還有物理和化學因素，包括pH 值、溶解度、顆粒大小、金屬濃度和溫度等。

5 結論

酸性礦井廢水處理系統的基本目標是進行酸性中和及降低硫酸鹽和金屬的濃度。在直接或間接系統的設計階段，必須適當考慮基本參數，如進入流的酸度和金屬濃度。在設計共處理系統時，系統的成功還取決于其他廢液的參數，尤其是其堿度。堿度和減少其他廢液影響的能力是廢水共處理過程成功的關鍵因素。