国外某铜矿山酸性废水处理试验研究

高立强，谭巧义，孔令强

1 前言

矿山酸性废水主要是由含硫化矿物的矿山在开采过程中的矿石或废石受到物理、化学以及生物氧化等因素作用而产生pH较低的酸性废水[1～2]。较低pH值的酸性废水能够溶解大量重金属离子，使得采矿厂和废石排土场等场所产生的酸性废水不能达到环保排放标准。因此，需要对酸性废水进行处理，达到满足排放标准后再进行外排。酸性废水处理工艺主要有石灰乳中和法、铁盐沉淀法，高密度泥浆工艺等[2～4]。酸性水处理的主要目的是通过添加碱性物质提高废水pH值，同时沉淀除去废水中有害金属离子，达到排放标准[5]。

2 试验目的

在铜矿山建设阶段，采集不同类型废石进行动态浸出试验，从而获得浸出水样，监测水样pH值及有害金属含量，根据初始水样pH值及有害金属含量，进行酸性废水中和处理试验，确定石灰乳添加量，提高废水pH值后，检测处理后水样中有害离子含量，以达到当地排放标准。同时根据试验结果指导酸性废水处理厂设计。

3 试验酸性废水水样来源

由于矿山不同成矿带中元素种类和含量不同，本试验所用酸性废水水样来自采场不同成矿带废石，通过动态浸出获得。共有5个水样分别来自不同成矿带废石的浸出柱：1#淋滤带废石柱浸水样；2#原生带废石柱浸水样；3#混合/富集带废石柱浸水样；4#原生带低中和性废石柱浸水样；5#原生带脉岩废石柱浸水样。

4 试验过程及结果

4.1 初步试验

首先对5个浸出水样进行水质分析，根据原矿矿物组成及多元素分析结果和当地环保要求水质排放标准确定，主要的分析水质参数有：pH值；硫酸盐、氯化物、硝酸盐、氟化物；Al、As、Ba、B、Cd、Cu、Sn、P、Fe、Mn、Hg、Ni、Ag、Pb、V、Zn等。水质分析结果见表1。

表1 不同废石浸出酸性废水水质检测结果

注：本文中允许排放最高浓度均指的是世界银行排放标准。

水样水质检测分析结果表明，5个水样中有3个水样呈明显酸性，说明原生带废石包括低原生带中和性废石和混合/富集带废石能够产生酸水。除了pH下降，由于各种物理、化学反应，使得Cu、Fe、Mn等金属溶于酸性废水中，造成含量超过排放标准。

初步试验是在5个初始水样中加入酸碱调节剂调节水样pH值到8.5、9.0、9.5、10.0、10.5，检测相应水质参数，结果显示所有金属离子浓度均满足排放标准。

根据矿山开采实际情况，试验进一步制备了3个产酸废石的混合样，在4个不同pH值条件下进行试验。混合样配比为4#原生带低中和性废石占15%，3#混合/富集带废石占30%，2#原生带废石占55%。试验结果见表2。

表2 混合水样在不同pH值时元素分析结果

混合样品试验结果显示，混合样品仍然产生酸性废水，并且Cu、Fe、Mn金属离子含量不符合排放标准。当pH值升高到8.5以上，样品中所有金属离子的浓度均能符合排放标准。

4.2 搅拌试验

搅拌试验是针对原生带废石、原生带低中和性废石和混合/富集带废石3种废石产生的酸性废水，通过添加石灰的方式调节酸性废水水样pH值为5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5和8.0 时，对水样中的有害金属离子进行检测，以确定石灰用量和金属离子沉淀的最佳pH值。

4.2.1 石灰乳中和试验

在盛有酸性废水水样的搅拌反应槽中添加1%的石灰乳调节pH值。试验结果见表3～表5。

表3 原生带废石酸性废水初始pH=2.62搅拌试验结果

从添加石灰乳调节pH值搅拌试验结果显示：对于原生带废石产生的水样，当pH值达到6.5时，溶液中金属离子浓度将低于世界银行标准排放的最大允许值，处理1L水大约需要15.4mL含1% Ca(OH)2的石灰乳溶液。对于混合/富集带废石产生的水样，当pH值达到6.0～6.5时，溶液中金属离子浓度将低于世界银行标准排放的最大允许值，处理1L水大约需要30.0mL含1% Ca(OH)2的石灰乳溶液。对于原生带低中和性废石产生的水样，当pH值达到7.0时，溶液中金属离子浓度将低于世界银行标准排放的最大允许值，处理1L水大约需要37.0mL含1% Ca(OH)2的石灰乳溶液。

4.2.2 氯化铁絮凝试验

在污水处理工艺中，常用氯化铁作为无机絮凝剂促进污泥沉降同时沉淀溶液中重金属离子。氯化铁作为絮凝剂主要特性有：①水解速度快，水合作用弱。形成的矾花密实，使污泥沉降速度快。受水温变化影响小，可以满足在流动过程中产生剪切力的要求；②适用范围广，用药量少，具有沉淀重金属及硫化物等功效。本试验尝试采用氯化铁作为絮凝剂沉淀酸性废水中重金属离子的可行性。在合适pH值的水样中加入2mg/L氯化铁絮凝剂，试验结果见表6～表8。

氯化铁添加试验结果表明，在石灰中和水样中添加氯化铁絮凝剂对进一步降低溶液中重金属离子的水平没有显著改善。水样中的Mn和Fe离子与絮凝剂相互作用，会形成能够保持在溶液中溶解的复合物，反而不利于沉淀。与单独采用石灰中和处理法相比，添加凝结剂，并没有促使重金属离子沉淀，反而可能会导致Mn和Fe离子相对难沉淀而含量超过排放标准。

表4 混合/富集带废石酸性废水初始pH=2.25搅拌试验结果

5 结论

通过以上试验可知，并非所有的采矿剥离废石均产生酸性废水，仅原生带废石包括原生带低中和性废石和混合/富集带废石能够产生酸水。除了pH下降，由于各种物理、化学及生化作用，使得Cu、Fe、Mn等金属溶于酸性废水中，造成含量超过排放标准。

汞和砷元素往往与此类铜矿伴生，但其浓度在测试的pH 值水样中未达到足以引起关注的程度。其他有害金属元素在初始浸出水样水质监测显示，均未达到足以引起关注的程度。

将酸性废水的pH值调节到7.0或以上，水中的Cu、Fe、Mn离子浓度将低于排放标准。水样中重金属离子随着石灰量的增加而降低，随pH 值的升高而降低的趋势对所有样品是一致的。

添加石灰提高酸性废水水样pH值，降低水样中重金属离子是必要的。但所用石灰剂量因引起酸性废水的废石种类不同而不同。对于原生带废石产生的水样，当pH值达到6.5时，溶液中金属离子浓度将低于世界银行标准排放的最大允许值，处理1L水大约需要15.4mL含1% Ca(OH)2的石灰乳溶液。对于混合/富集带废石产生的水样，当pH值达到6.0～6.5时，溶液中金属离子浓度将低于世界银行标准排放的最大允许值，处理1L水大约需要30.0mL含1% Ca(OH)2的石灰乳溶液。对于原生带低中和性废石产生的水样，当pH值达到7.0时，溶液中金属离子浓度将低于世界银行标准排放的最大允许值，处理1L水大约需要37.0mL含1% Ca(OH)2的石灰乳溶液。

表5 原生带低中和性废石酸性废水初始pH=2.40搅拌试验结果

表6 原生带废石酸性废水初始pH=2.62搅拌试验结果

添加氯化铁虽然可以提高污泥沉降速度，但是不能促进降低酸性废水水样中重金属离子的含量。

通过实验可以确定在进行酸性废水处理工艺设计中，废水处理最终pH为7.0以上较为安全。采用先进的高密度污泥处理工艺(DHS工艺)适合本矿山酸性废水处理。

表7 原生带低中和性废石酸性废水初始pH=2.40搅拌试验结果

表8 混合/富集带废石酸性废水初始pH=2.25搅拌试验结果

[1] 刘伟东.高密度泥浆法处理矿区污水的应用与实践[J].有色金属(选矿部分),2008，(3)：33-35.

[2] 陈 谦,杨晓松,吴义千，等.有色金属酸性矿山废水成因及系统控制技术[J].矿冶,2005,(4)：71-75.

[3] 金尚勇,许 永,刘峰彪.高浓度泥浆法底泥排入尾矿库的可行性研究[J].矿冶,2014,(5)：92-94.

[4] 杨晓松,刘峰彪,宋文涛，等.高密度泥浆法处理矿山酸性废水[J].有色金属,2005,57(4):97-100.

[5] 罗良德.利用HDS技术处理铜矿山废水的试验研究[J].铜业工程,2004，(2)：17-19.