酸性矿业废水治理与循环利用工程实例分析

龙开先，蒋良富，吴远斌

(贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心，贵州 贵阳 550081)

贵州是我国南方矿产资源最丰富的省区。在全省89个县（市）有丰富的矿物资源。储量分布见表1[1]。

表1 贵州省各个地区矿产资源/储量表（截至2017年12月底）单位：亿t

上表所示，成为现如今贵州省经济和社会发展的主要动力来源，同时也带来了一系列的环境污染问题。开采矿过程中产生的矿井废水就是主要得污染物之一。矿井废水产生量不仅大（据统计我国矿产资源平均排放污水量为2.0t～2.5t[2]，全国矿产工业污水总量达到23亿m3/年[3]），而且根据矿层所含杂质不同，污水性质也不同。

贵州矿产资源的特征之一为含硫量高，主要以黄铁矿硫为主，含硫量接近或高于3%[4]。因此在开采过程中，矿石中伴生有硫化矿物氧化作用则形成酸性矿井废水。贵州省矿井废水的排放主要有两种类型：高SS含量型和低pH、高Fe、Mn等重属含量型[5]。

这些废水如不经治理直接排放，不仅造成水之源的浪费，同时排放的污水将会对矿区周边及下游地区的河流、土壤、以及地下深层地质产生破坏性影响，并最终危害人类健康。因此根据国家对于绿色矿山的建设要求，坚持经济建设和环境建设协调发展的理念，必须加大对污水处理的力度，实现矿井污水高回用率和达标排放。

1 项目概况

贵州某矿业公司矿产资源生产30万t/a。矿井正常涌水量为1662m3/d（69.25m3/h），最大涌水量为2742m3/d（114.25m3/h），环评要求矿产开采过程中，污水处理能力为120m3/h。环评要求在主场地新建1座处理规模为120m3/h的矿井水处理站。处理水量的90%将回用于职工洗澡用水、洗矿厂生产用水及矿井井下消防、除尘、洒水等生产活动。

地质工程施工过程中，废水排放标准要满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅱ类标准（Fe、Mn参照《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值），其余污染物满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）。

2 主要构筑物和设备

表2 本工程主要构筑物

图1 工艺流程图

主要设备有提升泵、潜污泵、反冲洗泵、罗茨风机、PAC加药装置、PAM加药装置、加碱装置、清毒加药装置、PLC控制柜、PAM计量泵、泵PAC计量泵、加碱泵、锰砂过滤器、活性炭过滤器、微孔曝气器、压滤机、压滤机专用泵。

3 矿井废水处理工艺

由于该研究区可采矿均属于低灰-中灰，中硫-高硫煤。矿产资源开采后水质变酸，且SS浓度高。根据环评资料数据并结合地质周边水质情况，综合考虑设计进水水质见表1。由于本矿井废水呈酸性，金属元素的含量超标，根据原水水质采用初沉调节+中和+混凝沉淀（加PAC、PAM）+二级曝气+二级锰砂过滤+活性炭吸附+消毒工艺对该矿废水进行处理。污泥采用浓缩+压滤工艺处理。

表3 设计进水水质表

工艺流程见图1。

主要构筑物的作用及注意。

3.1 调节池

与城市污水相比，矿井废水的水质和水量波动较大，需要调节池是废水的水质、水量趋于恒定，满足后续处理设施稳定连续工作的需要。同时，调节池还具有沉淀的功能，对不依赖药剂即可沉淀的部份悬浮物进行初步沉淀分离，从而降低后续工序负担。矿井污水自井口排出后流入初沉调节池，在调节池中停留2h左右，进行初步沉淀及水质水量的调节。水位达到上限后，由泵提入曝气池进行后续处理。

3.2 中和工艺

在进行药剂的选择时，主要考虑它本身的溶解性、反应速率、成本、二次污染、使用方便等因素。苏打、苛性钠具有成分均匀，杂质少，易于投加、储存和运输，在水中溶解度高，反应速度快等优点，但价格昂贵，工程中不适合于大量使用。石灰来源广，价格便宜，在矿产工程施工中使用较多。投加药剂有干法和湿法两种方式。干法投加设备简单，药剂的制备与投配容易，但反应缓慢，中和药剂用量大。实际工程中多采用湿投法，将石灰在溶解槽中制成浓度为40%～50%的乳液，最后可通过加药泵投加。

在酸性矿井废水中含有大量的Fe2+、SO42-离子，而实际水样中以FeSO4的形式存在的。根据水解聚合理论，水解阶段、聚合阶段、凝胶-沉淀生成三个阶段为铁离子水溶解聚合反应的三个阶段过程。影响沉淀效果的主要因素为加碱的方式，加碱方式不同会导致水解中间产物的不同。FeSO4的水解将产生H2SO4，使水质pH值下降，但该反应是少量的、动态的。如果大量、快速地加入碱，OH-更多地会被Fe2+结合，生成Fe（OH）2和Fe（OH）3混合沉淀（灰绿色）。此时，若需要调节酸性水的pH值，必须采用加碱泵微量滴碱法，在缓慢地滴加烧碱时加以搅拌。

3.3 酸性矿山废水治理技术

由于铁在不稳定二价时不能完全与中和碱反应，且Fe（OH）2的沉降性并不好。因此需通过曝气强制氧化成稳定的Fe3+，Fe（OH）2经曝气氧化后生成Fe（OH）3该物质为一良好的混凝剂，能吸附MnO2，经过下续反应器的沉淀和过滤，从而去除掉Mn、Fe等金属离子过去在治理酸性矿山废水时，曾采用过化学方法、物理化学方法和生物化学方法等多种技术手段，大多由于投资、处理量、成本等原因，难以进行推广和应用。

在本文试验研究的基础上，借鉴了其他行业的经验，推荐改造选矿流程和几种添加碱性缓蚀剂中和的治理技术，以便既经济又实用的对酸性废水进行治理。

4 添加石灰石或石灰乳进行中和

在酸性废水中添加石灰或石灰乳是一种传统的酸性废水治理方法。该方法的优点是对酸性废水的浓度、水量和排放点的适应性较强，但治理成本高，沉渣多且难处理。因此，该方法应用于废水排放量小、浓度不稳定及要求水循环利用率高的情况。

例如，向山硫铁矿将pH值为3～4、流量约4000m3/d的矿坑酸性水，扬送到选矿厂上部的高位水池，再流入中和池，加入pH值为12～14的石灰乳，用量0.8kg/m3～1.5kg/m3，可将废水pH值调整为8～9，直接供选矿厂使用。

4.1 混凝工艺

矿井水是一种含各种悬浮物、胶体和溶解物等杂质的水体，当向矿井水中投加混凝剂后，通过混凝剂水解物压缩胶体颗粒扩散层，使胶粒脱稳而相互聚结（或通过混凝剂的水解或缩聚反应而形成高聚物的强烈的吸附架桥作用，使胶粒被吸附粘结）。经过聚凝和絮凝两个阶段，由形成的较小微粒变成较大的絮粒。在絮粒形成过程中，不但能吸附悬浮颗粒，还能吸附部分细菌及溶解物质。絮粒能在一定的沉淀条件下从水中分离、沉降出来，从而达到去除悬浮物和其它污染物的目的。

4.2 PAM絮凝工艺

PAM作为一种高分子絮凝剂主要是利用其水解后在水中的网状分子将水体中的悬浮物聚集加速其沉淀。

本设计拟采用加药机将PAM溶解调配后由计量泵泵入反管道混合器中使其产生絮凝。

4.3 沉淀池选型

污水悬浮物的分离可利用其与水的密度差可实现，当悬浮物的密度大于水的密度时，在重力作用下，悬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。

平流沉淀池特点：结构简单，便于施工；操作管理方便；对原水浊度适应性强，潜力大，处理效果稳定；管理方便，可筑于地面，也可筑于地下。但占地面积较大。

斜管沉淀池特点：斜管沉淀是根据浅池沉淀理论设计出来的一种新型沉淀池。斜管沉淀池具有去除效率高、停留时间短、占地面积小等优点。但单位面积上的泥量增加，如排泥不畅，将产生反泥现象，使出水水质恶化；斜管在上部阳光的照射下会滋生大量的藻类；停留时间短，其缓冲能力差，同时对混凝要求高；维护管理较难，使用一段时间后需要更换斜板。

二者的选择可根据实际情况而定，当处理厂的占地使用有限时优先考虑斜管沉淀池。本工程综合考虑现场条件后选用斜管沉淀池。

4.4 过滤工艺

本设计方案采用一级锰砂过滤+活性炭吸附的过滤方式，对二次沉淀池出水进行深度处理，以去除水体中的细小悬浮物，同时限制金属元素等物质含量，使出水达到设计标准。过滤器出水排入清水池清毒后供回用，多余部份自动溢流外排。

过滤器截留悬浮物至一定程度后，过滤阻力逐步提高，截污能力下降，过滤器需进行反冲洗，反冲水排入污泥浓缩池。

4.5 污泥处理工艺

系统污泥均排入污泥系统集中处理，污泥系统由污泥浓缩池、上清液回沟管、污泥泵、压滤机构成。

含水污泥进入污泥浓缩池过程中，根据污泥特性投加PAM辅助污泥沉淀，上清液经管道自流排入沉淀池进水槽，浓缩污泥经污泥泵抽取至压滤机脱水后泥饼掺入原矿销售。

污染物去除效率。

污水经本污水处理站的处理后，pH从4.0提升到6以上，SS从600mg/L降至50mg/L，COD从130mg/L降至15mg/L，Fe从60mg/L降至0.3mg/L，Mn从1.0mg/L降至0.1mg/L，具体见表4。

表4 本工程处理效率表

5 结论

污水通过本工艺处理，主要污染物去除率在90%以上，达到回用与排放的要求。矿井污水进过处理后不仅减少矿井废污水排放，有效改善当地自然环境，促进生态环境恢复还给矿产企业带来较大的经济利益、环境效益以及社会效益。

经济方面：矿井污水进处理后大部分回用，不仅约大量排污费、避免罚款，提高了废水综合利用效率，还降低了企业的生产用水成本；环境方面：确保了排水不会对环境造成污染，既提升了矿区环境，又保护了矿区及矿区周围地下水等不受污染；社会效益方面，矿产开采后污水再利用符合国家环保政策，也是社会与企业自身可持续发展的重要保障，做好此项工作可以有效提升企业的社会形象。