一种矿山重金属酸性废水的处理装置及其方法
【专利摘要】一种矿山重金属酸性废水的处理装置及其处理方法，所述处理装置通过泵系统、导水管系统实现液体在沉淀池、还原装置、脱硫装置、PRB装置与pH调节池之间的流动，实现废水中硫酸盐的还原、废水脱硫处理、重金属污染去除与废水的pH调节。本发明工艺程序简单、操作简易、成本低、效率高、可以实现矿山重金属污染酸性废水治理的规模化与工程化应用，同时，整个工艺流程污染物均在相对密闭空间内，有效的避免污染治理过程中二次污染的产生，可广泛应用于不同类型矿山重金属污染酸性废水的安全处置，能有效的去除废水中的砷、铅、铜、锌、铬与镉等重金属污染。
【专利说明】一种矿山重金属酸性废水的处理装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生态与环保领域，具体是，涉及一种矿山重金属污染酸性废水的生物化学处理装置以及对矿山重金属污染酸性废水的处置方法。
【背景技术】
[0002]随着我国矿山资源的不断开采开发，煤矸石等尾矿的大量堆积成为重要的环境问题。据统计当前矿山开采开发产生的尾矿累计高达60-100亿吨，并由此引发了一系列的地质环境问题。其中矿山重金属污染废水成为当前矿山生态环境安全的重大隐患，特别是含有大量硫的煤矸石，由于黄铁矿的氧化产生了大量的酸性废水，同时，酸性条件加速了尾矿中呈钝化态重金属的溶解，因此，矿山废水主要表现为pH值较低、含高浓度的硫酸盐和可溶性的重金属离子。
[0003]微生物因素也是矿山重金属污染酸性废水产生的重要因素。SRB是厌氧细菌的一种，并广泛分布于土壤与水体中，它能够利用环境中的有机物作为碳源，并利用细菌生物膜内产生的氢，将硫酸还原成硫化氢，同时其产生个的硫化氢会使得水体的PH降低，而偏低的PH环境又会使得细菌代谢作用加强，从而形成一种恶性循环。因此对矿山重金属污染酸性废水的治理的根本在于去除水体环境中的硫元素。
[0004]当前，矿山酸性废水的处理方法主要分为中和法和微生物法2种。中和法是最常用的方法，即向酸性废水中投加碱性中和剂(碱石灰、消石灰、碳酸钙、高炉渣、白云石等)，一方面使废水的PH值提高，另一方面废水中的重金属离子与中和剂发生化学反应形成氢氧化物沉淀、去除水体中的重金属离子。为了提高处理效果，中和法通常与氧化或曝气过程(如将Fe2+转变为Fe3+)相结合使用。微生物法是利用自然界中的硫循环原理，利用硫酸盐还原菌通过异化硫酸盐的生物还原反应，将硫酸盐还原成H2S，并利用某些微生物将H2S氧化为单质硫，同时重金属离子在微生物体内“积累”起来。随着科学的进步，矿山酸性废水的处理技术不断得到新的发展，如湿地处理法、生物膜吸附处理法和生化材料过滤法等。
[0005]重金属废水的常规处理方法主要包括:化学沉淀法、离子交换法、蒸发浓缩法、电解法、活性炭和硅胶吸附法和膜分离法等，但这些方法存在去除不彻底、费用昂贵、产生有毒污泥或其他废料等缺点。
[0006]目前国内外对于矿山酸性废水pH的调控与矿山废水重金属污染治理的研究取得了一定的进展，然而，矿山污水的特殊性注定了其酸化与重金属污染并存很难通过单一的手段对矿山废水的水质进行彻底的改良。
[0007]因此，如何将废水酸碱调节工艺与废水的重金属污染治理工艺有效结合，从根本上彻底的解决矿废水的酸化与重金属污染，通过合理的技术工艺与设备有效的避免次生污染产生，是当前矿山重金属污染废水处理的技术关键。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提出一种矿山重金属污染酸性废水的生物化学处理装置以及对矿山重金属污染酸性废水的处置方法，该矿山重金属污染酸性废水的生物化学装置方法通过泵系统、导水管系统实现液体在不同处理装置之间的流动，废水通过沉淀装置、还原装置、PRB ((Permeable Reactive Barrier可渗透反应墙)装置与pH调节池实现废水中硫酸盐的还原、废水脱硫处理、重金属污染去除与废水的PH调节，还具有脱硫装置，实现脱硫，从根本上解决了矿山重金属污染酸性废水的酸化与重金属污染问题。
[0009]为达此目的，本发明采用以下技术方案:
[0010]一种矿山重金属污染酸性废水的生物化学处理装置，包括:沉淀池、还原装置、脱硫装置、PRB装置与pH调节池，
[0011]沉淀池，用于对废水中的固体杂质进行沉淀分离处理，提高后续工艺的工艺效果;
[0012]还原装置，用于提供SBR快速繁殖的厌氧环境，提高废水中硫酸盐的还原效率；
[0013]脱硫装置，连接所述还原装置的上部，用于有效的对微生物还原过程中产生的废气进行脱硫处理；
[0014]PRB装置，用于有效的实现废水中重金属的去除；
[0015]pH调节池，用于实现处理后废水的pH调节，使得处理后废水pH稳定在合理范围；
[0016]其中，对于沉淀池、还原装置、PRB装置与pH调节池，各个装置间通过依次导水管系统、以及在导水管系统中的泵系统实现液体在不同装置之间的有序流动。
[0017]优选地，沉淀池的材料选用为混凝土，沉淀池内部要做水平与垂直防渗处理，防渗材料为HDPE防渗膜，防渗膜厚度> 2mm，沉淀池的侧面底端设置PVC入水管，PVC入水管与第一泵连接。
[0018]优选地，还原装置侧面通过第一导水管与沉淀池连接，顶部设置有菌种添加端口，上端通过第一单向导气管与脱硫装置连接，第一导水管的吸入废水的端部具有第一尼龙纱布包裹层，第一导水管还设置有第二泵。
[0019]优选地，脱硫装置下部连接第一单向导气管，上侧设置第二单向导气管以排除气体，脱硫装置填充材料选用氧化铁，粒径要求在0.6-2.4mm范围内。
[0020]优选地，PRB装置侧面通过第二导水管与还原装置连接，下侧通过第三导水管与PH调节池连接，第二导水管还设置有第三泵，第三导水管的上端包裹有第二尼龙纱布包裹层，PRB装置内填充材料由上到下依次为石英砂层、重金属吸附材料层和石英砂层，厚度比例为1:8:1，重金属吸附材料为体积比1:2充分搅拌混合的活性炭与零价铁。
[0021]优选地，pH调节池的材料选用为混凝土，pH调节池内部要做水平与垂直防渗处理，防渗材料为HDPE防渗膜，防渗膜厚度> 2mm, pH调节池的侧面底端设置第四导水管，第四导水管还设置导水口阀门。
[0022]进一步的，本发明还公开了一种利用上述的矿山重金属污染酸性废水的生物化学处理装置对矿山重金属污染酸性废水进行处置的方法，包括如下步骤:
[0023](I) SRB (硫酸盐还原菌)菌种筛选:通过培养基分离纯化，培养筛选本土的高效硫酸盐还原菌；
[0024](2)废水沉淀:矿山重金属污染酸性废水通过第一泵抽出至沉淀池，经过初步沉淀，去除泥沙等固体杂质；启动第二泵，将废液泵入还原装置；
[0025](3)菌种接种:通过菌种添加口将菌种接种入重金属污染矿山酸性废水,菌种添加完毕密封菌种添加口；
[0026](4)硫酸盐还原:菌种接种后在密闭空间内利用SRB菌对矿山重金属污染酸性废水中硫酸盐进行还原处理；
[0027](5)废气脱硫:硫酸盐还原过程中产生的废气自行通过单向导气管进入脱硫装置进行脱硫处理；
[0028](6)PRB过滤:硫酸盐还原完成后启动第三泵,将废液泵入PRB装置进行重金属去除处理；
[0029](7)pH调节:采用溶液作为pH调节剂对滤液pH进行调节，使得处理液的pH在6.8-7.2 之间；
[0030](8)监测达标排放:在开启导水口阀门，监测排放口出水水质，主要监测物为硫化物、砷、铅、铜、锌、铬与镉，处理废水达标后可进行安全排放；未达标废水重新进入步骤(2)
重新处理。
[0031]优选地，在本方法的各个步骤中包括下列中的一个或多个:
[0032]步骤(1)中SBR菌种的选用要求为:选用矿山矿区本土菌种，进行富集培养、分离纯化，筛选出高效SBR菌种；并对筛选的菌种进行菌种鉴定；
[0033]步骤⑵中废水在沉淀池中的沉淀的时间≤20min ；
[0034]步骤(3)中菌种的接种用量为3.5-4.0g/L ；
[0035]步骤(4)中硫酸盐硫酸盐还原过程条件为:菌种接种后废液密闭时间> 24h，温度调控在15-40°C ；
[0036]步骤(5)中废气脱硫为:采用干式脱硫法，脱硫剂选用氧化铁，脱硫剂的粒径要求在0.6-2.4mm范围内；
[0037]步骤(6)中PRB材料选用活性炭与零价铁，其体积比为1:2，混合方式为充分搅拌混合；
[0038]步骤(7)中pH调节剂为10% NaHCO3溶液。
[0039]进一步优选地，步骤(8)中废液的监测达标排放的参照标准为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002) V类水质标准，主要监测物为硫化物、砷、铅、铜、锌、铬与镉等，达标后可进行安全排放；未达标废水重新进入步骤(2)重新处理。
[0040]本发明的矿山重金属污染酸性废水的生物化学处理装置通过泵系统、导水管系统实现液体在不同处理装置之间的流动，废水通过沉淀池、还原装置、脱硫装置、PRB装置与PH调节池实现废水中硫酸盐的还原、废水脱硫处理、重金属污染去除与废水的pH调节，从根本上解决了矿山重金属污染酸性废水的酸化与重金属污染问题。
[0041]本发明矿山重金属污染酸性废水的处理方法改变了传统的重金属污染矿山酸性废水处理方式，其合理的将矿山酸性废水处理、脱硫处理与重金属污染处理多个复杂的工艺工序融合为一体，有效的解决了当前技术仅仅局限于矿山酸性废水治理与矿山重金属废水治理的单一处理方式弊端；同时，本发明从核心上解决了当前矿山酸性废水硫酸盐导致的水体酸化问题。通过本处理工艺技术可以有效的实现矿山酸性废水的pH调控，同时能有效的去除废水中的砷、铅、铜、锌、铬与镉等重金属污染，处理后废水达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)V类水质对于硫化物、砷、铅、铜、锌、铬与镉等重金属含量限值的要求。
[0042]本发明工艺程序简单、操作简易、成本低、效率高、可以实现矿山重金属污染酸性废水治理的规模化与工程化应用，同时，整个工艺流程污染物均在相对密闭空间内，有效的避免污染治理过程中二次污染的产生，可广泛应用于不同类型矿山重金属污染酸性废水的安全处置。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]图1是根据本发明的具体实施例的矿山重金属污染酸性废水的生物化学处理装置的结构框图；
[0044]图2是利用本发明的矿山重金属污染酸性废水的生物化学处理装置对矿山重金属污染酸性废水进行安全处置的方法的流程图。
[0045]图中的附图标记所分别指代的技术特征为:
[0046]1、PVC入水管；2、第一泵；3.第一尼龙纱布包裹层；4、沉淀池；5、第一导水管；6、第二泵；7、还原装置；8、菌种添加端口 ；9、第一单向导气管；10、脱硫装置；11、第二单向导气管；12、第三泵；13、第二导水管；14、PRB装置；15、第二尼龙纱布包裹层；16、第三导水管；17、pH调节池；18、导水口阀门；19、第四导水管4。
【具体实施方式】
[0047]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
[0048]实施例1:
[0049]参见图1，公开了根据本发明的具体实施例的矿山重金属污染酸性废水的生物化学处理装置的框图。
[0050]所述矿山重金属污染酸性废水的生物化学处理装置包括:沉淀池4、还原装置7、脱硫装置10、PRB装置14与pH调节池17。
[0051]沉淀池，用于对废水中的固体杂质进行沉淀分离处理，提高后续工艺的工艺效果;
[0052]还原装置，用于提供SBR快速繁殖的厌氧环境，提高废水中硫酸盐的还原效率；
[0053]脱硫装置，连接所述还原装置的上部，用于有效的对微生物还原过程中产生的废气进行脱硫处理；
[0054]PRB装置，用于有效的实现废水中重金属的去除；
[0055]pH调节池，用于实现处理后废水的pH调节，使得处理后废水pH稳定在合理范围；
[0056]其中，对于沉淀池、还原装置、PRB装置与pH调节池，各个装置间通过依次导水管系统、以及在导水管系统中的泵系统实现液体在不同装置之间的有序流动。
[0057]优选地，沉淀池的材料选用为混凝土，沉淀池内部要做水平与垂直防渗处理，防渗材料为HDPE防渗膜，防渗膜厚度> 2mm，沉淀池的侧面底端设置PVC入水管1，PVC入水管I与第一泵2连接。
[0058]优选地，还原装置侧面通过第一导水管5与沉淀池连接，顶部设置有菌种添加端口 8，上端通过第一单向导气管9与脱硫装置连接，第一导水管5的吸入废水的端部具有第一尼龙纱布包裹层3，第一导水管5还设置有第二泵6。
[0059]优选地，脱硫装置下部连接第一单向导气管9，上侧设置第二单向导气管11以排除气体，脱硫装置填充材料选用氧化铁，粒径要求在0.6-2.4mm范围内。
[0060]优选地，PRB装置侧面通过第二导水管13与还原装置连接，下侧通过第三导水管16与pH调节池连接，第二导水管13还设置有第三泵12，第三导水管16上端包裹有第二尼龙纱布包裹层15，PRB装置内填充材料由上到下依次为石英砂层、重金属吸附材料层和石英砂层，厚度比例为1:8:1，重金属吸附材料为体积比1:2充分搅拌混合的活性炭与零价铁。
[0061]优选地，pH调节池的材料选用为混凝土，pH调节池内部要做水平与垂直防渗处理，防渗材料为HDPE防渗膜 ，防渗膜厚度> 2mm。pH调节池的侧面底端设置第四导水管19，第四导水管19还设置导水口阀门18。
[0062]实施例2:
[0063]进一步的，本发明还公开了一种利用上述的矿山重金属污染酸性废水的生物化学处理装置对矿山重金属污染酸性废水进行安全处置的方法，包括如下步骤:
[0064](I) SRB (硫酸盐还原菌)菌种筛选:通过培养基分离纯化，培养筛选本土的高效硫酸盐还原菌；
[0065](2)废水沉淀:矿山重金属污染酸性废水通过第一泵抽出至沉淀池，经过初步沉淀，去除泥沙等固体杂质；启动第二泵，将废液泵入还原装置；
[0066](3)菌种接种:通过菌种添加口将菌种接种入重金属污染矿山酸性废水,菌种添加完毕密封菌种添加口 ；
[0067](4)硫酸盐还原:菌种接种后在密闭空间内利用SRB菌对矿山重金属污染酸性废水中硫酸盐进行还原处理；
[0068](5)废气脱硫:硫酸盐还原过程中产生的废气自行通过单向导气管进入脱硫装置进行脱硫处理；
[0069](6)PRB过滤:硫酸盐还原完成后启动第三泵,将废液泵入PRB装置进行重金属去除处理；
[0070](7)pH调节:采用溶液作为pH调节剂对滤液pH进行调节，使得处理液的pH在6.8-7.2 之间；
[0071](8)监测达标排放:在开启导水口阀门，监测排放口出水水质，主要监测物为硫化物、砷、铅、铜、锌、铬与镉，处理废水达标后可进行安全排放；未达标废水重新进入步骤(2)
重新处理。
[0072]优选地，在本方法的各个步骤中包括下列中的一个或多个:
[0073]步骤(1)中SBR菌种的选用要求为:选用矿山矿区本土菌种，进行富集培养、分离纯化，筛选出高效SBR菌种；并对筛选的菌种进行菌种鉴定。
[0074]步骤⑵中废水在沉淀池中的沉淀的时间≥20min。
[0075]步骤(3)中菌种的接种用量为3.5-4.0g/L。
[0076]步骤(4)中硫酸盐硫酸盐还原过程条件为:菌种接种后废液密闭时间> 24h，温度调控在15-40°C。
[0077]步骤(5)中废气脱硫为:采用干式脱硫法，脱硫剂选用氧化铁，脱硫剂的粒径要求在0.6-2.4mm范围内。
[0078]步骤(6)中PRB材料选用活性炭与零价铁，其体积比为1:2，混合方式为充分搅拌混合。
[0079]步骤(7)中pH调节剂为10% NaHCO3溶液。
[0080]步骤⑶中废液的监测达标排放的参照标准为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002) V类水质标准，主要监测物为硫化物、砷、铅、铜、锌、铬与镉等，达标后可进行安全排放；未达标废水重新进入步骤(2)重新处理。
[0081]矿山重金属污染酸性废水理前后水质对比见下表。
[0082]表1:矿山重金属污染酸性废水处理前后水质污染物浓度对比表
[0083]
【权利要求】
1.一种矿山重金属污染酸性废水的生物化学处理装置，包括:沉淀池、还原装置、脱硫装置、PRB装置与pH调节池， 沉淀池，用于对废水中的固体杂质进行沉淀分离处理，提高后续工艺的工艺效果； 还原装置，用于提供SBR快速繁殖的厌氧环境，提高废水中硫酸盐的还原效率； 脱硫装置，连接所述还原装置的上部，用于有效的对微生物还原过程中产生的废气进行脱硫处理； PRB装置，用于有效的实现废水中重金属的去除； PH调节池，用于实现处理后废水的pH调节，使得处理后废水pH稳定在合理范围； 其中，对于沉淀池、还原装置、PRB装置与pH调节池，各个装置间通过依次导水管系统、以及在导水管系统中的泵系统实现液体在不同装置之间的有序流动。
2.根据权利要求1所述的矿山重金属污染酸性废水的生物化学处理装置，其特征在于: 沉淀池的材料选用为混凝土，沉淀池内部要做水平与垂直防渗处理，防渗材料为HDPE防渗膜，防渗膜厚度> 2mm，沉淀池的侧面底端设置PVC入水管，PVC入水管与第一泵连接。
3.根据权利要求1所述的矿山重金属污染酸性废水的生物化学处理装置，其特征在 于: 还原装置侧面通过第一导水管与沉淀池连接，顶部设置有菌种添加端口，上端通过第一单向导气管与脱硫装置连接，第一导水管的吸入废水的端部具有第一尼龙纱布包裹层，第一导水管还设置有第二泵。
4.根据权利要求1所述的矿山重金属污染酸性废水的生物化学处理装置，其特征在于: 脱硫装置下部连接第一单向导气管，上侧设置第二单向导气管以排除气体，脱硫装置填充材料选用氧化铁，粒径要求在0.6-2.4mm范围内。
5.根据权利要求1所述的矿山重金属污染酸性废水的生物化学处理装置，其特征在于: PRB装置侧面通过第二导水管与还原装置连接，下侧通过第三导水管与pH调节池连接，第二导水管还设置有第三泵，第三导水管的上端包裹有第二尼龙纱布包裹层，PRB装置内填充材料由上到下依次为石英砂层、重金属吸附材料层和石英砂层，厚度比例为1:8:1，重金属吸附材料为体积比1:2充分搅拌混合的活性炭与零价铁。
6.根据权利要求1所述的矿山重金属污染酸性废水的生物化学处理装置，其特征在于: PH调节池的材料选用为混凝土，pH调节池内部要做水平与垂直防渗处理，防渗材料为HDPE防渗膜，防渗膜厚度> 2mm，pH调节池的侧面底端设置第四导水管，第四导水管还设置导水口阀门。
7.一种根据权利要求1-6中任意一项所述的矿山重金属污染酸性废水的生物化学处理装置对矿山重金属污染酸性废水进行处置的方法，包括如下步骤: (1)SRB (硫酸盐还原菌)菌种筛选:通过培养基分离纯化，培养筛选本土的高效硫酸盐还原菌； (2)废水沉淀:矿山重金属污染酸性废水通过第一泵抽出至沉淀池，经过初步沉淀，去除泥沙等固体杂质；启动第二泵，将废液泵入还原装置； (3)菌种接种:通过菌种添加口将菌种接种入重金属污染矿山酸性废水，菌种添加完毕密封菌种添加口 ； (4)硫酸盐还原:菌种接种后在密闭空间内利用SRB菌对矿山重金属污染酸性废水中硫酸盐进行还原处理； (5)废气脱硫:硫酸盐还原过程中产生的废气自行通过单向导气管进入脱硫装置进行脱硫处理； (6)PRB过滤:硫酸盐还原完成后启动第三泵，将废液泵入PRB装置进行重金属去除处理； (7)pH调节:采用溶液作为pH调节剂对滤液pH进行调节，使得处理液的pH在6.8-7.2之间； (8)监测达标排放:在开启导水口阀门，监测排放口出水水质，主要监测物为硫化物、砷、铅、铜、锌、铬与镉，处理废水达标后可进行安全排放；未达标废水重新进入步骤(2)重新处理。
8.根据权利要求7，其特征在于: 在本方法的 各个步骤中包括下列中的一个或多个: 步骤(1)中SBR菌种的选用要求为:选用矿山矿区本土菌种，进行富集培养、分离纯化，筛选出高效SBR菌种；并对筛选的菌种进行菌种鉴定； 步骤⑵中废水在沉淀池中的沉淀的时间≥20min ； 步骤(3)中菌种的接种用量为3.5-4.0g/L ； 步骤(4)中硫酸盐硫酸盐还原过程条件为:菌种接种后废液密闭时间>24h，温度调控在 15-40 0C ； 步骤(5)中废气脱硫为:采用干式脱硫法，脱硫剂选用氧化铁，脱硫剂的粒径要求在0.6-2.4mm 范围内； 步骤(6)中PRB材料选用活性炭与零价铁，其体积比为1:2，混合方式为充分搅拌混合； 步骤(7)中pH调节剂为10% NaHCO3溶液。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于: 步骤(8)中废液的监测达标排放的参照标准为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)V类水质标准，主要监测物为硫化物、砷、铅、铜、锌、铬与镉等，达标后可进行安全排放；未达标废水重新进入步骤(2)重新处理。
【文档编号】C02F103/10GK104071945SQ201410262287
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】卜庆国, 张春禹, 王新民, 徐奥, 张姣, 段高旗 申请人:路域生态工程有限公司