以AMD废水污染的地表水为灌溉水源的土壤重金属污染控制装置及方法与流程

本发明涉及水处理技术在土壤重金属污染控制技术领域的应用，特别涉及一种以AMD废水污染的地表水为灌溉水源的土壤重金属污染控制技术方法。

背景技术：
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矿山环境是一种重要原生与次生环境的复合体，特别是金属矿山，既是资源的集中地，又是天然的生态环境污染源。矿业活动对矿山地球化学环境及周围的生态系统带来了巨大的影响。在除采矿引起的地质灾害外，如废矿与尾矿的排放堆积、酸性矿山排水、河流与土壤重金属污染、破坏地表水、地下水源、大气污染及生态环境平衡破坏等灾害种类中，硫化物金属矿山开采及冶炼过程所产生的环境影响最为明显。由于此类矿物在开采、冶炼和尾矿堆积存放过程中，金属硫化物极易氧化从而释放出大量酸性废水，并且这些酸性废水中含有较高浓度的金属离子。这些金属离子、酸性废水和大量堆积的尾矿固体废弃物是硫化物金属采矿和冶炼过程中带来各种环境问题的三大环境公害和重要的环境污染源，所产生的环境灾害就是矿区周围的大面积水源(地表水、地下水)和土壤被高强度污染。

酸性废水(AMD)主要指含硫多金属矿开采的尾矿堆、废石堆、裸露富硫矿物、岩石经氧化形成的废水。主要特征是pH＜5.0，水中含有大量金属如Pb、Cu、Zn、Ni、Co、As、Cd等，以及轻金属如Al、Fe、Ca、Mg和大量的SO₄^2-，具体表现为直接污染矿区下游水体、诱发土壤酸化和土壤重金属污染。截至2006年底，全国查明铅矿资源储量4141万吨，其中基础储量1351万吨，占32.6％,居世界第2位；查明锌矿资源储量9711万吨，其中基础储量为4227万吨，占43.5％，居世界第1位。同时我国铅锌矿资源中，硫化矿占绝大多数占总储量的90％，并且为原生硫化矿。

铅锌矿区土壤污染常表现为以Pb、Zn、Cd、Cu、Hg、Mn为主的多种金属复合污染，其中尤以Pb、Zn、Cd、Mn的污染为重，主要是由AMD污染地表(河流、湖泊)水灌溉和尾矿砂直接影响所致，其中尾矿砂通过粉尘方式对土壤的直接影响目前已经有较好控制技术，但是其流出的废水对河流的污染还在继续。目前受污染的地表水水体由于过去常年的污染，水体中含有大量的重金属元素，这些重金属元素中，有些是AMD矿山废水正继续污染形成的，有些是由于河床底部长年累月的沉积物中重金属再释放形成的。所以，针对受AMD废水排放污染过的或正在污染的地表水水体，作为灌溉用水都面临着严重的重金属污染问题，有些地区虽然距离AMD废水污染源较远，但是，这些灌溉原水只要属于AMD废水污染水系那么也将面临同样的问题。

目前针对土壤重金属污染采用的修复技术主要有，针对污染土壤最彻底的是采用换土技术，该技术对于小场地修复是一劳永逸的，但是对于大面积污染土壤的修复是不现实的。针对大面积污染土壤的修复主要采用三类技术：(1)对于污染土壤采用种植对重金属具有较好吸附或植物体对重金属离子具有吸收功能的植物或农作物，对土壤中的重金属进行去除，然后通过植物体的采收，实现土壤重金属的去除，该处理方法比较彻底，但是从目前情况看，由于这种植物体吸收量相对于污染量还是太小，所以需要多年的不断种植才能够达到一定的修复效果；(2)微生物修复，利用类似硫酸盐还原菌在土壤环境下能够利用土壤中的硫酸盐还原生成S^2-，然后S^2-能够同土壤中的重金属离子形成难溶金属硫化物，从而有效降低金属离子的生物有效性，实现降低土壤重金属“毒性”的作用。微生物修复涉及到利用微生物改变土壤酸、碱环境，产生难溶物、络合物等方法，该类技术方法在一定程度上缺乏稳定性，如土壤在饱水和缺水、温度变化、其他种类微生物和作物根系分泌物等变化，都会影响治理效果和稳定性；(3)利用化学药剂，尤其是大分子物质，利用其能够同金属离子直接形成难溶物、络合物的作用，降低土壤重金属“毒性”和生物有效性。

上述方法都是针对已经污染土壤的修复技术，那么针对AMD废水污染，除上述针对土壤的直接治理，还有，就是切断污染源的AMD矿山废水源头治理，源头治理技术目前有大量的环境工作者也在进行积极的工作。但是，在针对已经污染的地表水水体，尤其是已经受常年污染的河流及湖泊，水体底部已经形成大量沉积物，水体又是水体或水系周围唯一灌溉水源的地区，针对灌溉水重金属污染的控制还缺乏有效措施，该方法的实施对于控制该类污染的继续具有十分重要意义。

针对上述本发明创造产生的背景条件：AMD酸性废水具有低pH、重金属含量高、硫酸盐含量高的特点，但是，这些AMD原废水一旦进入水体或河流，它的低pH特性和高硫酸特性就被水体所弱化，同时被稀释的还有重金属离子。但是，重金属离子在水体中可以以沉积物的形式积累存在，并且存在着随沉积物底泥中生态环境的改变还会出现再释放过程。这样受污染的水体重金属的来源就出现两种形式，一种是直接污染时以离子状态直接存在于水体的金属离子，另一种就是底泥沉积物中不断释放出来的重金属离子重新回到水体的水中。用这些水不加处理直接灌溉农田，会导致农田土壤形成重金属污染积累，所以从这一角度上来看，虽然污染水体中重金属能够形成沉积物沉淀，但是从长期看重金属的危害在某种程度上说并未减轻。那么，利用以AMD废水污染的地表水(河水、湖泊水)为灌溉水源的污染控制就基本转化为针对重金属的污染控制。

在这里我们的创造依托的核心材料为无机矿物原料蛭石，蛭石的主要化学式为(Mg,Ca)0.3-0.45(H2O)n{(Mg,Fe3,Al)3[(Si,Al)4O12](OH)2}，蛭石有较高的层电荷数，具有较高的阳离子交换容量和较强的阳离子交换吸附能力。热膨胀蛭石具有较大的孔隙率和较好的透水性。因此以热膨胀蛭石为核心材料，建立重金属脱除系统，灌溉水被取出后，经过重金属脱除处理后再实施灌溉，灌溉水就能够达到农田灌溉重金属限制标准。

技术实现要素：
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本发明目的在于开发出一种适用于以AMD废水污染的地表水为灌溉水源的土壤重金属污染控制装置及方法。核心是利用蛭石有较高的层电荷数，具有较高的阳离子交换容量和较强的阳离子交换吸附能力。含有重金属离子的水，流经蛭石填充层时金属离子能够通过离子交换和吸附能够得以去除，另外强调采用热膨胀蛭石，由于其具有较大的孔隙率和较好的透水性的同时，又具有较小比重的特点，所以采用微膨胀技术，可以极大地提高所建立的填充层，对地表水普遍含有较多杂质容易堵塞填充层的适应性。

为了解决上述问题，本发明采用了以下技术方案(详细结构见附图)。

以AMD废水污染的地表水为灌溉水源的土壤重金属污染控制装置，主要包括过滤吸附交换装置，过滤吸附交换装置整体结构类似于水处理的滤池，过滤吸附交换装置的池体结构由混凝土结构(大型装置)或钢制结构(小水量装置)制成(10)。整个过滤吸附交换装置内部自下而上依次包括：进水配水系统部分、卵石承托层(5)、蛭石交换层(6)、出水部分；

底部的进水配水系统部分考虑结构形式简单、造价和能耗问题，建议采用大阻力配水系统，但是也可以采用滤板、滤头或者滤砖形式进行配水。优选以大阻力配水形式(配水干管(3)两侧均布有配水支管(4))，该部分力求进水配水均匀，不出现局部区域配水流量过大，运行中出现翻池现象。

卵石承托层(5)，填装材料最宜为卵石，卵石粒径范围2-40mm，由底部至上层粒径逐渐由大到小铺装，最上层粒径范围为2-4mm，最上层铺装厚度不小于200mm，整个承托层(5)厚度要超过(4)配水支管以上不低于400mm。

蛭石交换层(6)，蛭石粒径控制在0.5-0.8mm，为了保障在有限配水流量下，能够有效产生微膨胀效果，该部分粒径应严格控制。过小会出现蛭石流失，过大微膨胀效果差。蛭石层填充高度控制在1.5-2.0m。

出水部分，蛭石交换层(6)上层为出水部分，包括蛭石交换层(6)上层中配置的出水渠(7)和过滤吸附交换装置池体结构外部的出水总渠(8)组成，出水渠(7)位于蛭石交换层(6)上层一段距离高度，出水渠(7)和出水总渠(8)连接，出水渠(7)上面开口总面积小于蛭石交换层(6)上表面总面积的20％。

运行方式：灌溉原水(1)为AMD废水污染的地表水，灌溉原水(1)通过水泵(2)抽提加压，进入过滤吸附交换装置底部进水配水系统部分处的进水口，经过配水后(若采用大阻力配水系统时，进水流经配水干管(3)，进入配水支管(4)配水)，向上经过卵石承托层(5)后，再向上进入蛭石填充交换层(6)，经过池内出水渠(7)，进入出水总渠(8)，经过与出水总渠(8)连接的出水总管进入农田灌溉渠道(9)。

进一步，可以利用回流管路(11)和回流泵(12)采用回流方式运行，回流管路(11)上设有回流泵(12)，回流管路(11)将出水总渠(8)和过滤吸附交换装置的进水口进行连接。

进一步优选，进水流量控制在使得蛭石交换层膨胀率在10％以下。同时过滤吸附交换装置内部水流通过蛭石交换层竖向流速控制在15-20m/h。

通过该方法的实施，可以有效降低或消除以AMD废水污染的地表水为灌溉水源的农田继续受到重金属的污染，对于遏制我国受AMD废水重金属污染农田区域的扩大和加重具有重要意义。

本发明的有益效果主要体现在：

1.充分利用了无机矿物原料蛭石对重金属离子具有较高的阳离子交换容量和较强的阳离子交换吸附能力，为土壤重金属污染控制提供了一种技术途径和可行的技术方法。

2.由于整体结构形式决定，为污染灌溉水和交换吸附材料蛭石提供了充分的接触交换空间和时间。

3.由于采用上向流、小粒径填充和微膨胀运行形式，极大地避免了填充层的局部水流短路和由于原水含有杂质而极易出现的交换层堵塞现象，使处理装置对原水具有了很强的适应性。

附图说明

图1为以AMD废水污染的地表水为灌溉水源的土壤重金属污染控制装置及运行方式示意图；

图2为以AMD废水污染的地表水为灌溉水源的土壤重金属污染控制装置的俯视图，为了视图效果，其中卵石承托层(5)和蛭石交换层(6)没有给出；

图3为附图2中1-1方向的纵向剖视图；

图4为附图2中2-2方向的纵向剖视图；

1灌溉原水、2水泵、3配水干管、4配水支管、5卵石承托层、6蛭石交换层/7出水渠、8进入出水总渠、9农田灌溉渠道、10过滤吸附交换装置的池体结构、11回流管路、12回流泵。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

以AMD废水污染的地表水为灌溉水源的土壤重金属污染控制装置运行方式示意图见图1，具体的AMD废水污染的地表水为灌溉水源的土壤重金属污染控制装置见图2-4。

以含有Pb、Zn、Cd、Cu、Hg、Mn人工配水为原水进行处理实验，原水水量Q＝5L/h、pH＝7.2，处理单元由有机玻璃制成圆柱形，直径D＝200mm，蛭石粒径0.5-0.8mm，装填高度2000mm，卵石承托层粒径2-40mm，填充厚度为300mm。出水满足农业灌溉水标准。