基于《水处理工程》的酸性高铁矿井水综合实验设计

章丽萍，马项阳，吴胜念，薛静雯，郑 洋，何绪文

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083)

煤系地层和煤中的硫铁矿(FeS2)是形成酸性矿井水的物质来源[1-2]。在高硫煤层的开采过程中[3]，空气提供了氧化过程中所必须的O2，地下水渗入提供了H2O，并与残留煤的接触，使煤层和顶底板中的硫铁矿[4]、有机硫在氧存在的条件下，经过化学和生物氧化作用，形成H2SO4以及以Fe为主的各种金属离子，游离的硫酸使矿井水呈酸性[5-6]。我国的南方矿区，如川、贵、粤、湘、鄂、桂、浙和闽等，都不同程度地产生了酸性矿井水问题。

目前处理酸性矿井水的方法主要有中和法、微生物法、人工湿地法[7]、粉煤灰吸附法等[8]。我国酸性矿井水基本上采用中和法处理，投加碱性药剂或以石灰石、白云石为滤料进行过滤中和[9]。中和法的优点是对中和剂石灰石颗粒直径无严格要求、设备比较简单、操作管理方便、处理费用低[10]；缺点是设备比较庞杂、噪声大、环境条件较差、二次污染严重。反应产物CaSO4、Fe(OH)3与过剩的石灰石[11]混杂在一起，处理困难，同时缓冲能力差，投加量不易控制，容易中和过度，且处理成本较高。

我国东北、西北、华北和华南地区均有菱镁矿分布，目前探明储量大于30亿t，远景储量估计在50亿t以上。用菱镁矿制备耐火材料时会产生大量尾矿，既浪费资源，又严重污染矿区生态环境[12]。将这些菱镁矿尾矿在540～800 ℃煅烧，即可得到价格低廉、 氧化镁活性成分含量高的轻烧镁粉，用此轻烧镁粉作中和剂处理酸性矿井水时，除二氧化硅外，其余碱性成分都能发挥作用，少量的二氧化硅形成沉渣[13]。其特点是反应较慢，终点pH值比较容易控制。

本实验用轻烧镁粉对酸性高铁矿井水进行处理，探讨其中和能力及除铁效果，为我国酸性矿井水的处理达标排放及行业的可持续发展提供技术支撑。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

实验用轻烧镁粉取自国内某菱镁矿尾矿煅烧产生的轻烧镁粉，其XRD衍射结果如图1所示，主要化学成分见表1。

图1结果显示，轻烧镁粉衍射图中主峰的位置与纯MgO的峰对应，且主峰明显较高，其主要成分为MgO，含量达到90%以上，此外还含有少量的SiO2、Al2O3、CaCO3、MgCO3。

实验以山西某煤矿酸性矿井水为研究对象，矿井水的常规水质检测结果见表2。

表1 轻烧镁粉的化学组成Table 1 Chemical composition of the light-burned magnesium

表2 山西某煤矿酸性矿井水水质Table 2 The water quality of acid mine drainagefrom a coal mine in Shanxi

图1 轻烧镁粉XRD衍射图Fig.1 The XRD of the light-burned magnesium

1.2 实验仪器

梅宇MY3000-6M型智能混凝搅拌仪用于中和、混凝搅拌实验；美国尤尼柯2100紫外可见分光光度计用于测量矿井水中的亚铁离子和总铁浓度；意大利哈纳pH-211酸度计用于矿井水的pH值测量。

1.3 实验方法

1) 中和实验。将一定量的轻烧镁粉、氧化钙、氧化镁分别加入到1 000 mL酸性矿井水中，在六联混凝搅拌仪中进行搅拌混合，以400 r/min的速度搅拌10 min，静置20 min，取上清液经0.45 μm膜过滤后测定其pH值。

2) 曝气除铁实验：投加一定量的轻烧镁粉到100 mL酸性矿井水中，调节pH值为5～7，按前述中和实验过程搅拌后，用蜂窝状曝气头控制不同的流量对水样进行曝气，在不同的曝气时间取水样，用呤菲啰啉分光光度法测量亚铁离子和总铁浓度。

2 实验结果与讨论

2.1 轻烧镁粉中和性能试验研究

投加一定量的稀硫酸或氢氧化钠溶液至酸性矿井水中，将其初始pH值3.24分别调到3.15、3.16、3.24、3.25、3.27、3.31，再分别投加轻烧镁粉0.10 g、0.20 g、0.30 g、0.40 g、0.50 g、0.60 g、0.70 g、0.80 g、0.90 g、1.00 g、1.10 g、1.20 g，按前述中和实验方法进行研究，考察轻烧镁粉对酸性矿井水的中和性能，实验结果如图2所示。

图2 轻烧镁粉投加量对酸性矿井水pH值的影响Fig.2 The effect of light-burned magnesium dosage on pH value of acid mine drainage

由图2可知，利用轻烧镁粉处理酸性矿井水时具有良好的中和效果。当投加轻烧镁粉量为0.50～1.00 g/L时，酸性矿井水可以由初始pH值3.15～3.31提高到6～9；当水样初始pH值为3.15、投加轻烧镁粉量为0.80 g/L时，pH值可提高到6.21，当投加量为1.10 g/L时，pH值可提高到9.30；当水样初始pH值为3.31、投加轻烧镁粉量为0.50 g/L时，pH值可提高到6.04，当投加量为0.80 g/L时，pH值可提高到9.60。

2.2 氧化钙、氧化镁与轻烧镁粉中和性能对比实验

分别以氧化钙、氧化镁、轻烧镁粉作为中和剂，加入1 000 mL初始pH值为3.27的酸性矿井水进行实验，氧化钙的投加量为0～0.40 g，依次递增0.05 g；氧化镁的投加量为0～0.60 g，依次递增0.05 g；轻烧镁粉的投加量为0.10～1.00 g，依次递增0.1 g，考察其对酸性矿井水的中和性能，实验结果如图3所示。

图3 不同中和剂投加量对酸性矿井水pH值的影响Fig.3 The effect of different neutralizers dosage on pH value of acid mine drainage

由图3可知，氧化钙对酸性矿井水的中和能力最强，投加量为0.20 g/L时，pH值上升到8.23；当投加量为0.25 g/L时，pH值升高到10.17。由此可见，氧化钙在处理酸性矿井水时，反应速度快、缓冲能力差、投加量难以控制。中和反应后静置20 min可沉淀完全，但沉淀物比较松散，受波动易散。

氧化镁对酸性矿井水也具有较好的中和能力，投加量从0.10 g/L增加到0.60 g/L时，水样的pH值由5.20升高到8.74，反应速度较慢，缓冲能力较强，投加量较易控制。中和反应生成的沉渣由于粒径小导致沉降性能较差，静置3 h只能沉降50%左右，但沉渣比较密实，容易过滤。为提高沉渣的沉降效果，需要投加一定的絮凝剂。

轻烧镁粉主要成分为氧化镁，其含量超过90%，因此其中和性能及沉淀效果与氧化镁类似，当轻烧镁粉投加量由0.10 g/L增加到0.80 g/L时，水样的pH值由3.49上升到9.06，缓冲性能较好，较容易控制投加量使矿井水的pH值控制在6～9，但沉淀过程同样需要投加絮凝剂进行改善。

2.3 轻烧镁粉处理酸性矿井水优化实验

影响轻烧镁粉处理酸性矿井水效果的主要因素包括投加量、搅拌速度、反应时间等，为了进一步优化实验参数，并为后续酸性矿井水除铁实验提供依据，研究采用正交设计实验方法，在前期实验研究的基础上确定轻烧镁粉投加量(0.75 g/L、0.80 g/L、0.85 g/L)、搅拌速度(400 r/min、450 r/min、500 r/min)、搅拌时间(8 min、10 min、12 min)三水平，实验结果见表3。

表3 轻烧镁粉处理酸性矿井水正交实验Table 3 The orthogonal experiments of acid mine drainage treated by light-burned magnesium

将搅拌后静置20 min的上清液pH值作为考察实验结果的指标，并规定pH值越高越好。由表3可知，各因素间并无明显的交互作用，且R1>R3>R2即轻烧镁粉处理酸性矿井水时三个因素的影响程度大小为：加药量>搅拌时间>搅拌速度，根据加药量各因素K值，可确定实验的最优组合为轻烧镁粉0.85 g/L、搅拌速度400 r/min、搅拌时间12 min。搅拌后静置2 h的实验数据与静置20 min的趋势一致，但由于轻烧镁粉反应较慢，搅拌时间的影响程度大于搅拌速度，且搅拌静置2 h后，水样pH值还会缓慢上升，主要由于加入的轻烧镁粉在搅拌过程中未反应完全，在后续的静置过程还发生了缓慢的中和反应。

2.4 曝气除铁试验研究

2.4.1 初始pH值的影响

酸性矿井水初始pH值对曝气除铁效果影响较大，酸性矿井水初始pH值为3.24，亚铁离子离子浓度为66.98 mg/L，以原酸性矿井水和分别投加0.2 g/L轻烧镁粉后pH值为5.09、投加0.70 g/L轻烧镁粉后pH值为6.08、投加0.95 g/L轻烧镁粉后pH值为7.48的水样为研究对象，曝气量控制为1.0 m3/h，在不同的曝气时间后取上清液进行分析，矿井水中pH值和亚铁离子浓度如图4所示。

由图4可知，矿井水pH值对曝气去除酸性矿井水中亚铁离子的效果影响较大，当初始pH值为3.24时，曝气时间增加到90 min，亚铁离子由66.98 mg/L下降到31.86 mg/L，随着初始pH值的升高，矿井水中亚铁离子的去除效率增加显著，且曝气时间可以大大缩短；当矿井水的pH值升高到7.48时，曝气5 min，亚铁离子可降至0.20 mg/L，曝气10 min，亚铁离子可降至0.10 mg/L。综合考虑曝气除铁效果、出水pH值要求及轻烧镁粉投加费用，酸性矿井水pH值经轻烧镁粉调节至7.48效果更佳。

2.4.2 曝气量的影响

曝气氧化法除铁时曝气量是控制去除效果的主要因素之一，向酸性矿井水中投加轻烧镁粉，使其pH值提高到7.48，曝气量分别设置为0.5 m3/h、1.0 m3/h、1.5 m3/h，在不同的曝气时间下取上清液进行分析，酸性矿井水中亚铁离子浓度结果见表4。

表4实验结果表明，曝气量的增加对矿井水中亚铁离子有一定的影响，且随曝气时间的延长，出水亚铁离子的浓度逐渐下降。当曝气量为0.5 m3/h、曝气时间达到5 min时，矿井水中亚铁离子浓度为0.20 mg/L；当曝气量为1.0 m3/h、曝气时间为5 min时，矿井水中亚铁离子浓度为0.19 mg/L；当曝气量为1.5 m3/h、曝气时间为5 min时，矿井水中亚铁离子浓度为0.08 mg/L。综合考虑亚铁离子去除效果及曝气电耗，曝气量为0.5 m3/h时即可满足处理要求。

图4 不同pH值对酸性矿井水曝气除铁效果的影响Fig.4 The effect of different pH value on iron removal by aeration from acid mine drainage

表4 曝气量对酸性矿井水中亚铁离子去除的影响Table 4 The effect of aeration rate on ferrous ion removal from acid mine drainage

2.4.3 混凝剂的投加对铁去除效果的影响

由于轻烧镁粉处理酸性矿井水时生成的沉渣其沉降性能较差，静置时间2 h只能沉降50%左右。在前述实验最佳条件下，分别投加1 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、15 mg/L、20 mg/L、25 mg/L的聚合氯化铝(PAC)，混凝后静置30 min，取上清液测得亚铁离子和总铁浓度如图5所示。

图5 PAC投加量对酸性矿井水曝气除铁效果的影响Fig.5 The effect of PAC dosage on iron removal by aeration from acid mine drainage

图5实验结果显示，随着PAC投加量的增加，酸性矿井水中亚铁离子和总铁浓度均不断下降，当PAC投加量达到10 mg/L时，矿井水中亚铁离子浓度由初始的66.98 mg/L降到0.07 mg/L，总铁浓度由初始的230.01 mg/L下降到0.17 mg/L，满足排放或回用水对总铁的要求，且大大缩短了沉降时间以及改善了沉渣的沉降性能。与石灰中和法相比，轻烧镁粉处理酸性矿井水中和后产生的沉渣量少，且较密实。

3 酸性高铁矿井水处理技术研究在本科生实践教学中的应用

笔者结合承担的科研项目以及《水处理工程1》课程中讲授的中和及除铁除锰处理技术，将酸性高铁矿井水处理技术的研究作为大学生创新训练项目选题进行实践能力的培养训练，学生在实验室中采用轻烧镁粉中和剂对酸性矿井水进行中和处理，通过正交实验的设计，探讨了药剂投加量、pH值、曝气量、曝气时间等主要影响因素对处理效果的影响，为进一步提高铁的去除效果及沉渣的沉降性能，对比了投加PAC混凝剂的效果。通过理论指导与科研实践训练相结合，取得了良好的教学效果，有利于学生创新精神的培养及工程实践能力的提高，与传统的单纯课堂理论教学相比具有事半功倍的效果。

4 结 论

1) 利用轻烧镁粉作中和剂处理酸性矿井水具有良好的处理效果，在投加轻烧镁粉量为0.50～1.00 g/L时，酸性矿井水初始pH值可由3.15～3.31提高到6～9左右，缓冲性能较好，且较容易控制加药量使矿井水pH值控制在6～9，但生成的沉渣其沉降性能较差。

2) 正交实验表明轻烧镁粉处理酸性矿井水时三个主要因素的影响程度大小为：投加量>搅拌时间>搅拌速度，当轻烧镁粉投加量为0.85 g/L、搅拌速度为400 r/min、搅拌时间为12 min时，实验效果较好。

3) 用轻烧镁粉中和酸性矿井水将其pH值提高到7.48、曝气时间为5 min、曝气量为0.5 m3/h、PAC投加量为10 mg/L时，处理后矿井水中亚铁离子和总铁浓度可分别降至0.07 mg/L和0.17 mg/L，满足排放或回用水对总铁的要求，改善了沉渣的沉降性能，大大缩短了沉降时间。