某矾矿酸性废水处理的工程设计

张小庆

(安徽中环环保科技股份有限公司，安徽合肥 230051)

矿山开采过程中会产生大量的酸性矿山废水，据统有关资料统计，我国每年的酸性矿山废水排放量为36亿t，其比例占全国工业废水总排放量的10%左右，而酸性矿山废水的处理率却仅为4.28%，因此，酸性矿山废水的处理已经成为亟需解决的问题[1]。某矾矿山主要开采产品为钾明矾等，曾是省内大中型骨干企业，随着经济的转型，以及明矾替代品的出现，矿厂最终停产。虽然矿厂主体已经停产，但开采造成的矿坑废水污染一直延续，矿坑排水主要是围岩地下水，在硫的参与下形成含有害元素的酸性废水[2]，废水中重金属含量严重超标。此酸性废水从巷道涌出，且无废水处理设施，直接流入河流，最终汇入湖泊，对河流两岸农业灌溉、流经河流水质产生较大影响，在雨水较少时对周边村镇居民的生活有一定危害。

因此，需要对巷道涌出的废水进行收集处理，新建一座废水处理站，使废水经处理后达标排放。针对矿山酸性废水，朱乐辉等[3]采用“石灰石沉淀+过滤+石灰沉淀+混凝沉淀”工艺分段沉淀，使出水锰≤1.2 mg/L。郑雅杰等[4]采用石灰与氢氧化钠二段中和法处理矿山酸性废水，取得了很好的效果。结合本项目废水特性，本工程采用碱液中和、曝气氧化、两级混凝沉淀和一体化铁锰滤池的处理工艺，确保废水得到有效处理，达到出水标准后外排。

1 工程概况

本工程矾矿酸性废水来源主要为矿坑涌水，废水水量随季节性变化较大，根据监测数据，夏季雨后废水量约为2 880 m3/d，故确定设计规模为3 000 m3/d。废水呈强酸性，铁、铜含量较高，同时还含有一定的锰，其他常规指标均较低，因此，特征污染物为pH和铁、锰、铜重金属。按照环评要求，出水总铁参考上海市《污水综合排放标准》(DB 31/199—2018)中表2一级标准执行；铜及其他污染物执行《污水综合排放标准》(GB 8979—1996)表4中一级标准。具体设计进、出水水质指标如表1所示。

表1 设计进、出水水质Tab.1 Design Influent and Effluent Water Quality

2 工艺流程

水中铜离子能够对空气氧化二价锰起催化作用，因此，考虑先在中性条件下将铁、锰氧化成高价易水解沉淀的铁、锰离子；由于铁、锰在水中存在条件相似，故一级混凝反应池中先将pH值调节到8，以去除铁、锰离子以及部分铜离子；二级混凝反应池中再将pH值调节到10，以去除废水中铜离子并进一步去除铁、锰离子。废水中铁离子含量较高，需增设铁锰滤池强化铁、锰的去除效果，以保证出水的稳定性。二级沉淀池出水进入中提泵站，投加稀酸对废水pH进行调节，使其达到排放要求。

因此，本工程污水处理工艺为预调节池(pH值调节到7，曝气)+一级混凝反应池(pH值调节到8)+一级沉淀池+二级混凝反应池(pH值调节到10)+二级沉淀池+中提泵站(pH值调节到6～9)+一体化铁锰滤池+清水池。工艺流程如图1所示。

图1 废水处理站工艺流程图Fig.1 Flow Chart of Treatment Process

污泥处理工艺采用污泥浓缩池+板框压滤脱水，使污泥含水率降到60%以下，外运至某垃圾发电厂处置。

废水处理站进水自流到预调节池，调节pH至中性，经平流式沉淀池沉淀后曝气，利用水中铜离子对空气氧化二价锰起催化作用，将铁、锰氧化成高价易水解沉淀的铁、锰离子；随后废水进入一级混凝反应池中，将pH值调节到8，自流进入一级沉淀池，以去除铁、锰离子以及部分铜离子；一级沉淀池出水进入二级混凝反应池，将pH值调节到10，自流进入二级沉淀池，以去除废水中铜离子并进一步去除铁、锰离子；二级沉淀池出水进入中提泵站，投加稀酸调节pH至中性，由于废水中铁离子含量较高，增设铁锰滤池强化铁、锰的去除效果，以保证出水的稳定性；通过中提泵将废水提升进入一体化铁锰滤池，出水进入清水池排放。

由于各工艺段主要是酸碱中和反应，运行过程中pH的控制至关重要，因此，设计了一套pH自动控制加药系统，通过pH的反馈自动控制加药泵的启停，既保证了污水处理的效果又可以节省药剂使用量。

pH自动控制加药系统，是通过pH计控制器自动检测被测液体的pH值，并通过设定控制范围转换成电流信号输出到加药泵，加药泵(已设定接收信号范围及输出频率范围)通过接收到的信号，自动控制加药泵的启停。

3 主要构筑物及设备设计参数

3.1 预调节池

预调节池分为沉淀区和曝气区，起到调节水量以及调节至中性环境下氧化金属离子的作用。废水先进入混合池，与投加的碱液搅拌混合调节pH值至7，然后经过平流式沉淀池将沉淀物去除，随后废水进入曝气区，将废水中二价铁氧化成更易水解沉淀的三价铁离子，同时，在铜离子的催化作用下将二价锰离子氧化为不溶性的二氧化锰，形成沉淀去除，曝气气水比为7∶1。

由于加入碱液调节pH，会产生大量的沉淀物，因此，在工程设计上将曝气区设置于平流式沉淀池后端，可以大大减少酸碱中和沉淀物对曝气管的堵塞，方便后期运营。在药剂选择上，由于石灰乳渣滓较多，考虑尽量减少沉淀物，预调节池选择投加碱液。

设计预调节池1座，停留时间HRT=8 h，尺寸为：L×B×H=21.0 m×12.0 m×4.5 m(半地下钢砼结构)。设置混合池1座，与预调节池合建，尺寸为：L×B×H=2.0 m×2.0 m×3.4 m(半地下钢砼结构)。

主要设备：潜污泵3台，流量Q=62.5 m3/h，扬程H=9 m，功率P=4.0 kW(2用1备，1台变频)；中空管曝气器1套；桁车式刮泥机1台，跨距4.2 m，功率P=4.55 kW；立式搅拌机1台，浆叶直径D=1 m，功率P=1.5 kW；剩余污泥泵1台，流量Q=15 m3/h，扬程H=13 m，功率P=1.1 kW； pH计1台，置于混合池内。

3.2 事故池

主要作用为储存事故水，防止因意外原因导致出水不达标而外排。设计事故池1座，停留时间HRT=5 h，尺寸为：L×B×H=21.0 m×6.3 m×4.5 m(半地下钢砼结构)。

主要设备：潜污泵2台，流量Q=62.5 m3/h，扬程H=5 m，功率P=4.0 kW(1用1备)；潜水搅拌器1台，功率P=4.0 kW；超声波液位计1台。为节省占地，事故池和预调节池合建。

3.3 一级混凝反应池

废水从预调节池通过泵提升进入一级混凝反应池，反应池内投加石灰乳和阳离子PAM，将pH值调节到8，初步去除废水中铁离子和锰离子，并进行絮凝沉淀。设计一级混凝反应池1座，尺寸为：L×B×H=6.0 m×3.0 m×5.4 m(半地下钢砼结构)。

主要设备：混合搅拌机1台，浆叶直径D=1.4 m，转速R=40 r/min，功率P=3.0 kW；混合搅拌机1台，浆叶直径D=1.4 m，转速R=25 r/min，功率P=2.2 kW；pH计1台。

3.4 一级沉淀池

对一级混凝反应池出水进行沉淀，去除其中沉淀物。设计方形一级沉淀池1座，表面负荷q=0.74 m3/(m2·h)，尺寸为：Φ×H=13.0 m×4.5 m(池边深度，半地下钢砼结构)。

主要设备：中心传动刮泥机1套，功率P=0.75 kW；剩余污泥泵1台，流量Q=10 m3/h，扬程H=10 m，功率P=1.1 kW。

3.5 二级混凝反应池

废水从一级沉淀池自流进入二级混凝反应池，反应池内投加石灰乳和阳离子PAM，将pH值调节到10，废水中铜转化成氢氧化铜沉淀，进一步去除铁和锰，并进行絮凝沉淀。设计二级混凝反应池1座，尺寸为：L×B×H=6.0 m×3.0 m×5.4 m(半地下钢砼结构)。

主要设备：混合搅拌机1台，浆叶直径D=1.4 m，转速R=40 r/min，功率P=3.0 kW；混合搅拌机1台，浆叶直径D=1.4 m，转速R=25 r/min，功率P=2.2 kW；pH计1台。

3.6 二级沉淀池

对二级混凝反应池出水进行沉淀，去除其中沉淀物。设计方形二级沉淀池1座，表面负荷q=0.74 m3/(m2·h)，尺寸为：Φ×H=13.0 m×4.5 m(池边深度，半地下钢砼结构)。

主要设备：中心传动刮泥机1套，功率P=0.75 kW；剩余污泥泵1台，流量Q=10 m3/h，扬程H=10 m，功率P=1.1 kW。为节省占地，一、二级混凝反应池和沉淀池合建。

3.7 中提泵站(含反调节混合池)

二级沉淀池出水自流进入中提泵站，投加稀盐酸调节pH值至6～9，然后通过泵提升进入一体化铁锰滤池。设计中提泵站1座(含反调节混合池)，尺寸为：L×B×H=6.0 m×6.0 m×5.0 m(半地下钢砼结构)，其中反调节混合池尺寸为：L×B×H=2.0 m×2.0 m×5.0 m。

主要设备：中间提升泵3台，流量Q=62.5 m3/h，H=25 m，P=11 kW(2用1备，1台变频)；混合搅拌机1台，桨叶直径D=1 m，转速R=58 r/min，功率P=1.5 kW；超声波液位计1台；pH计1台。

3.8 一体化铁锰滤池

采用过滤截留水中的悬浮杂质，从而使水质得到净化的工艺过程。采用一体化成套设备，设计参数：滤速V=7.8 m/h，反冲洗气强度为15 L/(m2·s)，反冲洗水强度为10 L/(m2·s)，反冲洗形式为降水位+气水联合反冲洗，反冲洗周期根据实际情况而定，一般24～48 h。滤料从上往下依次为：粒径0.6～1.2 mm 的天然海砂，粒径2～4 mm的石英砂，粒径4～8 mm和8～16 mm的鹅卵石。

主要设备：砂滤罐2套，单个罐体尺寸：Φ×H=3.2 m×4.5 m(碳钢罐体)；反洗风机1台，风量Q=5.6 m3/min，风压H=0.04 MPa，功率P=5.5 kW；反洗泵1台，设计流量Q=289 m3/h，扬程H=20 m，功率P=37 kW。

3.9 清水池

为铁锰滤池提供反冲洗用水，出水可直接排放。根据砂滤罐的反冲洗水泵流量、反冲洗时间等参数确定清水池尺寸，并从运行角度考虑和砂滤罐设备的距离。停留时间HRT=1.2 h。设计清水池1座，与中提泵站合建。尺寸为：L×B×H=6.0 m×6.0 m×5.0 m(半地下钢砼结构)。

3.10 污泥浓缩池

将预调节池和一、二级沉淀池内的剩余污泥进行浓缩，然后送入板框压滤机进行脱水。绝干污泥量为0.25 t/d。设计污泥浓缩池1座，尺寸为：Φ×H=5.0 m×4.5 m(池边深度，地上钢砼结构)。

主要设备：栅条式污泥浓缩机1台，功率P=0.75 kW。

4 运行情况分析及工程经济指标

根据废水处理站运行结果表明，该废水站进、出水水质达到设计要求，出水指标均能满足排放标准。运行监测数据(2020年3月)如表2所示。

表2 运行进、出水水质Tab.2 Results of Influent and Effluent Water Quality

本工程总投资为1 599.13万元，其中工程费用为1 261.81万元，工程建设其他费用为281.04万元，预备费为46.29万元，铺底流动资金为10.00万元(包含了1 km管网费用)。

本工程设计运行费用为2.830元/t，其中电费为0.365元/t，药剂费为1.819元/t，人工费为0.091元/t，污泥处置费为0.084元/t，其他费用为0.471元/t。

5 设计特点

(1)设计了预调节池和事故池，预调节池兼顾调节水量和调节pH、曝气氧化的双重作用[5]，设计时考虑到酸碱中和生成的沉淀物对曝气管的堵塞，影响曝气氧化的效果，故在曝气区前端设计了平流式沉淀池，并采用产生沉淀物较少的碱液药剂。进水在混合池内与碱液充分搅拌反应，随后进入平流式沉淀池，去除固体沉淀物后废水再进入曝气区进行曝气氧化反应，大大减少了曝气管的堵塞，提高了曝气氧化的效果。

(2)考虑构筑物相互间协调和节省占地，将预调节池的沉淀池设计为平流式，将一、二级沉淀池设计为方形，有利于同其他构筑物合建，也有利于厂区整体布局美观。

(3)清水池设计时兼顾砂滤罐反冲洗用水的需求，构筑物具有双重作用，避免了单独建设反冲洗水池，节省了占地。

(4)由于废水中铁离子含量较高，为保证出水的稳定达标，设计时在两级混凝沉淀后考虑铁锰滤池，强化铁、锰的去除效果。同时，由于水量较小，从经济上比较后，设计选用一体化铁锰滤池，简单方便。对其他小规模酸性矿山废水的处理工程，具有一定的参考性。

(5)由于主要是酸碱中和反应，如何精确有效地投加药剂是运行的关键，既关系到处理效果又关系到生产成本。故工程设计了一套pH自动控制加药系统，通过该系统，可以监测到预调节池、一级混凝池、二级混凝池、中提泵站内实时pH，并通过pH自动系统控制加药泵的频率或者启停，大大提高了加药的精度和工作效率，保障了生产工艺的稳定以及降低了生产成本。

6 结论

根据现场实际运行数据，废水处理站出水pH值为6～9，铁为0.22～1.68 mg/L，锰为0.17～1.71 mg/L，铜为0.06～0.42 mg/L。故工程设计采用“预调节池+一级混凝反应池+一级沉淀池+二级混凝反应池+二级沉淀池+中提泵站+一体化铁锰滤池+清水池”的工艺切实可行，能够满足出水pH值为6～9，铁≤2.0 mg/L，锰≤2.0 mg/L，铜≤0.5 mg/L的要求。废水经处理后达标排放，能够有效地减少废水对周边水体环境和居民生活的影响，保护了环境。工程设计中的一些思路对其他类似项目提供了参考作用。