不同铁浓度的含酸矿井水的中和沉淀试验

李国卿，周海燕，戴向荣，唐泽恒

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

0 引言

酸性矿井水源于硫化矿物在采矿活动时暴露于氧气和水中发生一系列生化、物化反应而形成的[1-4]，其中黄铁矿(FeS2)是开采中最常见的硫化矿物，反应机理如式(1)～式(5)所示。黄铁矿首先于中性pH在过量水和分子氧的作用下氧化生成Fe2+和SO42–如式(1)所示；随后铁氧化菌催化Fe2+氧化形成Fe3+如式(2)所示；Fe3+与水自发反应形成氢氧化铁如式(3)所示，即酸性矿井水中可见的橙色沉淀物；过量的Fe3+可作为额外的二次还原剂与黄铁矿反应，如式(4)所示。总的反应式如式(5)所示，主要产物有H2SO4和Fe(OH)3。

酸性矿井水若处理不当，不仅会腐蚀矿井设备、恶化矿井施工环境，更严重的是对当地的生态系统产生巨大破坏。例如，酸性矿井水渗入矿区附近地表土壤，有毒金属与土壤颗粒发生吸附解吸，因而改变土壤背景值；高浓度的硫酸盐会在形成河流和湖泊底部形成沉积物，这些沉积物会产生硫化氢，导致水体缺氧和中毒[5-8]。文章以贵州两个不同铁浓度的矿井水为研究对象，开展中和法试验研究，拟为酸性矿井水治理工艺提供技术依据。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验使用的高铁浓度含酸矿井水和低铁浓度含酸矿井水分别取自贵州菠萝冲和老都匀，简称为矿井水1(菠萝冲矿井水)和矿井水2(老都匀矿井水)，对水样的pH、总铁浓度和Fe2+浓度等指标进行了测试，测试结果如表1所示。

表1 酸性矿井水水质

实验所用熟石灰、NaOH、MgO和Na2CO3等均购于购自国药集团化学试剂有限公司，实验用水为超纯水，电阻率为18 MΩ·cm。

1.2 试验仪器

pH计(PHB-4型，上海仪电科学仪器股份有限公司)；电子天平(CP214型，奥豪斯仪器(上海)有限公司)；磁力搅拌器(DF-101S型，上海锦赋实验仪器设备有限公司)；电热恒温鼓风干燥箱(DGX-8053B，上海福玛实验设备有限公司)。

1.3 试验方法

用量筒依次量取1 000 mL菠萝冲矿井水于5个2 000 mL烧杯中，然后将一定量的熟石灰(Ca(OH)2)、NaOH、MgO和Na2CO3分别加入酸性矿井水中，缓慢搅拌后静置一段时间，分别取其上清液测量pH值(达标值在6.5～7.0区间内)。静置后形成的底部污泥经过离心处理后，放置于100 ℃干燥箱中直至完全干燥，从而称量得到干污泥量。

2 试验结果与讨论

2.1 高铁浓度含酸矿井水的中和沉淀实验

图1为高铁浓度含酸矿井水1投加不同中和剂的实验结果。以熟石灰作为矿井水1中和沉淀药剂时，在熟石灰投加量为2.42 g/L时，矿井水pH升至6.55，生成污泥浓度为5.05 g/L；同理，当NaOH投加量达到2.20 g/L时，矿井水pH升至6.91，污泥浓度为5.94 g/L；采用MgO作为中和沉淀药剂，在投加量为2.20 g/L 的情况下，矿井水pH升至6.64，污泥浓度为4.79 g/L；选取Na2CO3作为中和沉淀药剂，当投加量为4.60 g/L时，矿井水pH升至6.61，污泥浓度为4.98 g/L。由此可以看出，投加中和沉淀药剂至酸性矿井水后，出水pH均明显提升。上述碱性中和剂的中和效应主要依靠羟基和碳酸基团的缓冲容量来实现，碱性中和剂的溶解提升了pH值，促进不溶性金属氢氧化物和碳酸盐沉淀物的形成，而这些沉淀物可轻易通过固液分离工艺去除。从图1的矿井水1中和沉淀试验结果可以知道，在pH达标的情况下，熟石灰、NaOH和MgO的投加量相近，而Na2CO3投加量则相对较高，其中MgO作为中和沉淀药剂生成的污泥浓度最低。

图1 矿井水1的中和沉淀实验结果

2.2 低铁浓度含酸矿井水的中和沉淀实验

以熟石灰作为低铁浓度含酸矿井水2中和沉淀药剂，实验结果如图2所示，在熟石灰投加量为0.40 g/L时，矿井水2的pH升至6.62，生成污泥浓度为0.71 g/L；同理，当NaOH投加量达到0.26 g/L时，矿井水pH升至6.61，污泥浓度为0.66 g/L；采用MgO作为中和沉淀药剂，在投加量为0.56 g/L 的情况下，矿井水pH升至6.80，污泥浓度为1.21 g/L；选取Na2CO3作为中和沉淀药剂，当投加量为0.50 g/L时，矿井水pH升至6.57，污泥浓度为0.73 g/L。

图2 老都匀矿井水中和沉淀实验结果

根据图2矿井水中和沉淀试验结果，在pH达标的情况下，NaOH投加量最低，熟石灰投加量次之，而MgO和Na2CO3投加量则相对较高。低铁浓度含酸矿井水2中总铁浓度和Fe2+浓度均明显低于高铁浓度含酸矿井水2，尤其是Fe2+，Fe2+水解沉淀完全的pH值较高，需要更多的碱用量。并且低铁浓度含酸矿井水2中不溶性氢氧化物和碳酸盐的含量更低，因此产生的污泥量也低于高铁浓度含酸矿井水2。

2.3 处理成本分析

中和试剂的选择需要兼顾环境问题、矿井水成分、pH和经济成本等问题；中和沉淀法会产生大量污泥，污泥本身属于无经济效益产物，相关处置方案需从污泥量和成分等方面综合考虑。表2为矿井水中和处理的直接成本概算，各中和剂单价按大宗化学品价格计算，污泥处理按50元/吨。矿井水中和处理的直接成本等于中和试剂成本加污泥处理成本。NaOH相较于其他中和剂处理效果更为显著，这主要是由于NaOH能完全离解从而获得高pH值，然而工业级NaOH商业价格较为昂贵，且综合处理成本较高。对于高铁浓度含酸矿井水1，MgO的中和处理直接成本最低，熟石灰次之。对于低铁浓度含酸矿井水2，熟石灰的中和处理直接成本最低，MgO次之。因此，综合考虑可以采用熟石灰或MgO进行含酸矿井水中和处理。

表2 矿井水中和处理直接成本 单位：元/吨

3 结语

选取熟石灰、NaOH、MgO和Na2CO3中和处理酸性矿井水，结果表明这四种碱性中和剂均能有效促使酸性矿井水的pH值提高到达标值6.5～7.0区间内。对于高铁浓度含酸矿井水，熟石灰、NaOH和MgO的投加量相近，而Na2CO3投加量则相对较高，其中MgO作为中和沉淀药剂生成的污泥浓度最低。对于低铁浓度含酸矿井水，矿井水中总铁和Fe2+含量较低，所需碱性中和剂添加量明显降低，产生污泥量也相应减少，其中NaOH投加量最低，熟石灰投加量次之。综合考虑可以采用熟石灰或MgO进行含酸矿井水中和处理其成本最低。