含锰废水处理工程实践

葛 鹏，杨 尧

(南京大学环境规划设计研究院集团股份公司，江苏 南京 210093)

0 引言

1 工程概况

1.1 项目概况

某公司主要从事铁矿石的生产与加工，公司停产后遗留了些未经妥善处理的露天尾矿石，尾矿石经雨水浸泡，矿石中的铁、锰等重金属溶于水中形成一片主要含重金属锰污染的废水区域，该污染区域水体内含有大量的水生动物鱼类和虾类等，并有一定面积的绿植覆盖。

为避免受污染水域对农田灌溉、居民使用等周边环境产生不良影响，本项目应上级主管要求限期整治。

1.2 设计处理水质

主管部门对水体中的PH、悬浮物、化学需氧量、总氮、氨氮、总磷、铜、锌、锰、氟化物、硒、砷、汞、六价铬、铅、镉、镍、铍、银、铁、硫化物、石油类等展开监测，监测报告显示重金属锰超出国家标准，其监测数值约是国家标准的5倍。

本项目设计水质见下表1。

表1 设计处理水质

2 工艺设计

2.1 设计原则

本项目位置地处交通要道、车流不息，附近有居民区和大量农田，运输方便但设备汽运到现场搬运、安装不便，系统配置和功能设计按照处理设施安装运输方便、安全操作的原则进行并遵循如下要求[1-3]：

(1)安全可靠性：选用稳定可靠的手动控制方式，硬件上采用备用冗余技术，简化系统结构，减少出错环节；控制方式采用人工手动控制，设备选用220V单相电机，控制系统自带漏电保护；采用袋装片碱，避免液碱运输、储存的不便。

铅锌矿体矿石中的主要金属矿物是方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、黄铁矿、少量辉银矿、菱铁矿、银金矿等，脉石矿物主要有阳起石，少量方解石、石英等。

(2)经济性：处理设施均采用临时设备，不动一土一木，废水治理完成后可随时移走作二次利用；处理药剂采用易于投加、采购、搬运、储存等综合性价比高的片碱。

(3)灵活性：处理设施、药剂最重的单件重量为37kg以内，便于安装、运送及现场位置调整。

(4)时效性：采用原位治理技术，精简工艺、避免土建，处理设施数量少、大众化、易于组装，能够快速市场采购、安装到位。

(5)环保性：片碱投加在循环泵吸水口附近，溶解、稀释、并使用循环泵循环均衡水质，通过水质检测仪精准控制投加量，始终使水体Ph控制在8.5以内，最大化的保护生态，降低对原有水生动、植物的影响。

2.2 工艺设计

按照整治工作要求，结合前期的水质监测结果，受污染区域废水的超标因子主要是重金属锰，目前常用的除锰工艺主要为[4，5]：

(1)碱化除锰法，最初采用的除锰方法是将石灰、NaOH等碱性物质投加到含锰废水中，把待处理水的Ph值提高到9.5以上，Mn2﹢在溶解氧的作用下迅速地氧化为MnO2析出，从而达到除锰的目的。

(2)强氧化剂除锰法，采用氧化能力较强的氧化剂是欧洲和美国普遍使用的除锰方法。一般常选用高锰酸钾、二氧化氯和氯气等强氧化剂。将高锰酸钾投加到含有Mn2﹢的水中可直接将Mn2﹢氧化为MnO2，而高锰酸钾本身则还原为MnO2，生成的MnO2经混凝沉淀过滤去除。

(3)接触氧化除锰法，天然锰砂接触氧化除锰工艺较为简单，原水经简单曝气后直接进入滤池，水中的Mn2﹢被锰砂吸附氧化去除，无需投加化学药剂，管理方便，处理效果稳定。

借鉴类似项目原位治理的成功工作经验，本项目通过投加NaOH碱性物质到含锰废水中，把待处理水的pH值提高到8左右，Mn2﹢在溶解氧、氢氧化钠的作用下迅速地反应生成难溶于水的MnO2、Mn(OH)2等沉淀物淀析出，在最短时限内不损害原有水生生态系统的前提下达到水质净化的目的。

综上所述，本次废水处理工艺最终采用“加药+增氧+沉淀”的原位治理技术。

2.3 工艺流程及说明

本项目原位治理主体工艺为“加药+增氧+沉淀”，工艺主要流程如下图1所示：

图1 废水处理设计工艺流程图

含锰废水加碱，同时开启循环泵和增氧机分别混合搅拌、曝气反应沉淀。具体为：把药剂投加在循环泵的顶部区域，药剂在自由沉降过程中迅速的溶化成水溶液，含有药剂的水溶液通过设置在水体底部的循环泵混合、搅拌、并通过水带提升输送至另一端水域表面散流充分均衡整个水体水质，将pH值提升至8左右，并在表面增氧机的作用下，Mn2+与溶解氧、氢氧化钠的迅速地反应生成难溶的MnO2、Mn(OH)2等沉淀物析出，从而达到净化水质的目的[2][3]。

2.4 处理设施

本项目废水处理设施清单见下表2。

表2 废水处理设施清单

3 运行效果

经过数周的现场废水处理设施运行，水体中原有鱼、虾类等水生动物未见死亡发生，芦苇、水草等水生植物未见枯萎现象，原有水生态系统得以最大保护，各项水质指标在限定的时限内均达到预期效果，其中总锰去除率达到95%以上，各因子检测数据见表3。

表3 水质检测数据

4 结论

低浓度含锰废水利用价值低，但它却对周边生态环境危害较大，在受限时间、成本等情况下采用原位治理技术，通过向受低浓度重金属锰污染的水体中精准投药、严格控制水体PH、充分曝气等环保节能的措施下，能在时间最短、成本较低、环境效益最好的情况下完成本次项目的水体整治，其证明了原位治理技术可行，处理效果显著等特点。

5 展望

为配合新农村建设，增强环境效益，对水体进行水生态修复提升。植物筛选时应利用具有治理成本低、景观效果好等优点水生植物修复重金属污染水体[4]。对去除锰离子，应挑选适应性强、抗逆性佳、生物量大、蓄积能力好的水生植物，提高生态修复重金属水体的能力。

5.1 植物筛选

植物筛选原则应本着生长迅速、生物量大、易割除、能适应冬季低温等特点的水生植物。此外，还应利用多种水生植物的合理搭配组合，可以发挥多种水生植物在吸收蓄积不同种重金属元素的功效，组成较合理的植物群落，提高水生植物群落的自动调节能力和生态稳定性，有望于不同季节都能实现较高效的重金属吸收蓄积能力。

5.2 水生态修复提升

在水体内布设生态浮床，浮体上布置湿地填料，形成填料浮体，其上种植湿地植物，成为浮岛式湿地，载体上种植浮水植物，成为人工浮岛。利用水生植物根系和茎叶对重金属的吸收、转化、富集等功能可以降低水体中重金属浓度，提升水体环境质量。当水生植物生物量增长到一定程度，通过割除水生植物可以最终实现重金属从污染水体中去除[5]。生态修复植物主要由挺水植物带、浮叶植物带及沉水植物带构建。

5.2.1 挺水植物带

挺水植物的根、根茎一般生长在水体的底泥之中，茎、叶挺出水面。挺水植物主要通过发达的不定根、定根、主根吸收并积累水中的重金属，其根部积累重金属的能力一般大于茎部和叶部。有文献研究表明，挺水植物香蒲、水雍、菖蒲、风水草对重金属的转运系数及富集效率较高，耐受性较好；其中香蒲可作为重金属污染水体的指示植物，其叶片对Mn的浓缩系数大于1；风水草在初始质量浓度均为1.0mg/L的含Mn废水中培养10d后，植物体内Mn积累量可别达到198μg/g。

设计以常水位为基础，并考虑0.3m-0.4m范围内的水位变化幅度对挺水植物存活率的影响。在水位变化较大的区域设计耐淹植物，并结合植物品种、植株高度，形成高低错落，提升视觉效果。挺水植被不仅水质有一定的净化作用，且能够为两栖动物、鸟类、水生动物等提供舒适的栖息场所，有利于生物多样化，同时能够提升滨水生态景观效果。

修复过程中优先选用芦苇、水雍、菖蒲等挺水植物。挺水植物带上层配置景观性较强的浅水植物，如香蒲、菖蒲、西伯利亚鸢尾、再力花等；下层配置既耐淹又耐旱的湿地植物，如芦苇，不仅吸收水体污染物，促进水生态系统形成，增加生态系统的多样性，与坡岸植被形成错落有致的滨水植物带，同时起到防土固坡，阻截外源污染的作用。

5.2.2 浮叶植物带

浮叶植物生于浅水中，根生长于水底，叶片浮在水面。常见的浮叶植物有莲、睡莲、菱、水鳖、荇菜等对重金属均有一定富集作用。浮叶植物带设计以常水位为基础，充分考虑水深对浮叶植物存活率的影响，设计在0.8m～1.2m水深范围内构建浮叶植物带。

浮叶植物带考虑配置选择适应性强、成活率高、景观性较强的常见观赏性根生浮叶植物，不仅吸收水体污染物，促进水生态系统形成，还可营造自然的水面景观，与挺水植被形成错落有致的滨水植物带。

5.2.3 沉水植物带

沉水植物的植株全部位于水层以下，通气组织比较发达，根部和叶部均可蓄积较高的重金属。沉水植物的叶子多为带状或丝状，常见的沉水植物有苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻、眼子菜等。沉水植物带构建充分考虑透明度、水深对沉水植物存活率的影响，在水深1.2m～2.0m区域内实施。

沉水植物带主要种植黑藻、苦草等本地常见的沉水植物，可有效吸收水体污染物，促进水生态系统形成。