桑树湾煤矿酸性废水去除金属离子研究*

周坤强宛 鹤张崇辉邓 强刘 飞

（1.西安建筑科技大学资源工程学院；2.贵州省地质矿产中心实验室；3.金堆城钼业股份有限公司）

贵州是我国南方最重要的煤炭生产基地，随着煤炭资源的开采和利用，产生了大量的酸性矿井水，对周边自然水体和土壤产生了影响，对煤矿酸性废水中有害元素的形成机理和治理研究已成为矿山环境治理中的一个热点。

矿山酸性废水治理的方法很多，如中和法、沉淀法、气浮法、混凝法、反渗透法、氧化还原法、离子交换法、吸附法、电渗析法、溶剂萃取法、生物处理法及液膜法等［1-2］。其中，中和法、沉淀法、混凝法在实际工程应用中应用最为广泛［3-5］。向酸性废水中投加碱性中和剂，一方面可使废水的pH 值接近中性，另一方面可使废水中的重金属离子与中和剂发生化学反应形成溶解度较小的氢氧化物沉淀［6］，最常用的中和剂是石灰［7］。为了提高处理效果，常将中和法与沉淀法、絮凝法组合使用［8］。常用的絮凝剂包括硫酸铝、硫酸铝钾和聚丙烯酰胺［9-10］，他们可与废水中的一些重金属离子形成不溶或难溶的硫化物或碳酸盐沉淀。向废水中投加混凝剂或絮凝剂可破坏胶体的稳定性，使细小悬浮颗粒和胶体颗粒聚集成较粗大颗粒，促进污染物沉降与沉淀［11-13］。因此，絮凝法一般是配合中和法或者沉淀法使用。为此，以贵州省五马河流域桑树湾煤矿废水为例，研究中和—沉淀—混凝工艺对酸性矿山废水处理效果的影响。

1 试验材料与方法

1.1 样品性质

试验所用酸性废水取自贵州五马河流域内的桑树湾煤矿的主井和副井，委托贵州省地质矿产中心实验室进行检测，各项检测结果见表1。

主、副井废水与生活用水水质相比pH 值较低，pH 值在3.0～4.0，pH 值小于6，属于酸性矿井废水。酸性废水中的金属离子主要以铁、锰离子为主，主要是煤层当中的含铁、锰的氧化物、硫化物、碳酸盐等矿物溶解形成；其他金属离子含量较低，达到排放要求。主井铁、锰含量分别为398.895，15.170 mg/L，副井铁、锰含量分别为3.618，0.803 mg/L，具有铁含量明显大于锰含量、主井含量明显大于副井含量的特点。同时，废水中含有一定的悬浮物，可能是煤屑、木屑、岩粉和黏土等微细颗粒物。

1.2 试剂及仪器

试验用试剂为氧化钙、硫化钠、硫酸铝等。试验用仪器为磁力搅拌器、原子吸收分光光度计、PHS-3C酸度计等。

1.3 试验方法

取200 mL 桑树湾煤矿主井酸性废水（原水），依次经过预氧化、pH 值调整、沉淀处理等步骤，然后过滤，测量滤液中的金属离子浓度。按下式计算酸性废水中的金属去除率，试验工艺流程见图1。

式中，R为去除率，%；C0为处理前溶液中金属的浓度，mg/L；C为处理后溶液中重金属的浓度，mg/L。

2 试验结果与讨论

2.1 正交试验设计

通过正交试验，探讨沉淀处理条件对酸性废水中Fe、Mn 去除率的影响。选择预氧化时间、pH 值调整剂用量、沉淀剂用量3 个主要因素（依次为因素A、B、C）进行研究，每个因素取3 个水平，并选用L9（34）正交表安排试验。试验因素水平见表2，试验结果见表3。

由表3 可知，通过三段工艺处理，酸性废水中的Fe去除率在78.52%～99.58%，Mn去除率在18.67%～87.15%，Mn去除率变化范围明显大于Fe；试验8所得Fe 去除率最高，为99.58%，试验5 所得Mn 去除率最高，为87.15%。

对表3进行极差分析，结果见表4。

由表4 可知，3 个因素对酸性废水中Fe 去除率的影响程度依次为A＞B＞C；对酸性废水中Mn 去除率的影响程度依次为C＞A＞B。其中，预氧化时间对酸性废水中Fe去除率影响显著，pH 值调整剂用量对Fe去除率有一定影响，沉淀剂用量对酸性废水中Mn 去除率影响显著，预氧化时间对Mn 去除率有一定影响。

2.2 验证试验及结果

在正交试验的基础上，确定沉淀处理酸性废水中Fe、Mn 的最佳优化方案为A3、B2、C3，最优条件下进行5组验证试验，试验结果见表5。

由表5可知，通过验证试验，在最优方案下，酸性废水中Fe 平均去除率为99.57%，Mn 平均去除率为88.26%；5 次重复试验中Fe 去除率在99.50%±0.20%以内，Mn去除率在88.20%±0.30%以内，说明正交试验组合的最优方案试验结果重复性良好，结果稳定。

2.3 絮凝试验研究

絮凝试验是为了使酸性废水中通过中和—沉淀作用已形成的悬浮微小颗粒集聚变大，加快微细颗粒地聚沉，从而有利于固-液分离的进行。硫酸铝絮凝剂加入后搅拌3 min，然后静止60 min，浊度测量抽取静止上清液，测量结果见图2。

由图2 可见，随着絮凝剂用量的增大，溶液中悬浮的细小颗粒明显减少，浊度逐渐降低；当硫酸铝用量在40 mg/L 以上时，上清液的浊度趋于平稳；因此，絮凝剂硫酸铝最佳用量为40 mg/L。

3 结 论

（1）正交试验表明，预氧化时间对酸性废水中Fe去除率影响显著，pH 值调整剂用量对Fe 去除率有一定影响，沉淀剂用量对酸性废水中Mn 去除率影响显著，预氧化时间对Mn去除率有一定影响。在Fe的去除过程中，应使酸性废水中的Fe2+充分转化为Fe3+。

（2）经过正交试验方案优化，该工艺适宜的条件为预氧化时间3 min，pH 值调整剂用量2 g/L，沉淀剂用量150 mg/L；在最优条件下，酸性废水中Fe 去除率为99.57%，Mn去除率为88.26%，指标理想。