酸性矿井废水与其他废液协同处理的研究

2023-01-14赵鑫

山西冶金 2022年2期

赵鑫

（忻州市生态环境局东部区域监测技术保障中心，山西原平 034100）

煤炭和铜、镍、金等金属的开采与酸性排水相关，这可能对水体和整个生态系统产生不利影响[1]。此外，金属采矿部门产生的许多废水中含有大量有害成分，如砷、镉、氰化物、铅和汞，会给人类和动物带来生态影响和高度健康风险。这种废水属于酸性矿水，通常是由采矿暴露的硫化物矿物发生氧化反应形成的。然而，同样的反应可以在任何黄铁矿岩石和多金属硫化物暴露的地方发生。有许多硫化物矿物以类似黄铁矿的方式氧化，排出硫酸盐和各类金属（如Cd、Pb、Fe、As、Al、Cu）。酸性矿井废水对环境的污染程度取决于其pH 值和组成成分，与矿区的地质情况密切相关。例如，南非金矿和煤矿的Fe2+平均质量浓度就存在差异，分别为830 mg/L 和2 135 mg/L[2]。

在过去的几十年里，人们越来越关注使用生物工艺来处理含金属废水，因为这些工艺可以增加废水pH值，并降低其中金属浓度。目前，将更多精力集中在协同处理方案的研究上，通过操作单一流程来实现成本降低和能源支出，而不是对不同的废液运行不同处理流程。然而，协同处理的应用研究却很少。现已经证明影响共处理技术有效性的因素包括：混合比例、微生物元素的范围、反应器设计和混合水化学。虽然微生物群落及共处理动力学与该技术的关系也很密切，但相关研究相对较少。因此，有必要整理已发表的研究并对其进行比较，以确定在这个研究领域的进一步研究需求，从而提供一个未来视角，将推动酸性矿井废水协同处理作为进一步探索研究类型。

1 酸性矿井废水处理工艺现状

酸性矿井废水的处理包括：加入碱性试剂提高pH 值、沉淀溶解金属将其作为氢氧化物[3]两种。根据煤矸石中的酸性矿井废水作为化学混凝剂处理灰水的可行性分析，Rao 等[4]利用加拿大Mattabi 矿山有限公司收集的酸性矿井废水进行了研究，酸性矿井废水取代了应用广泛的FeCl3混凝剂来辅助磷酸盐沉淀，处理平均悬浮物（SS）质量浓度为45 mg/L 的废水。根据相同酸性矿井废水作为化学混凝剂处理细固体泥浆的可能性分析，Rao 等[4]用酸性矿井废水代替明矾混凝剂处理废水，将10 ml 的酸性矿井废水与100 mL 的浆液快速混合5 min，然后静置沉淀。在两个实验中，结果显示处理后水质浊度为40%～70%，没有其他明显的化学添加，金属的浓度下降了60%以上。酸性矿井废水引入了表面H+离子，抑制了混凝和阳离子吸附。更重要的是，浆液中的硅质矿物和黏土矿物对酸性矿井废水中的金属离子进行了有效的吸附，使该过程成为一种协同处理的补救策略。但是，需要注意的是，这两项研究都没有涉及硫酸盐还原的数据，硫酸盐是酸性矿井废水的持久性污染物之一。酸性矿井废水的有机物浓度较低，使得硫酸盐还原具有挑战性。若要成功地进行共处理，需要识别具有高浓度有机物和碱度的废水，当其与酸性矿井废水混合时，将会促进处理混合废水的生物和物理化学反应过程。

2 直接酸性矿井废水共处理工艺特点

对城市污水、酸性矿井废水和活性污泥的共处理工艺特点进行分析。城市污水的平均悬浮物吸附特性及其碱度是促进两种溪流修复的关键。活性污泥生物量加速了酸性矿井废水中金属的去除，提高了处理过程的有效性。由于城市污水中的金属浓度明显低于酸性矿井废水，城市污水污泥吸附位点的有效性使得金属吸附成为可能。同样，城市污水中大量的微粒促进了Fe 与氢氧根发生沉淀。Fe 和Al 的氢氧化物可以通过为细菌附着提供空位来降低城市污水中的营养物质。此外，酸性矿井废水中的Fe 可能是一种上市混凝剂的有效替代品。活性污泥的特性，即活性污泥对高负荷硫酸盐、酸性和金属的适应能力，提高了酸性矿井废水和城市污水的协同处理效率。Hughes 等[5]观察到随机添加酸性矿井废水几乎不会降低处理厂污泥生物量中的污泥自身氧化率。同时，在3 周内检测活化菌群的驯化，尽管细菌丰度显著降低，但在他们的实验研究中，废水pH 值从2.8 增加到6.2，表现出良好的性能。酸性矿井废水和城市污水的体积比为1∶1，活性污泥（混合液和平均悬浮物）的质量浓度约为2.5～4.0 g/L。此外，本研究证实了使用城市污水处理厂的活性污泥和合成酸性矿井废水的间歇式工艺可使Zn、Fe、Cu 和Al的金属去除率达到90%以上。

因此，利用污水污泥与酸性矿井废水共同处理城市污水似乎是一种可行的、创新的修复策略，具有一些实际优势，也会使与建造和运行酸性矿井废水处理系统相关的材料和能源成本显著降低。Hughes等[5]发现随着pH 值的增加，金属去除能力增强，磷酸盐去除能力增强，污泥沉降能力增强，这也将有助于化学品成本的节约和运营成本的降低。

3 间接酸性矿井废水处理工艺要素

在处理一些间接酸性矿井废水时，需要适当的有机底物为溶解氧脱落、硫酸盐还原以及细菌介导的金属去除提供电子供体。另一方面，传统的城市污水处理通常需要一个电子受体来氧化碳基质中的细菌，并通过过滤、混凝、絮凝来去除病原体的化学物质。此外，城市进水中包括一系列不同的有机化合物，如纤维素和糖。Strosnider 等[6]得出结论，通过被动共处理城市污水和酸性矿井废水，获得的水质碱度允许城市污水的有机物、营养物质与混凝剂、电子受体均质结合；并强调了酸性矿井废水在良好控制条件下的净化特性，可消耗更少的能量来改善水质。被动式共处理系统的操作条件必须在一种废水中的电子受体和另一种废水中的潜在电子供体之间达到平衡。

在酸性矿井废水与另一废液的协同处理过程中，监测金属毒性可维持硫酸盐还原微生物群的各种功能。在酸性矿井废水中含有的多种金属元素中，Fe 被证明是一种抑制剂，其会导致反应器中代谢活性的降低，这种抑制是由于铁硫化物的形成和Fe3+引起的电子供体竞争而发生的。Deng 等[7]报告了一种双阶段处理城市污水和酸性矿井废水的过程，他们首先将两种废物混合，然后进行磺化处理。这一过程成功地去除了金属离子，降低了化学需氧量，改善了碱度，并减少了废水中的硫酸盐。共同处理的一个好处是，城市污水可以作为酸性矿井废水的中和剂，实现净碱性值。此外，城市污水与酸性矿井废水的混合，在产生净碱性值后，也加速了金属的溶解去除。化学需氧量和硫酸盐比值很重要，因为它代表了硫酸盐还原菌和产甲烷菌的电子流量分数。虽然报告中强调了化学需氧量和硫酸盐的比例很重要，但很难从文献中确定一个适合共同处理的最佳比例，因为每一项研究报告所给出的结果均不同。这些差异可能是由于不同的碳源、硫酸盐浓度和其他环境因素引起的。

4 酸性矿井废水与废液共处理的优势

从理论上讲，酸性矿井废水与废液共处理的一个优势是，其组分通常处于倾斜平衡状态，例如，一个流出流是高酸性的，而另一个是高碱性的，当两者混合时产生中和。城市污水中高浓度的微粒通过氢氧根沉淀促进Fe 的消除，Fe 和Al 的氢氧化物可以通过吸附来增强城市污水中的浊度，并能将平均悬浮物去除，并降低化学需氧量。在一些城市污水处理厂中，通过添加Fe 或Al 盐来去除磷酸盐，这些盐自然存在于酸性矿井废水中。使用酸性矿井废水污泥作为混凝剂与在城市污水处理厂中使用的传统混凝剂的有效程度一样。影响金属去除的最重要因素是工艺参数，包括沉降时间、平均悬浮物去除、溶解氧浓度和水力保留时间等；还有物理和化学因素，包括pH 值、溶解度、颗粒大小、金属浓度和温度等。