碳酸盐岩处理煤矿酸性废水的试验研究

在煤矿的开采过程中，破坏了煤层及围岩中的硫化矿物（主要是硫铁矿）原来的还原环境，使之与氧气和水接触，在微生物作用下发生一系列复杂的地球化学反应，生成了大量的酸[1]。强酸性水溶液进一步将煤层及围岩中的有毒有害金属离子溶滤出来，就形成了酸性煤矿废水，这方面的研究有大量的成果和文献资料[2-5]。有关资料显示，煤矿生产中每开采1t煤排放废水1～1.5m3，破坏水资源达2.5m3左右；煤矿废水pH一般很低，最低为2～3，具有很强的腐蚀性；SO42-的质量浓度一般为1000mg·L-1左右，最高可达4000mg·L-1，并含有Fe、Mn、Cd、Cr、Cu和As等多种有害污染物，其中以Fe、Mn含量最高，危害最大[6-8]。酸性矿山废水污染时间长，对环境和人类影响严重，加上废水水质、水量波动较大，处理困难[9]。因此矿山废水污染问题已经成为许多国家关注的焦点，国内外学者针对矿山废水的处理展开了大量的研究，形成了以中和法、硫化物沉淀法、微生物法和人工湿地法等为代表的众多方法，但这些方法都存在自身的一些缺点及适用条件的限制[8,10-11]。可渗透反应墙是目前在欧美等发达国家兴起的用于原位处理地下水的方法[12]。借助地下水污染治理的可渗透反应墙（PRB）技术思路，针对贵州大小煤矿多而分散、污水排放持久等典型特征，利用PRB技术对酸性矿山废水进行原位处理将会是一种方便、可行的治理措施。本研究以煤矿酸性废水为处理对象，利用贵州地区广泛分布的碳酸盐岩为PRB反应介质开展试验，以期为工程实践提供理论依据，具有一定的现实意义。1试验部分1.1装置试验装置由有机玻璃制成，呈长方体，分为前后2个单元（Ⅰ、Ⅱ）：Ⅰ单元尺寸为（1000mm×300mm×300mm，沿长度方向等间距的设置7个隔板；Ⅱ单元尺寸为（1000mm×200mm×200mm），沿长度方向等间距的设置10个隔板。为延长系统的停留时间，隔板之间上下交错排列，使水流动呈上下折流式进行。同时，下隔板高度沿水流方向依次降低，从而形成一定的水力坡度，使水流靠重力自动运行。装置剖面示意图如图1所示，A、B、C分别是监测位置。碳酸盐岩处理煤矿酸性废水的试验研究熊玲，张瑞雪，吴攀，杨绍章（贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳550003）摘要：以碳酸盐岩颗粒为反应介质，采用动态模拟试验来处理煤矿酸性废水。结果表明，pH平均由进水2.5左右上升到出水的7.0左右；出水Fe3+的质量浓度均低于0.5mg·L-1，Fe3+的去除率都达到99.5%以上；出水锰的质量浓度在6.5～8.5mg·L-1，去除率在40%～50%，部分高于50%，并有逐渐提高的趋势；对SO42-的去除效果较差。因此，碳酸盐岩颗粒作为可渗透反应墙介质去除酸性煤矿废水中的铁以及提高pH具有很好的效果。关键词：碳酸盐岩；酸性煤矿废水；反应介质；动态模拟；可渗透反应墙中图分类号：X752文献标识码：A文章编号：1000-3770(2010)08-0045-004收稿日期：2009-10-26基金项目：贵州省教育厅自然科学研究项目（黔教科（2008）006号）；贵州省科技计划项目（黔科合SY字[2009]3059）作者简介：熊玲（1983－），女，硕士研究生，研究方向为水资源、水环境；联系电话：13545087892；E-mail：xiongling303@163.com联系作者：吴攀，博士，教授；E-mail：pwu@gzu.edu.cn图1试验装置Fig.1Diagrammaticcross-sectionofexperimentalfacility第36卷第8期2010年8月水处理技术TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVol.36No.8Aug.,201045试验设置3组平行装置（分别为1#、2#、3#），反应介质采用大小粒径搭配填放的方式。在Ⅰ区各组装置均装填粒径为4～6cm的碳酸盐岩颗粒，以避免系统出现堵塞；在Ⅱ单元的3组装置中分别装填：1#（3～5mm）、2#（5～8mm）、3#（8～10mm），以对比不同粒径的碳酸盐岩颗粒对处理效果的影响。3组装置的前面均设有调节池，均衡进水的水质和流量，并起到一定的沉淀作用，Ⅱ单元前端进水处也设有沉淀区。1.2材料和试验用水碳酸盐岩颗粒采自三叠系大冶组（T1d），通常为灰色、灰白色，岩性较脆弱，易遭风化溶蚀，化学成分主要为CaO、MgO和CO2，X射线衍射（XRD）半定量分析结果显示其主要矿物组成及质量分数分别为：方解石92.32%，白云石6.27%，石英1.26%，蒙脱石0.15%。动态试验过程中用水量较大，因此试验用水模拟贵州典型煤矿酸性废水水质特征进行配置，pH为2.5±0.2，Fe3+、Mn2+和SO42-的质量浓度分别为200～250mg·L-1、13～15mg·L-