白鎢選礦尾水懸浮物人工濕地基質(zhì)沉降模擬研究

楊楚思，陽雨平，王振宇

（中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

白鎢選礦尾水懸浮物人工濕地基質(zhì)沉降模擬研究

楊楚思，陽雨平，王振宇

（中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

人工濕地在運(yùn)用過程中表現(xiàn)出對(duì)懸浮物良好的去除作用，但其去除機(jī)理和規(guī)律的研究卻不夠透徹。為了探究白鎢選礦尾水懸浮物的去除效果及固體顆粒在人工濕地基質(zhì)中的沉降規(guī)律，選擇花崗巖或石英，構(gòu)建水平潛流人工濕地系統(tǒng)，考察水力坡度對(duì)懸浮物去除效果的影響，分析沉積顆粒粒徑。結(jié)果表明：人工濕地對(duì)懸浮物有良好的去除效果；6～12 mm的花崗巖作填料，水力坡度為0.25%時(shí)，去除效率在60%以上，出水中懸浮物的含量在40 mg/L左右；預(yù)處理的絮凝過程將無法沉降的2 μm以下的顆粒物從63%降至20%以下，顆粒中值粒徑由1.64 μm擴(kuò)大至3.97 μm；沉積物粒徑分布在3.5～23.6 μm間，沉降距離可依據(jù)Stokes定律推算。

白鎢選礦尾水；懸浮物；人工濕地填料；絮凝作用；沉降規(guī)律

0 引言

有色金屬礦產(chǎn)資源是我國重要的自然資源，開發(fā)和利用過程中都會(huì)產(chǎn)生大量的廢水；其中，選礦廠外排的尾水每年約2億t，占有色金屬工業(yè)廢水總量的30%左右[1]。隨著我國礦產(chǎn)資源不斷的開發(fā)利用以及選礦新工藝和新藥劑的發(fā)展，難選礦物的開采率不斷提高，礦物研磨粒度愈來愈細(xì)；相比生活污水、采油廢水等其他水體，選礦尾水中懸浮顆粒物含量更多、粒徑更小[2-3]。

20世紀(jì)70年代以前，國際上側(cè)重從水相和生物相方面對(duì)水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]，隨著對(duì)河流懸浮物和底泥污染物問題研究的深入，人們逐步認(rèn)識(shí)到懸浮物和底泥在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的重要性。河流、湖泊以及近海岸等天然水體中懸浮物的研究逐漸深入，包括遷移、沉積以及再懸浮規(guī)律。以傳統(tǒng)的沉淀和過濾兩種懸浮物分離技術(shù)為基礎(chǔ)，一系列的沉降規(guī)律和理論被提出。張志忠[5]對(duì)長江口泥沙采樣進(jìn)行試驗(yàn)分析，以32 μm為界限將固體顆粒分為粗顆粒泥沙和細(xì)顆粒泥沙，粗顆粒泥沙以單顆粒形式自由沉淀，細(xì)顆粒泥沙間因絮凝作用而發(fā)生絮凝沉淀。黃建維[6]通過研究顆粒物濃度與沉降速度間的相關(guān)性得出，隨著懸浮物濃度的增加，沉降速度先升高后降低。Stokes公式、過渡區(qū)起始段個(gè)別公式、阿連公式、過渡區(qū)末端個(gè)別公式、牛頓公式等被用于描述顆粒物在不同流態(tài)中的沉降速度[7-11]。

人工濕地作為新發(fā)展起來的污水處理技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水，在有色金屬礦山被用于處理酸性廢水中的重金屬和硫化物具有出水穩(wěn)定、水質(zhì)良好、成本較低的優(yōu)點(diǎn)[12-17]?，F(xiàn)有人工濕地設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)大多依據(jù)氮、磷和有機(jī)物的去除，而對(duì)懸浮物去除機(jī)理和規(guī)律的研究不夠深入。采用礫石蘆葦床對(duì)英格蘭南部Devize鎮(zhèn)的Monument垃圾填埋場(chǎng)滲濾液進(jìn)行處理，懸浮物的去除率可達(dá)83%[18]，而H.Brix[19-20]在丹麥Mossgard和Hjordhaker的試驗(yàn)，生活污水中懸浮物去除率僅38%和13%。

本試驗(yàn)依托湖南瑤崗仙裕新多金屬礦床技術(shù)改造工程（位于東江湖準(zhǔn)保護(hù)區(qū)），其白鎢選礦尾水中懸浮物濃度達(dá)6 400～8 540 mg/L，粒徑主要分布在1～3 μm間。前期的石灰絮凝試驗(yàn)證明：絮凝沉淀作用將懸浮物的濃度降至100 mg/L左右，達(dá)到了GB8978-1996一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但仍對(duì)東江湖造成一定威脅。本次研究擬通過構(gòu)建人工濕地物理模型，獲取沿程方向上懸浮物濃度變化數(shù)據(jù)，分析固體顆粒沉降規(guī)律，進(jìn)而評(píng)價(jià)填料的去除效果。

1 材料和方法

1.1 白鎢選礦尾水中懸浮物特性

水體中粒徑小于2 μm的懸浮物無法通過重力沉降作用去除[21]。白鎢尾水中的懸浮物2 μm以下的占63%，大多數(shù)顆粒在1～3 μm之間，平均粒徑為1.64 μm，與海洋、河流、城市污水等水體中的懸浮顆粒相比，粒徑相差30至80倍（見表1）；其主要成分為選礦過程中殘留的各種脈石及金屬微細(xì)礦泥，包括石英、長石、螢石、方解石、白云石、電氣石等[22]，均為無機(jī)顆粒，難以通過化學(xué)或生物作用去除；由于粒徑太小，自然狀態(tài)下長時(shí)間無法沉降。

表1 不同水體中懸浮物粒徑分布[23-26]μmTab.1 Size of suspended particles in different kinds of water body

1.2 試驗(yàn)裝置

1.2.1 模型框架

用有機(jī)玻璃構(gòu)建200 cm×15 cm×20 cm的物理模型，考慮因素：（1）模型的長度滿足懸浮顆粒所需的沉降距離（根據(jù)尾礦粒度推測(cè)的懸浮物粒徑較測(cè)量值小，因此計(jì)算得到的沉降距離比實(shí)際所需值?。?；（2）兩側(cè)和底部邊壁對(duì)水流狀態(tài)的影響能忽略不計(jì)；（3）單次試驗(yàn)所需尾水量在30 L左右。

1.2.2 人工濕地填料

人工濕地填料為花崗巖和石英，兩者均在當(dāng)?shù)匾椎?，且石英常用于污水過濾；粒徑初步取值為10 mm左右，人工濕地填料的粒徑在5～50 mm不等[27-31]，白鎢選礦尾水中懸浮物粒徑僅幾微米，粒徑需小于常規(guī)取值才能達(dá)到較好的去除效果。

填料來源：從黑鎢重選廠破碎工段取得粒徑在12 mm以下的花崗巖和石英混合料，用孔徑為6 mm的篩子篩分，留篩上部分；人工將花崗巖和石英分揀、清洗，相關(guān)物理參數(shù)測(cè)量值見表2。

表2 人工濕地填料的空隙率和級(jí)配Tab.2 Porosity and gradation for artificial wetland filler

1.2.3 模型結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)裝置如圖2所示，大致分為布水、填料和集水三個(gè)區(qū)。其中布水區(qū)和集水區(qū)為粒徑30～50 mm的花崗巖，填料區(qū)為粒徑6～12 mm的花崗巖或石英，填料區(qū)沿程方向設(shè)置懸浮物濃度采樣管，分別距離進(jìn)水口10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110cm、130cm、150cm，共10根。

圖1 人工濕地小型試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Asmall-scaledexperimentalmodelfortheartificialwetland

1.2.4 水力坡度

試驗(yàn)過程中的水力坡度為0.25%。主要考慮因素有：（1）自然的流動(dòng)狀態(tài)下，通過觀察，進(jìn)、出水口液面高差2～3 mm，水力坡度約為0.15%，試驗(yàn)控制值大于此基準(zhǔn)；（2）根據(jù)不同水力坡度下（0.25%、0.5%、1.0%、1.5%）滲透速度測(cè)定結(jié)果（見圖2），當(dāng)水力坡度為0.25%時(shí)，滲透速度為1.2 mm/s，計(jì)算得到滲流雷諾數(shù)約為9.3，填料中的水流可視為層流；（3）水洞尾礦庫下游空地呈扇形，長300 m左右，寬60～300 m，尾水流動(dòng)速度1.2 mm/s時(shí)，能滿足處理量4 189 m3/d的要求。

圖2 水流在不同填料中的滲透速度Fig.2 Water permeation velocity in different fillers

1.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)主要分5個(gè)步驟如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)步驟Fig.3 Experiment process

尾水處理：浮選尾水取自白鎢試驗(yàn)選廠，經(jīng)添加2.0 g/L石灰，絮凝沉淀4 h后取上清液；

靜置添加：往模型中添加尾水至進(jìn)水口液面到指定高度，此過程水力坡度為0.15%；

控制添加：控制進(jìn)出、水口的液面高度差為5mm，繼續(xù)加水，此過程水力坡度為0.25%；

水樣采?。何菜鲃?dòng)穩(wěn)定后，利用采樣管取得模型不同位置的水樣，測(cè)量懸浮物濃度（測(cè)量方法參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》第四版中103～105℃烘干的可濾殘?jiān)?/p>

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 絮凝對(duì)細(xì)顆粒懸浮物沉降的影響

2.1.1 石灰絮凝預(yù)處理

白鎢選礦尾水中懸浮物高達(dá)8 540 mg/L，直接排入會(huì)造成人工濕地負(fù)荷過大，壽命縮短，需通過預(yù)處理降低濃度。通過石灰燒杯絮凝試驗(yàn)確定了石灰添加量為1.5～2.0 g/L時(shí)，沉淀后懸浮物濃度降至100 mg/L左右，能滿足進(jìn)水要求。因此，試驗(yàn)前添加2.0 g/L石灰，沉淀4 h對(duì)尾水進(jìn)行預(yù)處理。

2.1.2 絮凝前后懸浮顆粒粒徑對(duì)比

圖4 絮凝前后尾水中懸浮物粒徑分布Fig.4 Size of suspended particles in tailwater before and after flocculation

絮凝沉淀后，上清液中懸浮物的粒徑明顯增大，見圖4。主要分布范圍由0.5～5.0 μm擴(kuò)大到1.0～ 10.0 μm，中值粒徑從1.64 μm上升至3.97 μm；在絮凝過程中，細(xì)小的顆粒物聚集在一起形成了絮體，且絮體穩(wěn)定不易分散。

2.1.3 絮凝對(duì)細(xì)顆粒懸浮物沉降的關(guān)鍵作用

絮凝作用通過增大懸浮顆粒粒徑改變了其沉降性質(zhì)。2 μm以下的懸浮物中無法沉降，只能通過擴(kuò)散作用遷移。石灰絮凝作用將尾水中顆粒物粒徑擴(kuò)大；絮凝前，2 μm以下的懸浮顆粒占63%；絮凝沉淀后，2 μm以下的懸浮顆粒占20%。顆粒物的運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生改變，原來無法沉降的顆粒物通過重力作用累積在人工濕地中。顆粒粒徑的增大，將沉降距離縮短了5倍（見表3）。

作為當(dāng)代的小學(xué)數(shù)學(xué)教師需要具備一定的創(chuàng)新能力，在實(shí)際的教學(xué)中需要保留傳統(tǒng)教學(xué)中的一些優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)在的學(xué)生的認(rèn)知水平將一些先進(jìn)的教學(xué)思想有效地融合到自己的課堂中。通過全新的信息技術(shù)手段不斷地對(duì)自己的教學(xué)形式進(jìn)行創(chuàng)新，通過教學(xué)模式的創(chuàng)新，促使學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)中得到全面發(fā)展。比如說在學(xué)習(xí)人教版五年級(jí)數(shù)學(xué)下冊(cè)有關(guān)長方體和正方體的知識(shí)時(shí)，因?yàn)樾W(xué)生的年齡特點(diǎn)，他們的抽象思維能力和空間能力還相對(duì)較弱，那么這時(shí)候我們就可以融入信息技術(shù)手段，通過直觀的方式展示這些立體圖形，方便學(xué)生進(jìn)行理解和學(xué)習(xí)。讓學(xué)生的學(xué)習(xí)效率得到大大的提升。

表3 絮凝前后顆粒物在花崗巖填料中的理論沉降距離Tab.3 Theoretical sedimentation distance of particles in granitefilling material before and after flocculation

2.2 懸浮物去除效果及粒徑分布

2.2.1 懸浮物去除效果

人工濕地技術(shù)是處理懸浮物的可行方法，花崗巖是良好的填料?；◢弾r在各種情況下對(duì)懸浮物的去除率均能達(dá)到60%以上，黏附在填料上的懸浮顆粒較少，大多累積在底部?？刂扑ζ露葹?.25%，比較石英和花崗巖填料對(duì)懸浮物的去除率，結(jié)果如表4所示。

表4 不同條件下人工濕地模型對(duì)懸浮物的去除效果Tab.4 Effects of artificial wetland model on the removal of suspended solids under different conditions

2.2.2 沿程方向懸浮物濃度

測(cè)量10個(gè)位置及進(jìn)、出水口所取水樣懸浮物濃度，其值隨沿程方向下降，下降速度隨距離的增長變緩，結(jié)果如圖5所示。

采用Origin對(duì)圖5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，懸浮物濃度沿程方向的變化較符合對(duì)數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.83～0.92，關(guān)系通式如式（1）所示。

式中：Y為懸浮物含量，mg/L；x為取樣點(diǎn)距入水口距離，cm；a、b、c為常數(shù)項(xiàng)。

圖5 不同條件下填料對(duì)懸浮物的去除效果Fag.5 Effect of fillers on the removal of suspended solids under different conditions

圖6 不同位置沉積物粒徑Fig.6 Particle size of sediments in different positions

2.2.3 沉積顆粒物粒徑分布

距離進(jìn)水口越遠(yuǎn)，沉積顆粒粒徑越??；3.5～5 μm的沉積顆粒較少，絮凝后，尾水中5 μm以下的顆粒物占70%，而沉積顆粒只有30%左右，大部分依舊殘留在水中。距離進(jìn)水口20cm、50cm、90cm、150cm處沉積顆粒粒徑分布如圖6所示。沉積顆粒粒徑主要分布在3.5～23.6 μm之間；第一個(gè)取樣點(diǎn)最大值為61.28 μm，其余各處均為41.84 μm；四處均出現(xiàn)兩個(gè)峰值，第一個(gè)峰值為5 μm左右，第二個(gè)峰值依次約為20 μm、16 μm、12 μm、10 μm。

2.3 基于Stokes公式的懸浮物沉降規(guī)律分析

對(duì)于過濾水體中粒徑為2～10 μm的顆粒物，重力沉降起到重要的作用[19]，濕地填料對(duì)于懸浮物的作用相當(dāng)于濾床，因此，認(rèn)為重力沉淀作用是懸浮物在人工濕地填料內(nèi)的最主要遷移方式。

2.3.1 基于St okes公式的懸浮顆粒沉降距離計(jì)算利用Stokes公式描述顆粒的沉降時(shí)間，計(jì)算公式如式（2）所示。

在沿程方向上，顆粒隨流體勻速運(yùn)動(dòng)，則顆粒沉降到底部時(shí)，離入水口的距離計(jì)算公式如式（3）所示。

式中：ρ為流體密度，kg/m3，取1 000 kg/m3；ρs為懸浮顆粒密度，kg/m3，取1 400 kg/m3（尾礦干密度）；μf為流體的動(dòng)力黏度，Pa·s，0.895×10-3Pa·s（25℃時(shí)，常壓下水的動(dòng)力黏度）；ds為懸浮顆粒直徑，m；H為進(jìn)水口水面高度，m；v為滲透速度，m/s。

2.3.2 自然滲透狀態(tài)下懸浮物沉降規(guī)律分析

靜置加水的過程中，只有表層1 cm高左右的水體處于流動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)Stokes公式（顆粒下沉至靜止水體后的流動(dòng)距離可忽略），花崗巖填料模型中（H=0.01 m、v=1.0 mm/s），粒徑為3.2 μm的顆粒物沉降距離為2 m，與沉積顆粒分布范圍的下限3.5 μm一致。根據(jù)粒徑分布推算3.5 μm的懸浮物含量為22%，進(jìn)而得到懸浮物的去除率為78%，與試驗(yàn)測(cè)定值82%相差不大（見表5）。

表5 沉積顆粒粒徑與懸浮物去除率Tab.5 Sediment particle size and suspended particle removal rate

2.3.3 人工控制水力坡度下懸浮物沉降規(guī)律分析

花崗巖填料，水力坡度為0.25%的模型中（H= 0.11 m、v=1.2 mm/s），沉積顆粒粒徑分布范圍理論計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)定值如表6所示。根據(jù)四處沉積物粒徑分布圖得到沉積顆粒粒徑在16.11～61.28 μm間，與理論計(jì)算值相差不大。與自然滲流狀態(tài)下相比，沉積顆粒粒徑增大，沉降距離增加，四處取樣點(diǎn)的峰值粒徑依次為20 μm、16 μm、12 μm、10 μm，逐漸減小。模型中靠后位置測(cè)得的大顆粒沉積物來自此過程。

表6 沉積顆粒粒徑分布范圍Tab.6 Range of sediment particle size

利用公式（1）和公式（3）得到懸浮物濃度和沉降顆粒粒徑隨人工濕地長度的變化曲線，如圖7所示。兩者變化規(guī)律相似，開始下降較快，隨后越來越緩慢。粒徑越小的顆粒物，越難沉淀，2 μm的顆粒物沉降距離需要70 m；懸浮物濃度下降到17 mg/L后趨于穩(wěn)定。

圖7 沉降顆粒粒徑和懸浮物濃度隨人工濕地長度的變化Fag.7 Variation of sedimentation particle size and suspended solid concentration with the length of artificial wetland

此次試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L度較短導(dǎo)致10 μm以下的顆粒難以沉降，后期可以調(diào)整模型長度、降低滲透速度，使得粒徑小的懸浮顆粒能完成沉降過程，沉積物的分布規(guī)律更加明顯。

3 結(jié)論

（1）以10 mm左右的花崗巖作填料，水力坡度為0.25%時(shí)，懸浮物去除率能達(dá)到60%以上，人工濕地對(duì)白鎢選礦尾水中懸浮物有良好的去除效果。

（2）自然滲透狀態(tài)下，粒徑3.2 μm以上的顆粒物在2 m內(nèi)沉降；人工控制水力坡度為0.25%的狀態(tài)下，可沉降顆粒最小粒徑為13 μm，增加了3倍；沉降距離可通過Stokes定律計(jì)算。

（3）絮凝作用將尾水中2 μm以上的顆粒含量由37%擴(kuò)大至80%以上，中值粒徑由1.64 μm上升至3.97 μm，改變了懸浮物沉降性質(zhì)，沉降距離縮短5倍。

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Experimental Study on the Suspended Solid Settlement Pattern of Scheelite Dressing Tailrace in Wetland Filler

YANG Chusi,YANG Yuping,WANG Zhenyu

(School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China)

The constructed wetland shows a good effect on the removal of suspended solids,but the research on its mechanism and regular pattern is not adequate.This paper studies the removal rate and settlement regularity of suspended solids in scheelite dressing tailrace in the horizontal subsurface flow wetland columns by applying a range of granite or quartz.The wetlands were operated under a hydraulic gradient of 0.25%.Granite media,diameter of 6～12 mm,was highly effective.The removal of suspended solids was more than 60%.The concentration of suspended solids in purified water was around 40 mg/L.As a pretreatment process,flocculation reduced particles that diameter below 2 μm from 64%to 20%.Particle median diameter expended from 1.64 μm to 3.97 μm.The grain size of sediment was mainly in 3.5～23.6 μm.Settlement distance can be estimated based on Stokes rule.

scheelite dressing tailrace;suspended solid;wetland filler;flocculation;settlement pattern

TD926.5；X753

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2016.06.015

2016-10-24

楊楚思（1992-），女，湖南湘潭人，碩士研究生，研究方向：白鎢選礦尾水處理。

陽雨平（1963-），男，湖南郴州人，副教授，主要從事采礦方法研究工作。