酸性礦井廢水與其他廢液協(xié)同處理的研究

趙 鑫

（忻州市生態(tài)環(huán)境局東部區(qū)域監(jiān)測(cè)技術(shù)保障中心，山西 原平 034100）

煤炭和銅、鎳、金等金屬的開(kāi)采與酸性排水相關(guān)，這可能對(duì)水體和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響[1]。此外，金屬采礦部門(mén)產(chǎn)生的許多廢水中含有大量有害成分，如砷、鎘、氰化物、鉛和汞，會(huì)給人類(lèi)和動(dòng)物帶來(lái)生態(tài)影響和高度健康風(fēng)險(xiǎn)。這種廢水屬于酸性礦水，通常是由采礦暴露的硫化物礦物發(fā)生氧化反應(yīng)形成的。然而，同樣的反應(yīng)可以在任何黃鐵礦巖石和多金屬硫化物暴露的地方發(fā)生。有許多硫化物礦物以類(lèi)似黃鐵礦的方式氧化，排出硫酸鹽和各類(lèi)金屬（如Cd、Pb、Fe、As、Al、Cu）。酸性礦井廢水對(duì)環(huán)境的污染程度取決于其pH 值和組成成分，與礦區(qū)的地質(zhì)情況密切相關(guān)。例如，南非金礦和煤礦的Fe2+平均質(zhì)量濃度就存在差異，分別為830 mg/L 和2 135 mg/L[2]。

在過(guò)去的幾十年里，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注使用生物工藝來(lái)處理含金屬?gòu)U水，因?yàn)檫@些工藝可以增加廢水pH值，并降低其中金屬濃度。目前，將更多精力集中在協(xié)同處理方案的研究上，通過(guò)操作單一流程來(lái)實(shí)現(xiàn)成本降低和能源支出，而不是對(duì)不同的廢液運(yùn)行不同處理流程。然而，協(xié)同處理的應(yīng)用研究卻很少?，F(xiàn)已經(jīng)證明影響共處理技術(shù)有效性的因素包括：混合比例、微生物元素的范圍、反應(yīng)器設(shè)計(jì)和混合水化學(xué)。雖然微生物群落及共處理動(dòng)力學(xué)與該技術(shù)的關(guān)系也很密切，但相關(guān)研究相對(duì)較少。因此，有必要整理已發(fā)表的研究并對(duì)其進(jìn)行比較，以確定在這個(gè)研究領(lǐng)域的進(jìn)一步研究需求，從而提供一個(gè)未來(lái)視角，將推動(dòng)酸性礦井廢水協(xié)同處理作為進(jìn)一步探索研究類(lèi)型。

1 酸性礦井廢水處理工藝現(xiàn)狀

酸性礦井廢水的處理包括：加入堿性試劑提高pH 值、沉淀溶解金屬將其作為氫氧化物[3]兩種。根據(jù)煤矸石中的酸性礦井廢水作為化學(xué)混凝劑處理灰水的可行性分析，Rao 等[4]利用加拿大Mattabi 礦山有限公司收集的酸性礦井廢水進(jìn)行了研究，酸性礦井廢水取代了應(yīng)用廣泛的FeCl3混凝劑來(lái)輔助磷酸鹽沉淀，處理平均懸浮物（SS）質(zhì)量濃度為45 mg/L 的廢水。根據(jù)相同酸性礦井廢水作為化學(xué)混凝劑處理細(xì)固體泥漿的可能性分析，Rao 等[4]用酸性礦井廢水代替明礬混凝劑處理廢水，將10 ml 的酸性礦井廢水與100 mL 的漿液快速混合5 min，然后靜置沉淀。在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果顯示處理后水質(zhì)濁度為40%～70%，沒(méi)有其他明顯的化學(xué)添加，金屬的濃度下降了60%以上。酸性礦井廢水引入了表面H+離子，抑制了混凝和陽(yáng)離子吸附。更重要的是，漿液中的硅質(zhì)礦物和黏土礦物對(duì)酸性礦井廢水中的金屬離子進(jìn)行了有效的吸附，使該過(guò)程成為一種協(xié)同處理的補(bǔ)救策略。但是，需要注意的是，這兩項(xiàng)研究都沒(méi)有涉及硫酸鹽還原的數(shù)據(jù)，硫酸鹽是酸性礦井廢水的持久性污染物之一。酸性礦井廢水的有機(jī)物濃度較低，使得硫酸鹽還原具有挑戰(zhàn)性。若要成功地進(jìn)行共處理，需要識(shí)別具有高濃度有機(jī)物和堿度的廢水，當(dāng)其與酸性礦井廢水混合時(shí)，將會(huì)促進(jìn)處理混合廢水的生物和物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

2 直接酸性礦井廢水共處理工藝特點(diǎn)

對(duì)城市污水、酸性礦井廢水和活性污泥的共處理工藝特點(diǎn)進(jìn)行分析。城市污水的平均懸浮物吸附特性及其堿度是促進(jìn)兩種溪流修復(fù)的關(guān)鍵?；钚晕勰嗌锪考铀倭怂嵝缘V井廢水中金屬的去除，提高了處理過(guò)程的有效性。由于城市污水中的金屬濃度明顯低于酸性礦井廢水，城市污水污泥吸附位點(diǎn)的有效性使得金屬吸附成為可能。同樣，城市污水中大量的微粒促進(jìn)了Fe 與氫氧根發(fā)生沉淀。Fe 和Al 的氫氧化物可以通過(guò)為細(xì)菌附著提供空位來(lái)降低城市污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。此外，酸性礦井廢水中的Fe 可能是一種上市混凝劑的有效替代品?；钚晕勰嗟奶匦?，即活性污泥對(duì)高負(fù)荷硫酸鹽、酸性和金屬的適應(yīng)能力，提高了酸性礦井廢水和城市污水的協(xié)同處理效率。Hughes 等[5]觀察到隨機(jī)添加酸性礦井廢水幾乎不會(huì)降低處理廠污泥生物量中的污泥自身氧化率。同時(shí)，在3 周內(nèi)檢測(cè)活化菌群的馴化，盡管細(xì)菌豐度顯著降低，但在他們的實(shí)驗(yàn)研究中，廢水pH 值從2.8 增加到6.2，表現(xiàn)出良好的性能。酸性礦井廢水和城市污水的體積比為1∶1，活性污泥（混合液和平均懸浮物）的質(zhì)量濃度約為2.5～4.0 g/L。此外，本研究證實(shí)了使用城市污水處理廠的活性污泥和合成酸性礦井廢水的間歇式工藝可使Zn、Fe、Cu 和Al的金屬去除率達(dá)到90%以上。

因此，利用污水污泥與酸性礦井廢水共同處理城市污水似乎是一種可行的、創(chuàng)新的修復(fù)策略，具有一些實(shí)際優(yōu)勢(shì)，也會(huì)使與建造和運(yùn)行酸性礦井廢水處理系統(tǒng)相關(guān)的材料和能源成本顯著降低。Hughes等[5]發(fā)現(xiàn)隨著pH 值的增加，金屬去除能力增強(qiáng)，磷酸鹽去除能力增強(qiáng)，污泥沉降能力增強(qiáng)，這也將有助于化學(xué)品成本的節(jié)約和運(yùn)營(yíng)成本的降低。

3 間接酸性礦井廢水處理工藝要素

在處理一些間接酸性礦井廢水時(shí)，需要適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)底物為溶解氧脫落、硫酸鹽還原以及細(xì)菌介導(dǎo)的金屬去除提供電子供體。另一方面，傳統(tǒng)的城市污水處理通常需要一個(gè)電子受體來(lái)氧化碳基質(zhì)中的細(xì)菌，并通過(guò)過(guò)濾、混凝、絮凝來(lái)去除病原體的化學(xué)物質(zhì)。此外，城市進(jìn)水中包括一系列不同的有機(jī)化合物，如纖維素和糖。Strosnider 等[6]得出結(jié)論，通過(guò)被動(dòng)共處理城市污水和酸性礦井廢水，獲得的水質(zhì)堿度允許城市污水的有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與混凝劑、電子受體均質(zhì)結(jié)合；并強(qiáng)調(diào)了酸性礦井廢水在良好控制條件下的凈化特性，可消耗更少的能量來(lái)改善水質(zhì)。被動(dòng)式共處理系統(tǒng)的操作條件必須在一種廢水中的電子受體和另一種廢水中的潛在電子供體之間達(dá)到平衡。

在酸性礦井廢水與另一廢液的協(xié)同處理過(guò)程中，監(jiān)測(cè)金屬毒性可維持硫酸鹽還原微生物群的各種功能。在酸性礦井廢水中含有的多種金屬元素中，F(xiàn)e 被證明是一種抑制劑，其會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器中代謝活性的降低，這種抑制是由于鐵硫化物的形成和Fe3+引起的電子供體競(jìng)爭(zhēng)而發(fā)生的。Deng 等[7]報(bào)告了一種雙階段處理城市污水和酸性礦井廢水的過(guò)程，他們首先將兩種廢物混合，然后進(jìn)行磺化處理。這一過(guò)程成功地去除了金屬離子，降低了化學(xué)需氧量，改善了堿度，并減少了廢水中的硫酸鹽。共同處理的一個(gè)好處是，城市污水可以作為酸性礦井廢水的中和劑，實(shí)現(xiàn)凈堿性值。此外，城市污水與酸性礦井廢水的混合，在產(chǎn)生凈堿性值后，也加速了金屬的溶解去除?；瘜W(xué)需氧量和硫酸鹽比值很重要，因?yàn)樗砹肆蛩猁}還原菌和產(chǎn)甲烷菌的電子流量分?jǐn)?shù)。雖然報(bào)告中強(qiáng)調(diào)了化學(xué)需氧量和硫酸鹽的比例很重要，但很難從文獻(xiàn)中確定一個(gè)適合共同處理的最佳比例，因?yàn)槊恳豁?xiàng)研究報(bào)告所給出的結(jié)果均不同。這些差異可能是由于不同的碳源、硫酸鹽濃度和其他環(huán)境因素引起的。

4 酸性礦井廢水與廢液共處理的優(yōu)勢(shì)

從理論上講，酸性礦井廢水與廢液共處理的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，其組分通常處于傾斜平衡狀態(tài)，例如，一個(gè)流出流是高酸性的，而另一個(gè)是高堿性的，當(dāng)兩者混合時(shí)產(chǎn)生中和。城市污水中高濃度的微粒通過(guò)氫氧根沉淀促進(jìn)Fe 的消除，F(xiàn)e 和Al 的氫氧化物可以通過(guò)吸附來(lái)增強(qiáng)城市污水中的濁度，并能將平均懸浮物去除，并降低化學(xué)需氧量。在一些城市污水處理廠中，通過(guò)添加Fe 或Al 鹽來(lái)去除磷酸鹽，這些鹽自然存在于酸性礦井廢水中。使用酸性礦井廢水污泥作為混凝劑與在城市污水處理廠中使用的傳統(tǒng)混凝劑的有效程度一樣。影響金屬去除的最重要因素是工藝參數(shù)，包括沉降時(shí)間、平均懸浮物去除、溶解氧濃度和水力保留時(shí)間等；還有物理和化學(xué)因素，包括pH 值、溶解度、顆粒大小、金屬濃度和溫度等。

5 結(jié)論

酸性礦井廢水處理系統(tǒng)的基本目標(biāo)是進(jìn)行酸性中和及降低硫酸鹽和金屬的濃度。在直接或間接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，必須適當(dāng)考慮基本參數(shù)，如進(jìn)入流的酸度和金屬濃度。在設(shè)計(jì)共處理系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的成功還取決于其他廢液的參數(shù)，尤其是其堿度。堿度和減少其他廢液影響的能力是廢水共處理過(guò)程成功的關(guān)鍵因素。