高含铁酸性废水的无动力处理技术研究

高含铁酸性废水的无动力处理技术研究

朱先亮1 , ,杨先毅2, ,郭珮璇2 ,赵莉娟2 ,金明明2

（1.重庆地质矿产研究院；2.重庆华地资环科技有限公司）

摘要：针对西南地区关闭煤矿排出的强酸性、高铁含量的矿井涌水，直接排放对地表水环境影响大。为减轻废弃矿井外排矿硐水对环境的影响，通过多次实验研究研发了一种新型的高含铁酸性废水的无动力处理技术。

关键词：煤矿废水、铁离子、强酸性、无动力

党的十八大将生态文明建设作为“五位一体”总体布局的一个重要部分，各地加大了生态环境保护力度、制定了生态保护红线。随着生态环境保护的加强及生态红线的划定，各地关闭了一大批小煤窑、硫铁矿等，但随着矿山的关闭，又随即产生了一系列环境问题，如废弃场地的生态修复、废弃矿洞的废水排放等问题。在西南地区山区，一些煤矿关闭后的废弃矿硐仍有大量废水外排，由于失去管理单位，导致这些废水自流至附近地表水体中，受地质条件影响，这些废水中pH值低、含有较高的铁锰离子等，直接进入地表水环境造成了较严重污染，水环境不断恶化。

本次针对西南地区关闭煤窑废弃矿硐自流排放的高含铁酸性废水进行了研究，研究该废水的无能耗处理技术。

1、废水的成因及特点

1.1高铁酸性废水成因

西南地区的煤炭主要存在于二叠纪地层中，二叠纪中含煤地层主要有栖霞组、梁山组、须家河组等地层，主要由砂岩、泥岩、灰岩及煤层等组成。由于西南地区地形起伏变化大，褶皱、裂隙发达，地层分布不均、厚度变化大，往往含煤地层上、下层夹杂有硫铁矿层分布。

煤矿的开采产生的导水裂隙、塌陷等破坏了地层结构，改变了原有地下水平衡系统，加速了地下水流动性，地下水浸入硫铁矿层，矿层中的FeS等物质缓慢溶入到地下水中，地下水通过导水裂隙、煤层顶板及底板渗透等进入煤矿采空区中，形成矿井涌水。地下水中溶解的FeS在溶解氧的作用下，发生化学氧化和生物氧化反应，具体过程如下：

2FeS2+7O2+2H2O=4H++2Fe2++4SO42-

FeS2在在水中被氧化成FeSO4、H2SO4。FeSO4很不稳定，当地下水中溶氧量丰富的情况下，在酸性水中Fe2+会进一步被氧化，具体过程如下：

4Fe2++O2+4H+=4Fe3++H2O

当煤矿采空区内蓄积的地下水通过矿硐、裂隙等流出至地表，因水中含量大量的Fe3+、H+，流出的地下水呈现pH值低、黄褐色。

1.2高含铁酸性废水的理化特性

通过对西南地区某县多个关闭煤矿流出的矿井水水质监测、理化性试验研究发现，这类废水普遍具有以下特性：

（1）具有较强酸性，pH值一般在3以下。

（2）从矿硐或裂隙排至地面的水中含有较高的Fe离子，颜色多呈浅绿色，因矿硐中地下水溶氧量比较低，以低价Fe2+离子为主，部分矿井废水中Fe含量100mg/l以上。同时该废水中还检出较高的锰、锌等离子。

（3）自然净化难度较大，在酸性条件，铁、锰离子一般氧化时间大概需要6~8小时（甚至更长时间，还取决于酸度、溶解氧量、温度等条件）才能形成高价的沉淀物；在碱性条件下氧化时间大概需要2~3h左右才形成沉淀物。

（4）废水中污染物浓度受降雨影响明显，在雨季废水中酸性强、铁离子浓度较高，在枯水期酸性弱、铁锰离子浓度相对较低。

2、高含铁酸性废水的危害

煤矿矿硐排出废水酸性较强、含有较多有害物质（如较强氧化性的高价铁、锰离子，还有一些铬等重金属离子），若不对其处理直接排入环境中，将产生较大不利影响，对人体健康也会造成严重威胁。具体表现如下：

（1）酸性强，含有强氧化性、毒行的金属离子，一旦流入河流，将会造成水体酸化，水中有毒有害物质增加，改变地表水环境质量，从而使水体中的鱼虾类、浮游生物、底栖生物、微生物、河岸挺水植物等无法正常生长、甚至死亡，最终导致水体失去自净能力。

（2）废水通过农灌、地下水补给等进入土壤，导致土壤酸化，重金属含量增加，可能导致植被枯萎、死亡等，还可能导致农作物减产、作物中重金属含量增加，一旦富含重金属的农作物进入食物链中对人体健康造成危害。

（3）当人长期接触酸性矿井废水，会对人体皮肤造成损伤，严重的会影响人体健康。

3、废水无能耗处理工艺研究

西南地区煤矿很多地处山区，煤矿关闭后水、电等设施均被拆除，本次研究针对此情况下开展了无能耗式处理技术研究。根据此类废弃矿井废水的特点及去除机理，研发出了一套“综合调节+自吸式气水混合器曝气+中和沉淀+砂滤”的无动力式处理技术。具体工艺如下：

工艺简介及污染物去除机理：

综合调节池：关闭煤矿从矿硐排出的废水进入充填石灰石滤层的综合调节池，水中携带的泥沙等通过滤层过滤去除，同时水中H+与石灰石发生反应，起到了降低酸性、调节pH值的目的，通过此工艺废水中pH值基本可从3以下调节至5~6。反应机理如下：

2H++CaCO3=Ca2++H2O+CO2↑

自吸式气水混合器：经综合调节后的废水通过自吸式气水混合器，在水流形成的负压作用下混合器自吸入空气，使空气和废水充分混合，提高了水中溶解氧含量，保证了废水中有充足溶解氧氧化水中的铁、锰离子。

中和沉淀池：废水进入中和沉淀池，投加碱液进一步调节pH值至弱碱性，在碱性条件下低价Fe2+离子能够快速发生化学氧化反应，氧化形成的Fe3+离子能够与水中的OH-反应形成Fe (OH)3沉淀物，经沉淀后去除。同时中和沉淀也可将水中的Mn4+、Zn2+等金属离子也会与OH-反应形成难容沉淀物而去除。主要反应机理如下：

4Fe2++O2+2H2O+8OH- =4Fe(OH)3↓

2Mn2++O2+4OH-=2MnO(OH)2↓

Zn2++2OH-=Zn(OH)2↓

砂滤池：由于形成的铁锰沉淀物均有一定颜色，一旦沉淀效果不佳，形成的SS排入地表水体，仍会造成二次污染，而且沉积在河道中容易导致河流变色，极大影响，因此沉淀后的废水再经砂滤池进一步降低SS，确保水质达标排放。

污泥处置：综合调节池、中和沉淀池、砂滤池产生的污泥，通过重力自流至污泥干化池中，经干化后外运处置。

4、研究效果

通过多次试验研究：

（1）采用此工艺处理后pH值可控制在6~9范围内，Fe离子去除率可达90%以上，Mn、Zn离子去除率可达70%以上，处理后的废水基本能够满足废水排放标准要求，能够实现在无动力的情况达到治理污染的目的。

（2）此工艺基本无能耗，药剂消耗量比传统化学处理工艺法减少30%左右。

工艺特点：此工艺最大特点就是不需要能耗，同时还具有运行稳定、管理方便、投资成本低、运行和维护费用低的特点。

5、结论

通过对西南地区关闭煤矿废水的试验研究，研发的“综合调节+自吸式气水混合器曝气+中和沉淀+砂滤”的无动力式处理技术，能够有效去除废弃矿洞自流出的高含铁酸性废水，实现达标排放。此处理技术将能够极大解决关闭煤矿自流矿井水污染环境的问题。

参考文献

［1］何绪文 ，李福勤 .  煤矿矿井水处理新技术及发展趋势[J] .  煤炭科学技术 .  2010，(7)：17-22

［2］周如禄，高亮，陈明智 .  煤矿含悬浮物矿井水净化处理技术探讨[J] .  煤矿环境保护，2000，(1):10-12

［3］李福勤，杨静，何绪文等 .  高矿化度高铁锰矿井水回用处理工艺研究[J] .  中国矿业大学学报，2006，(5):637-641

［4］李旺娟 .  煤矿矿井水处理新技术及发展探究[J] . 城市建筑，2017，(2):345-345