人工湿地处理酸性矿井水的研究.pdf

人工湿地处理酸性矿井水的研究 邵武宋岩王彩红 中国矿业大学 北京 ， 北京 100083 摘要 介绍人工湿地处理酸性矿井废水系统及其机制， 分析了酸性矿井水的形成、 特点和人工湿地处理酸性矿井水的 可行性， 列举国内外应用实例， 说明人工湿地是治理酸性矿井水的有效方法。 关键词 酸性矿井水; 人工湿地; 去污机理 RESEARCH ON TREATMENT OF ACID MINE DRAINAGE BY ARTIFICIAL WETLAND Shao WuSong YanWang Caihong China University of Mining ＆ Technology，Beijing 100083，China AbstractStructure and characteristic of artificial wetland system of treating wastewater and its mechanism are expounded． Characteristic of acid mine drainage and feasibility of treating acid mine drainage by artificial wetland were analyzed． It is also cited the applied examples both at home and abroad，which shows that treating acid mine drainage by artificial wetland is one of the practical and feasible s． Keywordsacid mine drainage;artificial wetland; detergency mechanism 在我国有许多开采多年的老矿井， 由于煤层所处 地质构造富含大量矿物质， 与矿坑水长期溶蚀产生一 系列化学和生物化学反应， 生成酸性矿井水。酸性矿 井水对井下的金属设备具有很强的腐蚀作用; 如果不 经处理直接排放到地面， 会造成环境污染， 影响生态 环境。所以对酸性矿井水的治理是我国采矿业急需 解决的问题。 1酸性矿井水的形成 酸性矿井水的生成是一个非常复杂的过程， 是由 物理、 化学及微生物三者共同作用的结果。我国酸性 矿井水的生成主要来源于三部分 煤层和顶、 底板中 含硫化合物在氧气、 水存在的条件下氧化生成的游离 态硫酸 ［1］ 2FeS2 7O2 2H2O 2Fe2 4SO2 － 4 4H 2Fe2 4H O2 2Fe3 2H2O FeS2 14Fe3 8H2O 15Fe2 2SO2 － 4 16H 碳酸和铁、 锰等金属的硫酸盐水解生成的酸; 另 外， 有一些来自煤中的有机硫被氧化后也会生成酸。 酸性矿井水中酸的生成量与煤中的含硫量、 煤层的赋 存条件、 采煤方法、 井下涌水量、 空气量以及微生物的 种类和数量等都有着密切的关系 ［2］。另外， 细菌和 微生物的直接、 间接氧化作用， 也使得水中的酸性和 金属离子增加 ［3］。 2人工湿地生态系统 人工湿地生态系统处理法 简称人工湿地法 是 近几十年发展起来的一种污水处理技术， 具有投资 省， 运行费用低， 易于管理等突出的优点， 在欧美一些 国家已有近千处用于实际煤矿酸性废水的处理实 例 ［4］。如英国 Cornwell 对矿山废水的处理， 美国也已 在煤矿系统建设了 400 多座人工湿地处理系统， 出水 pH 值提高到 6 ～ 9， 平均铁含量不大于3 mg/L。 2. 1人工湿地的构成 人工湿地是由一定长宽比及底面坡降的洼地构 成， 洼地内填充一定的填料 如土壤、 砾石碎石、 砂 等构成填料床， 在填料床表层土壤中种植一些耐酸 性能好、 成活率高、 抗水性强、 生长周期长、 美观及具 有经济价值的水生植物 如芦苇、 水葱、 香蒲等 ， 构 成一个独特的生态环境 ［5］。人工湿地分表面流湿 地、 潜流湿地和立式流湿地三种形式。由于表面流湿 地和立式流湿地废水处理效果以及环境卫生条件不 佳， 因此， 在工程中很少采用。潜流湿地水在填料表 面下渗流， 可充分利用填料表面及植物根系上微生物 54 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 和生物膜， 废水中污染物在湿地有氧条件下可发生氧 化水解， 在厌氧条件下又可发生还原作用， 因而被广 泛采用 ［6］。 2. 2人工湿地处理污水机理 人工湿地对污染物的去除是在湿地植物、 水体和 湿地基质 填料 的相互作用下完成的; 是利用自然 生态系统中的物理、 化学和生物的三重协同作用来实 现对污水的净化 ［7］。填料是湿地的基质与载体， 污 水中的不溶性污染物经填料过滤、 截留， 可溶性化合 物通过吸附、 离子交换、 氧化还原反应等作用转化成 不溶状态， 从水体中沉淀出来。这些沉淀物在湿地生 态系统中经光合作用、 呼吸、 发酵、 硝化、 反硝化等生 物反应过程， 以及在水体植物和微生物好氧、 兼氧及 厌氧状态下通过开环、 断键分解成简单小分子， 实现 对污染物的降解、 吸收和去除 ［8］。 3人工湿地处理酸性矿井水 3. 1硫酸盐和金属离子的去除 金属离子含量高是酸性矿井水的一大特点。酸 性矿井水流经湿地时， 不溶性物质通过湿地的沉淀、 过滤可以很快从废水中被截留下来， 被微生物加以利 用; 废水中金属离子， 如铁、 锰 ［9］经氧化和水解形成 沉淀物。 4Fe2 O2 aq 4H →4Fe 3 2H2O Fe3 3H2O→Fe OH 3 S 3H 4Mn2 O2 aq 6H2O→4MnOOH S 8H Mn2 HCO － 3→MnCO3 S H 氧化水解后的金属离子通过水生植物被吸收。 实验证明 ［10］， 水生植物对金属离子有很高的去除率， 如水葱、 芦苇、 香蒲等植物耐酸性强， 其净化能力 以 金属离子去除率计 分别是 Pb 为 80. 18 ，Mn 为 94. 54 ，Cr为 100 ， Al为96. 06 ， Fe为 92. 78 ，Be 和 Cd 为 100 。经过湿地处理， 水中的 金属离子得到净化。 3. 2有机物的去除 酸性矿井水中的有机物主要来自于煤炭开采过 程和矿石被长期浸泡溶解的有机物质。不溶性有机 物通过在湿地基质中的沉积、 过滤作用可以很快地被 分解或利用， 可溶性有机物则通过植物根系生物膜的 吸附、 吸收及厌氧好氧生物代谢降解过程而被分解去 除 ［11- 12］。研究表明［13］ 在进水浓度较低情况下， 人工 湿地对 BOD5去除率可达 85 ～ 95 ， COD 的去除率 可大于 80 。废水中大部分有机物的最终归宿是被 异养微生物转化为微生物体及 CO2和 H2O。湿地处 理系统 的 生 化 反 应 符 合 一 级 化 学 反 应 动 力 学 方 程 ［14］， 即 Ce C0exp － KTt ， KT K20aT- 20 式中 Ce为出水污染物浓度; C0 为初始污染物浓度， KT为温度为 T 时的反应速度常数; K20为温度为20 ℃ 时的反应速度常数， t 为时间; a 为与湿地状态及季节 有关的常数。 3. 3微生物和藻类的作用 人工湿地相当于许多串联或并联的 A2/O 处理 单元， 微生物和藻类在其中起着重要作用。在厌氧条 件下利用硫酸盐还原菌将 SO2 － 4 还原为 H2S， 再经过 微生物氧化并与水中的金属离子反应生成不溶性金 属硫化物沉淀， 被微生物和藻类吸收。酸性矿井水中 的 BOD5和 NH3-N 通过植物的吸收和微生物的消化 和反硝化作用得到去除 ［15］。 人工湿地系统在处理酸性矿井水前微生物数量 与种类与自然湿地基本相同， 随着酸性矿井水不断流 入， 微生物的数量将不断增加并趋于稳定。人工湿地 中的优势菌种有假单胞杆菌属 Pseudomonas 、 产碱 杆菌属 Alcaligens 和黄杆菌属 Flavobacterium ， 均 为生长快速的微生物， 运用微生物诱导变异特性， 经 培育驯化后对难降解物质具有很强的去除能力 ［16］。 4人工湿地去污效果的影响因素及应用实例 4． 1人工湿地去污效果的影响因素 影响人工湿地去污效果的因素很多， 主要有矿井 水中金属离子的浓度、 填料性质、 水深、 温度、 pH 值、 停留时间、 水力负荷等， 目前对人工湿地处理酸性矿 井水效果影响因素的研究并不全面， 主要是对温度、 停留时间和水力负荷的影响进行研究。根据郭飞 ［17］ 等的研究结果， 在温度不低于5 ℃ 的冬季， 湿地的处 理效果不会受到影响。Maehlum 等 ［18］的研究认为增 加停留时间能减少人工湿地受温度与季节的影响。 他认为在冬季， 植物层和雪层起到了很好的保温作 用， 保证了床体内微生物和藻类的正常代谢活动， 因 此湿地的处理效果保持在一个比较高的水平上。停 留时间过短， 不能给净化提供足够的时间， 停留时间 过长又可能引起滞流和厌氧。Huang 等 ［19］的研究表 明， 湿地中 NH 4 的降解量是污水在填料床中停留时 间的函数， 它们随停留时间的增加呈指数增长。湿地 填料的性质对酸性矿井水的 pH 值和湿地植物的生 长起着重要作用。在填料的土壤基质下， 加入碱性的 64 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 碳酸钙石砾 ［23］或粉煤灰， 使得酸性矿井水在流经填 料床的过程中酸度逐渐降低， 为水生植物提供更好的 生长环境。合适的水力负荷值应视特定的气候、 土壤 条件及种植植物的类型等因素而定。在南方地区， 四 季气温较高， 有利于湿地各物种的生长， 可适当提高 水力负荷。在北方， 特别是北方的冬季， 由于气温较 低， 应适当降低水利负荷， 延长停留时间。Robert 研 究表明 ［20］ 利用人工湿地中处理酸性矿井水较好的 污水停留时间为 8 ～ 15 d， 最佳的水力负荷取值范围 在 187 ～ 374 m3/ d hm2 之间。 4. 2应用实例 20 世纪 80 年代初， 由 Huntsman 最早在俄亥俄 和西弗吉尼亚州 2 个地方采用天然的泥炭鲜沼泽地 处理矿山酸性废水 ［21］。我国从 1984 年起在广东凡 口铅锌矿修建了人工湿地， 以香蒲作为湿地主要植 物， 经过十多年的发展与完善由最初 1 个池增加到了 4 个池， 占地面积 15. 87 万 m3， 日处理污水能力达 2. 98 万 t。其中总悬浮物、 Pb、 Zn、 Cd、 Cu、 Fe、 Hg 和 As 的 净 化 率 分 别 为99. 4 、99. 0 、97. 3 、 94. 9 、 85. 9 、 98. 0 、 58. 5 和 79. 2 。中科院南 京植物所采用人工湿地系统处理酸性铁矿废水， 面积 130 m3， 流量0. 5 m3/h， 运行两个月表明 pH 值由 2. 6 增高到 6. 1， 铜离子去除率为 99. 7 ， 铁离子去除率 为 99. 8 ， 锰离子去除率为 70. 9 ， 每年运行费 5 ～ 10 万元 ［22- 23］， 符合国家一级排放标准。 5结论 在国外， 人工湿地已被广泛应用于处理各种不同 的污水， 投资少， 管理简便。我国目前对人工湿地的 应用还处在发展阶段， 对人工湿地处理酸性矿井水的 研究， 对人工湿地去污效果影响因素如填料性质、 水 深、 温度、 pH 值、 停留时间、 水力负荷等相互之间关系 的研究， 对不同地区、 不同酸性矿井水条件下人工湿 地的设计和运行参数的研究都需要进一步探索。随 着人工湿地技术的逐渐成熟和应用， 在矿区充分利用 采掘塌陷区做人工湿地， 利用粉煤灰做部分基质填 料， 达到以废治废， 综合利用的目的， 可以改善矿区环 境， 促进良性生态环境的建设。 参考文献 ［1］郑仲． 煤矿酸性矿井水形成机理的研究进展［J］． 资源环境与 工程， 2007， 21 3 323- 326． ［2］孟君． 煤矿酸 性废水处理研究进展［J］． 贵 州 化 工， 2009， 34 2 50- 53． ［3］尹国勋． 煤矿酸性矿井水的形成及主要处理技术［J］． 环境科 学与管理，2008， 33 9 100- 102． ［4］Anon． A clear way forward［ M］ ． MinnesotaCorn2 well， 1994 126． ［5］沈耀良， 王宝贞． 废水生物处理新技术理论与应用［M］． 北 京 中国环境科学出社， 1999 263- 291． ［6］Gazea B，Adam K，Kontopoulos A． Reviewof passive systems for the treatment of acid mine drainage［J］．Minerals Engineering， 1996，9 1 23- 42． ［7］窦旭阳， 王咸龙． 人工湿地技术处理酸性矿井水研究［J］． 科技 信息，2010 2 45． ［8］丁疆华， 舒强． 人工湿地在处理污水中的应用［J］． 农业环境保 护， 2000， 19 5 320． ［9］徐志诚． 酸性矿井水的人工湿地处理方法综述［J］． 矿业安全 与环保，2005，32 2 40- 42． ［ 10］张宗元． 人工湿地处理酸性煤矿废水的机理研究及展望［J］． 科技情报开发与经济，2007，17 5 158- 159． ［ 11］籍国东， 倪晋仁． 人工湿地废水生态处理系统的作用机制［J］． 环境污染治理技术与设备， 2004， 5 6 71- 75． ［ 12］郑亚杰． 人工湿地系统处理污水新模式的探讨［J］． 环境科学 进展， 1995， 3 6 128． ［ 13］周仲魁， 陈泽堂， 孙占学． 人工湿地在治理矿山废水中的应用 ［J］． 铀矿冶， 2008， 27 4 202- 205． ［ 14］唐志坚， 张平， 左社强． 低浓度含铀废水处理技术的研究进展 ［J］． 工业用水与废水， 2003 4 9- 12． ［ 15］刘志斌． 人工湿地处理矿山废水的可行性研究［J］． 露天采矿 技术， 2005 6 30- 43． ［ 16］梁继东， 周启星， 孙铁珩． 人工湿地污水处理系统研究及性能 改进分析［J］． 生态学杂志，2003， 22 2 49- 55． ［ 17］郭飞． 人工湿地污水处理影响因素研究及优化［D］． 上海 同济 大学， 2006． ［ 18］Maehlum，Stalnackep．Removal efficiency of three cold-climate constructedwetlandstreatingdomesticwastewatereffectsof temperature，seasons，loading rates and concentration ［J］． Wat Sci Tech，1999，40 3 273- 281． ［ 19］Huang J，Reneaujr，Hagedorn C． Nitrogen removal in constructed wetlands employed to treat domestic wastewater［J］．Wat Res， 2000，34 9 2582- 2588． ［ 20］RobertACorbitt．StandardHandbookofEnvironmental Engineering［M］． New YorkMcGraw-Hill，1990． ［ 21］马尧， 胡宝群， 孙占学． 矿山废水处理的研究综述［J］． 矿业工 程， 2006， 4 3 55- 57． ［ 22］阳承胜． 宽叶香蒲人工湿地对铅 － 锌矿废水净化效能的研究 ［J］． 深圳大学学报， 2000 2 51- 57． ［ 23］唐述虞． 铁矿酸性排水的人工湿地处理［J］． 环境工程， 1996， 14 4 71- 78． 作者通信处邵武100083北京市海淀区学院路丁 11 号中国矿业 大学 北京 化学与环境工程学院 E- mailshaowu6699 126． com 2011 － 05 － 10 收稿 74 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期