一种酸性矿山废水多单元被动式生态处理一体化装置

技术领域

本发明涉及矿山废水治理技术领域，尤其涉及一种酸性矿山废水多单元被动式生态处理一体化装置。

背景技术

工业的迅速发展增加了对矿产资源的需求，矿山开采过程中形成的尾矿库、排土场等会产生酸性矿山废水(AMD)，具有低pH值、高浓度金属离子和硫酸盐等特点，会对周边环境造成严重破坏，并且在矿山关闭后的几十年甚至几个世纪仍然保持活跃，因此逐渐成为世界范围的环境问题。AMD对环境的污染程度取决于其pH值和组成成分，又根据矿区的地质情况而改变。例如，瑞典Maurliden矿产生的AMD酸度较低，pH值为2.3，锌离子浓度为460mg/L、铁离子浓度为400mg/L，但锰、镉等离子浓度较低，为0.3～49mg/L；而安徽某矿山酸水库pH值为2.9+0.02，铁离子浓度为34.57+4.00mg/L、锰离子浓度达到199.93+19.48mg/L。

因此，需要切实有效的处理技术，以尽量减少AMD的负面影响。为了保护环境，增强生态可持续性，适当预防AMD的产生是重要的前提条件之一。然而，一旦形成AMD，选择合适的处理和恢复措施便成了当务之急。现有的处理技术主要集中于通过物理、化学和生物技术中和、稳定和去除污染物。所有处理方案中，极少具有廉价并可持续的特点，大多数成本较高、甚至会引起二次污染。因此，开发高效、节能的处理技术是目前的主要趋势。

目前，处理AMD有两大类，即主动处理和被动处理。主动处理技术包括应用化学物质对金属。

离子进行沉淀、吸附、离子交换和膜技术等，但是，主动处理需要外加化学试剂并且耗能较大。

自20世纪90年代初以来，已逐渐应用于AMD的被动治理技术，主要包括人工湿地的生物处理、石灰石排水系统的化学处理和硫酸盐还原微生物反应器。AMD的被动处理技术比主动处理更适合于废弃矿山的修复，因为它有低运营和维护成本的优点，可以根据碱度产生的能力及金属去除的效率来选择被动处理技术。例如，在pH<6时，锌和锰等金属不易被去除，因此，不适用于石灰石的被动处理技术，为有效去除这些金属离子，采用氧化镁或石灰石与氧化镁的结合作为被动处理技术。被动处理被视为主动处理的替代办法，因为它不需要持续地化学投入，而且产生的污泥体积更小、更稳定，通常使用与环境有关的材料。但是，被动处理通常需要更长的作用时间。

综上所述，AMD处理没有通用技术，因其组成成分及来源各不相同，选择的处理技术和处理过程中产生的废物也有所变化。因此，开发一款用于试验各种不同废弃矿山酸性废水成分的被动式生态处理中试试验装置来确定填料层的种类、级配、水力停留时间和水力负荷等工程技术参数，是废弃矿山酸性废水治理前设计阶段需要进行的事情。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种酸性矿山废水多单元被动式生态处理一体化装置。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种酸性矿山废水多单元被动式生态处理一体化装置，一体化池包括第一级调节池、第二级沉淀池和第三级生化池；

所述第一级调节池的内侧壁上开设有若干个分隔槽，每一分隔槽内均嵌入设有分离隔板/过水隔板，将第一级调节池分隔为至少一个调节池空间，最左端分离隔板/过水隔板的左端设有pH调节剂层；所述第二级沉淀池的内侧壁上开设有若干个分隔槽，每一分隔槽内均嵌入设有分离隔板/过水隔板，将第二级沉淀池分隔为至少一个沉淀池空间；每一沉淀池空间内中部均设有碱性缓释材料载体；所述第三级生化池的内侧壁上开设有若干个分隔槽，每一分隔槽内均嵌入设有分离隔板/过水隔板，将第三级生化池分隔为至少一个生化池空间；每一生化池空间内部均设有垂直流人工湿地池体；

所述第一级调节池内部位于pH调节剂层左侧穿设有水管，所有调节池空间内部穿设有水管且水管穿设入所有沉淀池空间内的下端；所有沉淀池空间内的上端穿设有水管且水管穿设入所有生化池空间内的下端，所有生化池空间内的上端穿设有水管；所有水管上均设有阀门和水泵。

优选的，所述分离隔板为实心隔板；所述过水隔板的面板上开设有过水通槽。

优选的，所述pH调节剂层具有2个；每一所述pH调节剂层是由与第一级调节池上端前后两侧壁连接的调节顶板、与第一级调节池下端前后两侧壁连接的调节底板、呈一定间距地纵向依次设于调节顶板与调节底板之间的透水板、过滤板、过滤板和透水板、以及填充设于透水板与过滤板之间腔室内的填料层构成；所述填料层采用石灰石、氧化镁、石灰石与氧化镁组合中的任意一种。

优选的，所述调节顶板上对应两块过滤板之间的位置开设有管孔；管孔内纵向穿设有第一冲洗管；所述第一冲洗管上伸入至两块过滤板之间腔室的部分呈一定间隔地贯通开设有若干个冲洗孔。

优选的，所述碱性缓释材料载体包括沉淀前板、沉淀后板、可渗透反应墙体、过滤板和碱性缓释材料载体层；所述沉淀前板、沉淀后板分别与第二级沉淀池的前侧板、后侧板连接，两块可渗透反应墙设于沉淀前板、沉淀后板之间；两块可渗透反应墙之间呈一定间距地纵向设有两块过滤板；过滤板与第二级沉淀池内壁之间的腔室内设有若干个相邻设置的碱性缓释材料载体层。

优选的，所述碱性缓释材料载体层包括活性炭载体和碱性缓释材料；每一所述活性炭载体上贯通开设有若干个容置通孔；若干个容置通孔内均填充设有碱性缓释材料；所述碱性缓释材料为氧化钙。

优选的，所述沉淀前板、沉淀后板上对应两块过滤板之间的位置开设有管孔；管孔内横向穿设有第二冲洗管；所述第二冲洗管上伸入至两块过滤板之间腔室的部分呈一定间隔地贯通开设有若干个冲洗孔。

优选的，每一所述沉淀池空间的内底壁设有搅拌桨叶。

优选的，所述垂直流人工湿地池体是由由下至上依次设置的陶粒底层、稻杆有机质与陶粒均匀拌合层、陶粒上层、有机土层和植物层构成。

优选的，所述陶粒底层的高度为0.2m；所述稻杆有机质与陶粒均匀拌合层的高度为1.2m；所述陶粒上层的高度为0.2m；所述有机土层的高度为0.2m。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本酸性矿山废水多单元被动式生态处理一体化装置是一款可以用于试验各种不同废弃矿山酸性废水成分的被动式生态处理中试试验装置，可以确定填料的种类、级配、水力停留时间和水力负荷等工程技术参数，满足了废弃矿山酸性废水治理前设计阶段所需要进行的工序；

(2)设备结构在保证强度要求小，对设备内部腔体隔板进行针对性设计，隔板在根据不同水质成分组合下能够根据需求灵活调节；第一级调节池主要功能是调PH、第二级沉淀池主要是截留沉泥和减少铁锰等重金属进入后面人工湿地的负荷、第三级生化池主要功能是进一步处理重金属实现达标排放和改善周边环境状况；

(3)采用本酸性矿山废水多单元被动式生态处理一体化装置，运维成本低、操作简单；一体化装置采用集装箱式的高强度碳钢制作，可以重复使用，适用性强、大大降低中试试验成本。

附图说明

图1为本发明的整体立体结构示意图；

图2为本发明的内部立体结构示意图；

图3为本发明的整体俯视图；

图4为图3中的A-A向剖视图；

图5为本发明的整体安装阀门及水泵及填料层后的主视剖视图；

图6为本发明的整体安装第一冲洗管及第二冲洗管后的立体结构示意图；

图7为本发明的整体安装第一冲洗管及第二冲洗管后的俯视图；

图8为图7中的B-B向剖视图；

图9为图8中的E部放大图；

图10为图7中的C-C向剖视图；

图11为本发明的整体主视剖视图；

图12为本发明的第三级生化池内部结构示意图。

图中：1、第一级调节池；101、调节池空间；2、第二级沉淀池；201、沉淀池空间；3、第三级生化池；301、生化池空间；4、分隔槽；5、分离隔板；6、调节顶板；7、调节底板；8、透水板；9、过滤板；10、填料层；11、第一冲洗管；12、冲洗孔；13、沉淀前板；14、沉淀后板；15、可渗透反应墙体；16、碱性缓释材料载体层；17、容置通孔；18、第二冲洗管；19、搅拌桨叶；20、水管；21、稻杆有机质与陶粒均匀拌合层；22、陶粒上层；23、有机土层；24、植物层；25、阀门；26、水泵；27、过水隔板；28、过水通槽；29、陶粒底层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

如图1-12所示，一种酸性矿山废水多单元被动式生态处理一体化装置，一体化池包括第一级调节池1、第二级沉淀池2和第三级生化池3。

第一级调节池1的内侧壁上开设有若干个分隔槽4，每一分隔槽4内均嵌入设有分离隔板5/过水隔板27，将第一级调节池1分隔为至少一个调节池空间101，最左端分离隔板5/过水隔板27的左端设有2个pH调节剂层。

每一pH调节剂层是由与第一级调节池1上端前后两侧壁连接的调节顶板6、与第一级调节池1下端前后两侧壁连接的调节底板7、呈一定间距地纵向依次设于调节顶板6与调节底板7之间的透水板8、过滤板9、过滤板9和透水板8、以及填充设于透水板8与过滤板9之间腔室内的填料层10构成；填料层10采用石灰石、氧化镁、石灰石与氧化镁组合中的任意一种。

调节顶板6上对应两块过滤板9之间的位置开设有管孔；管孔内纵向穿设有第一冲洗管11；第一冲洗管11上伸入至两块过滤板9之间腔室的部分呈一定间隔地贯通开设有若干个冲洗孔12。

第二级沉淀池2的内侧壁上开设有若干个分隔槽4，每一分隔槽4内均嵌入设有分离隔板5/过水隔板27，将第二级沉淀池2分隔为至少一个沉淀池空间201；每一沉淀池空间201内中部均设有碱性缓释材料载体。

碱性缓释材料载体包括沉淀前板13、沉淀后板14、可渗透反应墙体15、过滤板9和碱性缓释材料载体层16；沉淀前板13、沉淀后板14分别与第二级沉淀池2的前侧板、后侧板连接，两块可渗透反应墙设于沉淀前板13、沉淀后板14之间；两块可渗透反应墙之间呈一定间距地纵向设有两块过滤板9；过滤板9与第二级沉淀池2内壁之间的腔室内设有若干个相邻设置的碱性缓释材料载体层16。

碱性缓释材料载体层16包括活性炭载体和碱性缓释材料；每一活性炭载体上贯通开设有若干个容置通孔17；若干个容置通孔17内均填充设有碱性缓释材料；碱性缓释材料为氧化钙。

沉淀前板13、沉淀后板14上对应两块过滤板9之间的位置开设有管孔；管孔内横向穿设有第二冲洗管18；第二冲洗管18上伸入至两块过滤板9之间腔室的部分呈一定间隔地贯通开设有若干个冲洗孔12。每一沉淀池空间201的内底壁设有搅拌桨叶19。

调节底板7对应第一冲洗管11的位置开设有凹槽，使得第一冲洗管11可以穿设伸入到调节底板7凹槽中，以限位；沉淀后板14对应于第二冲洗管18的位置开设有凹槽，使得第二冲洗管18可以穿设伸入到沉淀后板14凹槽中，以限位。

第三级生化池3的内侧壁上开设有若干个分隔槽4，每一分隔槽4内均嵌入设有分离隔板5/过水隔板27，将第三级生化池3分隔为至少一个生化池空间301；每一生化池空间301内部均设有垂直流人工湿地池体。

垂直流人工湿地池体是由由下至上依次设置的陶粒底层29、稻杆有机质与陶粒均匀拌合层21、陶粒上层22、有机土层23和植物层24构成。其中陶粒底层29的高度为0.2m；稻杆有机质与陶粒均匀拌合层21的高度为1.2m；所述陶粒上层22的高度为0.2m；有机土层23的高度为0.2m。

第一级调节池1内部位于pH调节剂层左侧穿设有水管20，所有调节池空间101内部穿设有水管20且水管20穿设入所有沉淀池空间201内的下端；所有沉淀池空间201内的上端穿设有水管20且水管20穿设入所有生化池空间301内的下端，所有生化池空间301内的上端穿设有水管20；所有水管20上均设有阀门25和水泵26。

分离隔板5为实心隔板；过水隔板27的面板上开设有过水通槽28。

该装置也可以根据不同的实验需求填充其他的材料，多次使用。本实施例中的优选填料为适应本实验的需求。

本发明的工作原理为：

本发明提供的一种酸性矿山废水多单元被动式生态处理一体化装置，可以用于试验各种不同废弃矿山酸性废水成分的被动式生态处理中试试验装置来确定填料的种类、级配、水力停留时间和水力负荷等工程技术参数；

如图5所示，当第一级调节池1、第二级沉淀池2和第三级生化池3的若干个分隔槽4内均嵌入设有过水隔板27时，由于过水隔板27上过水通槽28的存在，使第一级调节池1、第二级沉淀池2和第三级生化池3实际上只有一个整体调节池空间101、一个整体沉淀池空间201和一个整体生化池空间301：此时第一级调节池1、第二级沉淀池2和第三级生化池3内的水力停留时间可以通过控制水泵26的流量大小和水泵26的启动时间来配合实现调节，水力停留时间设置30min、45min、60min、75min四个等级检测出水水质；此时第一级调节池1内的填料层10可以分次采用石灰石、氧化镁、石灰石与氧化镁组合中的任意一种进行填料试验；填料层10级配粒径采用5～8mm、8～10mm、10～15mm、15～20mm四种分段布设试验；

如图11所示，当第一级调节池1、第二级沉淀池2和第三级生化池3的若干个分隔槽4内均嵌入设有分离隔板5时，由于分离隔板5为实心隔板，使第一级调节池1、第二级沉淀池2和第三级生化池3实际上分隔为多个调节池空间101、多个整体沉淀池空间201和多个整体生化池空间301：此时多个调节池空间101、多个整体沉淀池空间201和多个整体生化池空间301内的水力停留时间可以通过控制水泵26的流量大小和水泵26的启动时间来配合实现调节，水力停留时间设置30min、45min、60min、75min四个等级检测出水水质；此时每个调节池空间101内的填料层10可以分次采用石灰石、氧化镁、石灰石与氧化镁组合中的任意一种进行填料试验；填料层10级配粒径采用5～8mm、8～10mm、10～15mm、15～20mm四种分段布设试验；而第一级调节池1、第二级沉淀池2和第三级生化池3内的水力负荷设置改变可以通过嵌入设置活动隔板的块数(以分隔出调节池空间101、沉淀池空间201和生化池空间301的个数)和水泵26的流量大小来配合实现调节。

酸性矿山废水(AMD)经过泵提升进入第一级调节池1，用水管20引流到第一级调节池1中，酸性矿山废水中的pH值与填料中的碱性物质反应，pH从3左右调到6.0左右；

水流通过第一级调节池1调节了pH后携带部分污泥沉淀物经过水管20进入第二级沉淀池2的可渗透反应墙15下端，水流方向从小往上流，污染物质通过碱性缓释材料载体层16被截留住，碱性缓释材料载体层16是由活性炭载体、以及填充设于活性炭载内的氧化钙构成，氧化钙溶于水使得水中的OH

由第二级沉淀池2出来的上清液经水管20进入含有机质层的垂直流人工湿地池体下端，并且伸入到第二级沉淀池2的可渗透反应墙15下端的水管上开设有多个布水孔充当布水管、伸入到垂直流人工湿地池体下端的水管上也开设有多个布水孔充当布水管；人工湿地水力负荷设置1.5m

当需要对冲洗pH调节剂层、碱性缓释材料载体时，此时分别将第一冲洗管11、第二冲洗管18插入至调节顶板6、沉淀前板13内，并且第一冲洗管11、第二冲洗管18接软管并通入清洁水，使得清洁水由第一冲洗管11、第二冲洗管18的冲洗孔冲出，对pH调节剂层、碱性缓释材料载体内部进行冲洗，防止透水板8、过滤板9以及可渗透反应墙体15上粘附的悬浮物、沉淀物进行冲刷出，冲洗完毕后，第一冲洗管11、第二冲洗管18再充当吸水管，在泵吸力的作用下，将pH调节剂层、碱性缓释材料载体内部冲刷出的悬浮物、沉淀物吸附出来。

根据检测的水质成分和以往的试验经验数据，设定几种(填料的种类、级配、水力停留时间和水力负荷等工程技术参数)试验方案对比确定最优组合的参数，丰富“一矿一策，一井一法”治理思路，例如，在慈利县三合镇已关闭煤矿矿井水综合治理项目施工图设计前开展现场中试试验，确定末端水处理采用“厌氧石灰石沟ALD+可渗透生化反应墙PRB+垂直流人工湿地VCW”的处理工艺”，厌氧石灰石沟填料采用方解石，级配粒径8～20mm，水力停留时间30min，水力负荷10m

表1各重金属离子浓度的监测结果

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。