一种废弃硫铁矿区废石堆酸性废水源头治理系统及方法

技术领域

本发明涉及废弃硫铁矿区治理技术领域，具体涉及一种废弃硫铁矿区废石堆酸性废水源头治理系统及方法。

背景技术

当前历史遗留硫铁矿区存在较多的酸性废水向地下水无序扩散和污染问题，特别是非正规废石堆场，容易出现大气降水经过未经覆盖的废石堆后形成酸性废水，穿过未经防渗处理的库底，污染周边土壤及地下水的情况。如何处理这类地下产生的酸性废水是行业难题。针对以上问题，有必要设计一种废弃硫铁矿区废石堆酸性废水源头治理系统及方法，以实现酸性废水的源头削减控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种废弃硫铁矿区废石堆酸性废水源头治理系统及方法，能够从源头削减水量，通过原位多级治理，防止酸性废水污染扩散，达到酸性废水综合整治、源头防控的目标。

为实现上述目的，本发明的技术方案为一种废弃硫铁矿区废石堆酸性废水源头治理系统，包括设置于废石堆表层的防渗结构、设置于废石堆外围的截洪沟、设置于废石堆下游侧的拦挡坝以及设置于所述拦挡坝下游侧的酸性废水原位处理池；所述酸性废水原位处理池位于地下渗漏形成的酸性废水污染羽扩散路径上，且所述酸性废水原位处理池的上游侧面设置有进水孔；所述拦挡坝坝体渗漏形成的集中涌水点通过导流装置与所述酸性废水原位处理池连通。

作为实施方式之一，所述酸性废水原位处理池内通过隔墙分为沿地下水流向依次连通的还原区、中和区和沉淀区，所述进水孔设置于所述还原区上。

作为实施方式之一，所述还原区的顶部设置有硫化氢集气罩，所述硫化氢集气罩通过第一管道与所述沉淀区连通，且所述第一管道的末端位于所述沉淀区的液面以下。

作为实施方式之一，所述防渗结构包括形成于废石堆表层的钝化层以及设置于所述钝化层表面的防渗覆盖层，所述钝化层是由表层废石渣与氧化钙翻拌而成。

作为实施方式之一，所述钝化层内设置有布气花管，所述布气花管通过第二管道与所述硫化氢集气罩连通。

作为实施方式之一，所述中和区的顶部设置有二氧化碳集气罩，所述二氧化碳集气罩通过第三管道与所述布气花管连通。

作为实施方式之一，所述钝化层的厚度为0.8～1.2m，所述防渗覆盖层的厚度为80～150mm；所述钝化层内自上至下设置有多层所述布气花管，且最上面的一层所述布气花管与所述防渗覆盖层之间的间距为8～15cm。

作为实施方式之一，所述还原区内设置有有机质还原层，所述有机质还原层采用模块化组合结构，其由若干有机质还原模块组装而成；所述有机质还原模块包括花管、设置于所述花管两端的堵头以及填充于所述花管内的有机质和硫酸盐还原菌。

作为实施方式之一，所述中和区内设置有中和层，所述中和层采用模块化组合结构，其由若干中和剂模块组装而成；所述中和剂模块包括花管、设置于所述花管两端的堵头以及填充于所述花管内的石灰石。

作为实施方式之一，所述酸性废水原位处理池至少有两个且并联设置，并完全覆盖地下渗漏形成的酸性废水污染羽扩散路径。

本发明还提供一种废弃硫铁矿区废石堆酸性废水源头治理方法，在废弃硫铁矿区废石堆处施做以上任一项所述的废弃硫铁矿区废石堆酸性废水源头治理系统，将废石堆区域外大气降水以及区域内大气降水分别接入截洪沟，集中引流至下游排放；将地下渗漏形成的酸性废水以及拦挡坝坝体渗漏形成的涌水引入酸性废水原位处理池并依次进入还原区、中和区和沉淀区，酸性废水中的硫酸盐在还原区被硫酸盐还原菌还原为硫化氢，酸性废水中的酸性物质在中和区与石灰石作用生成二氧化碳；在还原区产生硫化氢后，先将硫化氢导入废石堆中，与堆体内重金属反应生成金属硫化物，然后将中和区产生的二氧化碳气体导入废石堆中，与废石堆表层氧化钙反应生成钙基碳酸盐钝化层，并将硫化氢导入沉淀区，与废水中重金属反应生成金属硫化物沉淀。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明对废石堆外部实现清污分流，将废石堆外部未污染大气降雨集中收集，从源头上降低了净水与废石渣混合的可能性，削减酸性废水产生量；

(2)本发明在表层设置防渗结构，实现废水和遗留废石渣的完全隔离，避免污染持续加重，进一步削减酸性废水产生量；

(3)本发明因地制宜，在地下渗漏形成的酸性废水污染羽扩散路径上设置酸性废水原位处理池，可以有效地截断酸性废水污染羽的扩散路径，并将截留的酸性废水原位处理，同时将拦挡坝坝体渗漏形成的集中涌水点导流至酸性废水原位处理池进行原位处理，不仅可以实现酸性废水的源头防控，避免污染物进一步的扩散，而且能够解决工程中常遇的征地、选址难的问题；

(4)本发明中酸性废水进入酸性废水原位处理池后依次经过还原区、中和区和沉淀区，废水PH升高，酸性减弱，硫酸盐和重金属等多污染得以削减和控制，能够实现酸性废水源头防控；

(5)本发明利用还原区产生的硫化氢，强化废石堆和出水中的重金属治理，利用中和区产生的二氧化碳，强化废石渣的钝化效果，实现以废治废；

(6)本发明还原区的有机质还原层和中和区的中和层均采用模块化设计，实现方便且快速地安装、清洗和更换，工作效率大大提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的废弃硫铁矿区废石堆酸性废水源头治理系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的有机质还原模块和中和剂模块的示意图；

图中：1、废石堆；2、钝化层；3、防渗覆盖层；4、拦挡坝；5、上游截洪沟；6、坝下截洪沟；7、布气花管；8、酸性废水污染羽；9、酸性废水原位处理池；10、还原区；11、中和区；12、沉淀区；13、硫化氢集气罩；14、二氧化碳集气罩；15、花管；16、渗透孔；17、堵头。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；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，“若干”的含义是至少一个。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种废弃硫铁矿区废石堆酸性废水源头治理系统，包括设置于废石堆1表层的防渗结构、设置于废石堆1外围的截洪沟、设置于废石堆1下游侧的拦挡坝4以及设置于所述拦挡坝4下游侧的酸性废水原位处理池9；所述酸性废水原位处理池9位于地下渗漏形成的酸性废水污染羽8扩散路径上，且所述酸性废水原位处理池9的上游侧面设置有进水孔；所述拦挡坝4坝体渗漏形成的集中涌水点通过导流装置与所述酸性废水原位处理池9连通。

本实施例在废石堆1表层设置防渗结构，避免大气降水直接渗入废石堆1内部，从而减少酸性废水的生成和污染物的扩散；同时在废石堆1边界外侧设置截洪沟，将废石堆1区域外大气降水以及区域内大气降水分别接入截洪沟，集中引流至下游既有的排洪系统中排放，实现废石堆1外部清污分流，从源头上降低了净水与废石渣混合的可能性，削减酸性废水产生量。

由于废弃硫铁矿区废石堆1含有大量的FeS

其中，截洪沟包括上游截洪沟5和坝下截洪沟6，上游截洪沟5设置于废石堆1的上游侧及两侧，用于将废石堆1区域外的未污染大气降水截留下来，并集中引流至下游排放；坝下截洪沟6设置于拦挡坝4下游侧的坝脚处，且其顶面不高于防渗覆盖层3顶面，用于将废石堆1区域内大气降水经防渗结构拦截后的未污染大气降水截留下来并集中引流至下游排放。

细化上述实施例，所述酸性废水原位处理池9内通过隔墙分为沿地下水流向依次连通的还原区10、中和区11和沉淀区12，即还原区10位于上游侧，沉淀区12位于下游侧，中和区11位于还原区10和沉淀区12之间，所述进水孔设置于所述还原区10的上游侧面上，拦挡坝4坝体渗漏形成的集中涌水点通过导流装置与所述还原区10连通。酸性废水先进入还原区10进行还原反应，削减硫酸盐，然后进入中和区11进行中和反应，提升碱度，最后进入沉淀区12，去除重金属，使得酸性废水得到了全面有效的处理，降低了废水对环境的污染风险。

在其中一个实施例中，所述还原区10的顶部设置有硫化氢集气罩13，用于收集酸性废水厌氧环境下被硫酸盐还原菌还原产生的硫化氢气体；所述硫化氢集气罩13通过第一管道与所述沉淀区12连通，且所述第一管道的末端位于所述沉淀区12的液面以下。由于废水在还原区10的硫酸盐还原菌的作用下会产生硫化氢气体，而硫化氢气体是一种有毒气体，具有腐蚀性，会对环境造成负面影响，本实施例将生成的硫化氢气体收集并通入沉淀区12中，不仅可以与废水中重金属反应生成金属硫化物沉淀，进一步降低出水重金属浓度，同时还能实现以废治废。

在其中一个实施例中，所述防渗结构包括形成于废石堆1表层的钝化层2以及设置于所述钝化层2表面的防渗覆盖层3，所述钝化层2是由表层废石渣与氧化钙翻拌而成。本实施例在表层废石渣中加入修复药剂氧化钙，氧化钙可以与废石渣中水分反应生成氢氧化钙，不仅降低废石渣含水率，中和废石渣中的酸性物质，降低废石渣的酸度，而且生成的氢氧化钙可以与后期通入的二氧化碳生成钙基碳酸盐钝化层2对废石渣形成包裹，能够提高废石渣的物理和化学稳定性。优选地，氧化钙的用量为表层废石渣质量的1～3％。

其中，防渗结构的具体施工方法是：先将废石堆1表层的废石渣与一定量的修复药剂氧化钙翻拌均匀形成一定厚度的钝化层2，然后将钝化层2平整压实，再在钝化层2表面完整喷射混凝土作为防渗覆盖层3，防止地表径流进入钝化层2。进一步地，所述钝化层2的厚度为0.8～1.2m，所述防渗覆盖层3的厚度为80～150mm。优选地，钝化层2的厚度为1m，所述防渗覆盖层3的厚度为100mm。

优化上述实施例，所述防渗覆盖层3的每立方混凝土中掺加约5kg水泥基渗透结晶性防水材料和15％～25％的粉煤灰，使得混凝土强度等级达到C30，抗渗等级达到P8，抗硫酸盐等级达到KS150。通过在混凝土中掺加适量的水泥基渗透结晶性防水材料和粉煤灰，可以有效提高废弃硫铁矿区废石堆1表面的防渗覆盖层3的防水性能、强度和耐久性。

优化上述实施例，所述钝化层2内设置有布气花管7，所述布气花管7通过第二管道与所述硫化氢集气罩13连通。本实施例还可以将还原区10生成的硫化氢通入钝化层2中，不仅可以与废石渣表面的重金属离子反应生成金属硫化物，实现重金属离子稳定化，减少重金属离子向周围环境中的迁移和释放，同时还能实现以废治废。布气花管7可以在防渗结构施工时即预埋在钝化层2中。

进一步地，可以在第一管道上设置1#阀门，在第二管道上设置2#阀门，通过1#阀门和2#阀门可以控制硫化氢气体分别输送至沉淀区12和废石堆1中。

本实施例中，布气花管7的材质可以采用高密度聚乙烯(HDPE)，钝化层2内可以布置多层布气花管7，每层间隔布置多根布气花管7，布气花管7的层数以及每层布气花管7的间距可以根据钝化层2的厚度以及废石堆1的具体情况设计。在其中一个实施例中，所述钝化层2内自上至下设置有两层布气花管7，且上面的一层布气花管7与防渗覆盖层3之间的间距为8～15cm，优选为10cm；下面的一层布气花管7与防渗覆盖层3之间的间距为45～55cm，优选为50cm。

优化上述实施例，所述中和区11的顶部设置有二氧化碳集气罩14，用于产生的二氧化碳气体；所述二氧化碳集气罩14通过第三管道与所述布气花管7连通。由于废水在中和区11与石灰石反应会生成二氧化碳气体，本实施例将生成的二氧化碳气体收集并通入废石堆1的钝化层2中，不仅可以与钝化层2中废石渣表面的氢氧化钙反应生成钙基碳酸盐钝化层2对废石渣形成包裹，提高废石渣的物理和化学稳定性，使得遗留废渣污染进一步得到控制，同时还能实现以废治废。

进一步地，第三管道上设置有3#阀门，通过3#阀门可以控制二氧化碳气体输送至废石堆1中。

本实施例还可以在硫化氢集气罩13中设置硫化氢气体传感器，实时监测硫化氢集气罩13中硫化氢气体的浓度；在二氧化碳集气罩14中设置二氧化碳气体传感器，实时监测二氧化碳集气罩14中二氧化碳气体的浓度。

在其中一个实施例中，所述还原区10内设置有有机质还原层，所述有机质还原层采用模块化组合结构，其由若干有机质还原模块组装而成；所述有机质还原模块包括花管15、设置于所述花管15两端的堵头17以及填充于所述花管15内的有机质和硫酸盐还原菌。本实施例的有机质还原层设置于还原区10内的底部，且高度不小于1m，根据需要采用若干有机质还原模块叠加拼装形成，在模块淤堵或失效后可定期更换。其中，每个有机质还原模块的花管15均采用直径0.2m、长度1.0m的圆柱体，且两端通过堵头17封堵，材质可以采用高密度聚乙烯，花管15上的渗透孔16孔径为10mm，花管15的开孔率为30％～50％，如图2所示；有机质还原模块内填充的有机质具体可以采用泥炭、干草和土壤的混合物，泥炭、干草和土壤的质量比为5:4:1，酸性废水经过有机质还原层，在厌氧环境中，硫酸盐还原菌会将硫酸盐还原为硫化氢，削减硫酸盐含量。

在其中一个实施例中，所述中和区11内设置有中和层，所述中和层采用模块化组合结构，其由若干中和剂模块组装而成；所述中和剂模块包括花管15、设置于所述花管15两端的堵头17以及填充于所述花管15内的石灰石。本实施例的中和层设置于中和区11内的底部，根据需要采用若干层中和剂模块叠加拼装形成，在模块淤堵或失效后可定期清洗或更换。其中，每个中和剂模块的花管15均采用直径0.2m、长度1.0m的圆柱体，且两端通过堵头17封堵，材质可以采用高密度聚乙烯，花管15上的渗透孔16孔径为10mm，花管15的开孔率为30％～50％，如图2所示；中和剂模块内填充石灰石，酸性废水经过中和层，酸性物质可与石灰石作用后生成二氧化碳气体，提升废水的碱度。

还原区10的有机质还原层和中和区11的中和层运行一段时间后，会形成淤堵，需要定期清洗或更换，以往需要整体操作，需耗费大量机械及人工，花费较长时间，本实施例将有机质还原层和中和层小型化和模块化，有机质还原层和中和层设吊耳，实现整体吊运，可采用小型汽车吊辅助人工方便实现拆卸、清洗和更换，工作效率大大提升。因硫铁矿酸性废水与碳酸钙、硫化氢等反应后会产生硫酸盐、氢氧化物、硫化物等沉淀，附着于有机质还原模块和中和剂模块中，需定期起吊模块清洗，冲洗后将冲洗水排至泥水分离池，底泥定期清掏，外运填埋。

本实施例中，酸性废水原位处理池9可以采用地下式钢筋混凝土结构，其底部伸入基岩层至少1m，以保证酸性废水污染羽8扩散路径被完全覆盖和阻隔，污染羽流未经酸性废水原位处理池9处理不会从其他方向扩散至酸性废水原位处理池9的下游。酸性废水原位处理池9内通过给隔墙分为尺寸相当的还原区10、中和区11和沉淀区12，每个均为带盖封闭结构，其中，还原区10的上游侧面设置有进水孔，孔径为10mm，开孔率为30％～50％，可根据地下水流量调整；还原区10与中和区11之间的隔墙底部设置有通孔，孔径为10mm，开孔率为30％～50％，可根据地下水流量调整，还原层的顶面位于该通孔以上；中和区11与沉淀区12之间的隔墙顶部设置有通孔，孔径为10mm，开孔率为30％～50％，可根据地下水流量调整；沉淀区12的上部为反应区域，下部为沉淀区12沉积区域，废水的重金属离子与还原区10产生和输送来的硫化氢气体充分反应，形成重金属硫化物沉淀沉积在下部，该部分沉淀可定期清掏，外运填埋。

优化上述实施例，所述酸性废水原位处理池9至少有两个且并联设置，并完全覆盖地下渗漏形成的酸性废水污染羽8扩散路径。由于多个酸性废水原位处理池9并联运行，因此各个酸性废水原位处理池9可单独停止运行，进行系统检修、污泥清理或淤堵冲洗。清洗水源可采用截洪沟排水作为水源进行冲洗，水压可充分利用自然高差或采用便携设备，产生的泥水收集至泥水分离池。

实施例二

本发明还提供一种废弃硫铁矿区废石堆酸性废水源头治理方法，包括如下步骤：

在废弃硫铁矿区废石堆1处施做实施例一中提供的废弃硫铁矿区废石堆1酸性废水源头治理系统，将废石堆1区域外大气降水以及区域内大气降水分别接入截洪沟，集中引流至下游排放；将地下渗漏形成的酸性废水以及拦挡坝4坝体渗漏形成的涌水引入酸性废水原位处理池9；具体地，先在废石堆1的下游侧施做拦挡坝4以及在废石堆1的外围施做截洪沟，并将遗留废石渣就地平整后在其表面施做防渗结构，同时预埋布气花管7；然后探明废弃硫铁矿区废石堆1场现有的暴露区域，对主要渗水点位进行排查、取样和检测，明确受污染情况，确定下游污染羽扩散范围，再根据调查明确的地下渗漏形成酸性废水的污染羽扩散范围，确定酸性废水原位处理池9的位置及数量并施做，然后将地上坝体渗漏形成的集中涌水点通过导流装置依靠重力引入酸性废水原位处理池9；

酸性废水进入酸性废水原位处理池9后依次进入还原区10、中和区11和沉淀区12；在还原区10，硫酸盐还原菌将酸性废水中的硫酸盐还原为硫化氢，削减硫酸盐含量；在中和区11，石灰石与酸性废水中的酸性物质作用生成二氧化碳气体，提升废水的碱度；在沉淀区12，将重金属形成沉淀，去除重金属；

在还原区10产生硫化氢后，首先开启1#阀门，关闭2#阀门和3#阀门，将还原区10产生的硫化氢气体导入废石堆1的钝化层2，其与废石渣表面的重金属离子反应生成金属硫化物，实现重金属离子稳定化；然后关闭1#阀门和2#阀门，开启3#阀门，将中和区11产生的二氧化碳气体导入废石堆1的钝化层2，其与钝化层2中废石渣表面的氢氧化钙反应生成钙基碳酸盐钝化层2对废石渣形成包裹；最后关闭1#阀门，开启2#阀门和3#阀门，将还原区10产生的硫化氢气体导入沉淀区12，其与废水中重金属反应生成金属硫化物沉淀，进一步降低出水重金属浓度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。