被动处理酸性矿山废水的方法选择及其应用

中国环境学会  2011年 03月31日

        张瑞雪  吴攀*  杨艳  熊玲        (贵州大学资源与环境工程学院,贵州,贵阳,550003)
   
  摘要:论文阐述了国外目前广泛研究和应用的处理AMD的“被动治理”技术和方法。通过对几种“被动处理”方法的原理介绍和优缺点比较,指出如何根据矿山排水的方式和水化学特征选择合适的废水被动处理方法。并论述了被动处理AMD技术在国外的应用现状和在中国的发展前景。


  关键词:酸性矿山排水;主动处理;被动处理;选择及应用
  中图分类号:X703   文献标识码:A  
   
  0  引言


  关于酸性矿山排水形成的原因和机理,早有大量的文献和资料报道[1-2]。总的来是含硫矿物在空气、水和细菌(如硫杆菌)的共同作用下,形成硫酸~硫酸高铁溶液,从而产生富含Fe、Mn等金属离子的酸性矿山排水(AMD)。由于AMD极易在流经的河床底部形成Fe(OH)3沉积物而对水生生态系统造成危害,具有污染时间长和影响景观等特点,因此对AMD处理技术的开发及应用成为众多学者研究的热点。目前,酸性矿山废水的处理方法大体分为“主动治理”和“被动治理”两大类[3]。“主动治理”主要包括石灰中和法、硫化物沉淀法、氧化还原法、曝气氧化过滤法等。应用主动处理技术虽然方便、快捷,但由于其具有需要修建废水处理站、投加大量化学药剂、运行管理和维护费用高等缺点,使得人们开始寻求一种更经济有效的AMD处理技术。


  1  被动治理技术的发展及其主要类型


  “被动处理”技术就是在人为控制的环境中,利用自然界发生的地球化学和生物化学过程,用最低的投资和维护费用达到改善出水水质、去除废水中污染物质目的的方法[4]。该方法起源于二十世纪八十年代,由加拿大多伦多的Huntsman和美国西弗吉尼亚大学Wieder和Lang最先提出,且都是利用人工湿地技术处理煤矿酸性废水[5]。随着被动处理技术的不断发展,已由开始单一的人工湿地技术发展到多种形式的被动治理方法,并逐渐从实验室模型发展到大规模的工程应用。目前,国外广泛应用的被动处理方法主要可归纳为两种划分类型:好氧/厌氧、物化/生化。具体划分方式见表1。
  表1  被动治理酸性矿山废水的分类方法

序号

划分标准

主要类型

常见的被动治理方法

1

好氧或厌氧过程

好氧

好氧湿地、好氧石灰石沟渠、石灰石滤床

厌氧或缺氧

厌氧湿地、缺氧石灰石沟渠、连续碱生产系统、可渗透反应墙、硫酸盐还原生物反应器

2

化学或生物过程

物理化学

好氧/缺氧石灰石沟渠、石灰石滤床

生物化学

好氧/厌氧湿地、硫酸盐还原生物反应器、连续碱生产系统、可渗透反应墙

 

 

  2  被动处理AMD方法介绍与比较


  (1)好氧湿地(Aerobic wetlands)
  好氧湿地系统通过水解作用和氧化作用以氢氧化物沉淀的形式去除废水中的重金属,如Fe、Mn等[6-7]。水解氧化过程中产生的酸度可以依靠HCO3-碱度进行中和,同时为了促进Fe、Mn的沉淀作用,适宜的pH范围应为5.5~6.5。在设计上好氧湿地系统类似于天然湿地。对于表面流人工湿地,填料上的流动水层较浅(10~50cm),一般小于30cm,池体长宽比不小于10[8]。好氧湿地系统集沉淀、过滤、吸附、氧化、微生物合成与分解、植物代谢与吸收等多种作用于一体,对去除废水中的污染物质有良好的效果。
  (2)厌氧湿地(Anaerobic wetlands)
  厌氧湿地主要是利用有机质层的大量微生物和石灰石溶解造成CO2分压的升高而产生还原环境来处理酸性矿山废水的一种被动处理方法。厌氧湿地对DO浓度相对较高、高Fe3+、Al、SO42-浓度的酸性废水有很好的处理效果[9]。为了创造厌氧环境,提高硫酸盐还原菌(Sulfate-reducing Bacteria)的代谢能力,厌氧湿地通常设计为潜流或垂直流[10]。同好氧湿地处理AMD一样,两者都需要较长的水力停留时间(HRT),因此系统占地面积较大。厌氧湿地中的填料主要是由廉价的天然物质和一些固体废弃物组成,当废水酸度较高时还可以向基质中加入石灰石颗粒,一般基质底层的厚度约30~45cm[8]。湿地中水生植物包括挺水、浮水和沉水植物,包括芦苇、香蒲、浮萍等。值得注意的是,厌氧湿地中水生植物的根系不能穿透基质表层进入底部,否则会导致多余氧的进入而影响硫酸盐还原菌的生长。
  (3)缺氧石灰石沟渠(Anoxic Limestone Drains,ALDs)
  ALDs也属于被动处理技术的一种,它是将粒径为8~25cm的石灰石颗粒放置在反应沟中,然后粘土、塑料膜密封压实,使缺氧的矿山酸性废水靠重力水平流过反应沟[11]。为避免AMD流出接触空气,ALDs通常建于地下,反应沟中的石灰石颗粒处在缺氧环境下,可有效增加系统CO2分压,加速石灰石颗粒的溶解,提高系统出水的pH值。ALDs处理系统的使用寿命一般为15-25年,在处理DO、Fe3+、Al浓度较低的酸性废水中具有明显优势,因此常被用作湿地及其它处理系统的预处理。研究表明[12],当DO、Fe3+、Al浓度分别大于1mg/L时,氧化作用即会发生,形成的Fe(OH)3和Al(OH)3沉淀会对石灰石颗粒形成包裹作用,并堵塞系统的正常运行,从而影响出水水质。
  (4)连续碱生产系统(Successive Alkalinity Producing Systems,SAPS)
  SAPS技术[4]是专门为治理矿山酸性废水而开发的新型处理技术,由Kepler和McCleary 于1994年首次提出并申请专利,它是厌氧湿地技术和ALDs技术的结合,在构造和污染物去除机理上类似于厌氧—垂直流人工湿地,系统综合利用了硫酸盐还原菌(SRB)对硫酸盐的去除能力和石灰石在厌氧条件下能提高溶解速率的理论。系统利用SRB还原硫酸盐产生的H2S和废水中的重金属离子反应,生成难溶的金属硫化物从而去除重金属离子,但也有人认为处理过程中产生的碱度也有利于金属离子以氢氧化物的形式去除[13]。但在处理Fe、Al含量较高的废水时,可能会被Fe、Al的硫化物或氢氧化物沉淀所堵塞,因此需要定期冲洗维护[14]。该技术对Fe、Al的去除效果很好,但对Mn的去除效果很不理想,比如在美国科罗拉多州Summitville矿区对SAPS处理效果的监测,Fe、Al、Cu的处理效果都较好,而锰的去除率仅为11%[2],肖利萍[15]等的SAPS实验室研究也证明了这一点。
  (5)好氧石灰石沟渠(Open Limestone Drains, OLDs)
  OLDs是一种较为简单的被动处理AMD方法,使有一定DO的废水流入一个填满石灰石的露天沟渠中进行中和反应,以此提高废水的pH值,去除部分金属离子。OLDs池体在设计时底部要有一定坡度,从而保证废水在池中的流速能使生成的氢氧化物沉淀以悬浮的状态进入后续沉淀池而被去除,典型的OLDs池底的设计坡度应不小于20%[16],对于酸度为500~2600mg/L的酸性矿山废水,最佳的设计坡度为45~60%[8]。通常,当废水流量较大时系统会出现石灰石溶解速率过慢、容易钝化、堆积和移动等缺点。因此,一般将好氧石灰石沟渠系统与其他被动处理系统联合使用。
  (6)可渗透反应墙(Permeable Reactive Barriers, PRB)
  PRB是目前在欧美等发达国家新兴的用于原位去除地下水中污染物质的方法。根据美国环保署(EPA)的定义[17] “PRB”是一个填充有活性反应材料的被动反应区,当污染地下水通过时污染物能被降解或固定。其中污染物靠自然水力传输通过预先设计好的介质时,溶解的有机物、金属等污染物被降解、吸附或沉淀而去除。应用PRBs技术处理AMD始于1995年,常见的反应介质有零价铁、石灰石、活性炭、沸石等[18],此外,为给硫酸盐还原菌的生长提供碳源,通常要在反应介质中加入一些有机物质如木屑、锯末等[19]。Conca等[20]在美国Success矿附近修建的PRB处理矿尾矿库排水,结果显示,地下水中Pb、Zn和Cd的浓度降低99%;pH值增加到6.5~7.0;硫酸盐浓度从250 mg/L降到35 mg/L~150 mg/L。
  除此之外,对于AMD的被动处理技术还有硫酸盐还原生物反应器(Sulfate Reducing Bioreactor,SRB)和石灰石过滤床(Limestone leach beds,LSB)。SRB从严格意义上说属于生物处理方法的一种,其结构类似于厌氧垂直流湿地,所需占地面积较小[21]。LSB是人工建造的水池,用来处理很少或没有碱度和金属离子的酸性废水[22]。
  表2  六种被动处理酸性矿山废水方法的比较

系统类型

优点

缺点

适用条件

设计参数或设计负荷

好氧湿地

对一定范围内的污染物有很好的处理效果,通常可达标排放

占地面积大,出水水质易受环境和气候变化影响

适于处理含有一定净碱度的废水,且有充足的土地可利用

1020 g Fe/m2/d

0.51.0 g Mn/m2/d

厌氧湿地

对提高pH值和降低SO42-、金属污染物浓度有很好的效果

占地面积大,基建和投资费用较高

适于处理含有一定净酸度的废水,且有充足的土地可利用

3.5 g酸度/m2/d

2436 h 停留时间

ALDs

提高pH效果显著,投资、运行和维护费用都很低

不易去除金属离子,需要后续处理,系统易堵塞

可作为湿地处理系统的预处理,适宜处理低DO,Fe3+,Al浓度的酸性废水(一般浓度<1mg/L

15 h 停留时间

SAPS

对金属离子的去除效果显著,占地面积小、运行和维护费用较低

需要定期冲洗和维护,系统对锰的去除效果较差

适用于处理各种类型的矿山酸性废水,尤其是含有高SO42-、高Fe2+的废水

1530 cm有机质层

15 h 停留时间

20 g酸度/m2/d

OLC

施工简单,基建费用低,管理维护较方便

处理效果比其他方法相对较差

适用于对出水水质要求不高的偏远地区

酸度负荷和停留时间

池底设计坡度>12%

PRBs

处理能力强、使用寿命长、无需动力消耗,不占用地面面积

需要定期更换反应介质,由于工艺新,技术相对不成熟

适用于易施工、水文地质条件好的地下水贫乏的地区,属于地下水修复技术

反应墙的厚度

水力停留时间

 

  3  被动处理方法的选择及应用


  通常,单一的处理方法容易受到水量水质的波动和一年中不同季节的温度变化所影响,如冬季,一般AMD流量小,金属污染物浓度高,且由于温度较低,系统对污染物的去除效果较差,而夏季则正好相反[23]。因此,根据矿山排水的流量、水化学特征和当地气候条件的不同,可以选择不同的被动处理技术方法,或把两种或两种以上的被动处理方法联合使用。Champagne等[24]利用“氧化池+沉淀池+泥炭生物过滤器+SRB+ALD”处理人工合成的AMD废水的实验室研究表明,该系统能够使pH值从3.2升高到7.0,SO42-浓度从3140 mg/L降低到1010 mg/L,对Fe、Al、 Zn、Mn、Cu等的去除率都达到90%以上。Whitehead等[25]在英国Cornwall 地区修建了“ALD+好氧池+SRB生物反应器+3个石灰石滤床”联合系统来处理Wheal Jane矿的酸性排水,处理效果明显。图1列出了针对不同酸性矿山废水设计的被动处理方法流程。
  相对于传统的石灰石中和、硫化物沉淀等“主动处理”方法来说,“被动处理”方法具有的独特优势(作用时间长、处理能力强、施工方便、尤其是投资和维护费用低)使得它被广泛应用在矿山废水治理领域,尤其在美国、加拿大等地应用普遍,且已获得了很好的处理效果和工程设计经验。目前,该项技术正日益受到众多国家的青睐,英国、韩国、西班牙等地也在不同程度的开发和应用被动处理技术。
 
  4  结语


  被动处理酸性矿山废水在中国应用很少,除人工湿地技术有部分工程应用外,其它用于治理AMD的很多方法还处于起步和实验研究阶段,如SAPS、PRB和SRB等。目前我国治理矿山废水尤其是酸性矿山废水常用的方法即是石灰石中和法,此种方法虽收效快,但需定期投加大量石灰石,后期运行和维护费用很高,因此不宜长期使用。而“被动治理”技术处理AMD具有的地域优势和成本优势使它非常适宜应用在中国矿山分布区,尤其是经济欠发达的偏远山区,因此,被动处理AMD在中国作为一项新技术,有非常广阔的应用前景和发展空间,应加大试验研究和工程实践。
   
  参考文献
  [1] Christine Costello. Acid Mine Drainage: Innovation Treatment Technologies[M]. Washington, DC: U.S. Environmental Protection Agency, 2003.
  [2] 刘文颖,肖利萍,梁冰. 矿山酸性废水治理的研究及SAPS技术展望[J]. 矿业研究与开发, 2008, 28(1): 71-73.
  [3] D.Barrie Johnson, Kevin B .Hallberg. Acid Mine Drainage Remediation Options:A review[J]. Science of the Total Environment, 2005(338): 3-14.
  [4] Younger, Paul, Banwart, Steven A, Hedin, Robert, S. Mine Water: Hydrology, Pollution, Remediation [M]. The Netherlands: Kluwer Academic Press, 2002.
  [5] B. Gazea, K. Adam , A. Kontopoulos. A Review of Passive Systems for the Treatment of Acid Mine Drainage [J]. Minerals Engineering,1996, 9(1)pp: 23-42.  
  [6] 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): 1-2.  
  [7] Cravotta III, C.A. Passive aerobic treatment of net-alkaline, iron-laden drainage from a flooded
  underground anthracite mine, Pennsylvania, USA [J]. Mine Water Environ, 2007 (26): 128-149.
  [8] Ziemkiewicz, P.F., J.G. Skousen, J. Simmons. Long-term Performance of Passive Acid Mine
  Drainage Treatment Systems [J]. Mine Water and the Environment, 2003 (22): 118-129.
  [9] Karathanasis A.D., C.M. Johnson. Metal Removal Potential by Three Aquatic Plants in an Acid Mine Drainage Wetland[J]. Mine Water and the Environment, 2003 (22): 22-30.
  [10] Paul L Younger. The Adoption and Adaptation of Passive Treatment Technologies for Mine Waters in the United Kingdom [J]. Mine Water and the Environment, 2000 (19): 84-97.
  [11] George R. Watzlaf, Karl T. Schroeder, Candace L. Kairies. Long-term Performance of Anoxic Limestone Drains[J]. Mine Water and the Environment, 2000 (19): 98-110.
  [12] Cravotta III, C.A., Trahan M.K. Limestone drains to increase pH and remove dissolved metals from acidic mine drainage[J]. Applied Geochemistry, 1999 (14): 581-606.
  [13] Kepler D., McCleary E. Successive Alkalinity Producing Systems for the 2003 West Virginia Surface Mine Drainage Task Force Symposium. 2003. http://www.wvu.edu/agexten /lan- drec / 2003TFS/Kepler03.pdf.
  [14] Jayanta Bhattacharya, Sang Woo Ji, Hyeon Seok Lee, eta1. Treatment of acidic coal mine drainage: design and operational challenges of successive alkalinity producing systems [J]. Mine Water Environ, 2008 (27): 12-19.
  [15] 肖利萍,刘文颖,褚玉芬. 被动处理技术SAPS处理酸性矿山废水实验研究[J]. 水资源与水工程学报, 2008,19(2): 12-15.
  [16] Green R., T. D. Waite, M. D. Melville, eta1. Effectiveness of an Open Limestone Channel in Treating Acid Sulfate Soil Drainage [J]. Water Air and Soil Pollution, 2008(191): 293-304.
  [17] 王俊辉, 宋玉. 地下污染水原位处理PRB技术研究进展[J]. 中国资源综合利用, 2007, 25(10): 26-29.
  [18] Gibert, O., J. de Pablo, J.L. Cortina, eta1. Evaluation of municipal compost/ limestone/ iron mixtures as filling material for permeable reactive barriers for in situ acid mine drainage treatment [J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2003(78): 489–496.
  [19] Blowes, D.W., C.J. Ptacek, S.G. Benner, eta1. Treatment of inorganic contaminants using permeable reactive barriers [J]. Contam. Hydrogeol, 2000(45): 123-137.
  [20] Conca J L, Wright J. An Apatite II permeable reactive barrier to remediate ground water containing Zn, Pb and Cd[J]. Applied Geochemistry, 2006(21): 1288-1300.
  [21] Carmen-Mihaela Neculita, Gerald J. Zagury, Bruno Bussiere. Passive Treatment of Acid Mine Drainage in Bioreactors using Sulfate-Reducing Bacteria: Critical Review and Research Needs [J]. Journal of Environmental Quality, 2007(36): 1-16.
  [22] Simmons J, Ziemkiewicz P, Black D. Use of steel slag leach beds for the treatment of acid mine drainage: the McCarty Highwall Project [D]. Proc, 19th ASMR Conf, Lexington, KY, 2002 pp 527-529.
  [23] Johnson, D.B., K.B. Hallberg. Pitfalls of passive mine water treatment [J]. Rev. Environ. Sci. Biotechnology, 2003(1): 335–343.
  [24] Champagne P, Van Geel P, Parker W.  A bench-scale assessment of a combined passive system to reduce concentrations of metals and sulphate in acid mine drainage[J]. Mine Water Environ, 2005(24):124-133.
  [25] Whitehead PG, Hall G, Neal C, eta1. Chemical Behaviour of the Wheal Jane bioremediation system[J]. Science of the Total Environment, 2005(338): 41-51.
   
  
  1基金项目:贵州省科技计划项目(社会发展攻关)(黔科合SY字[2009]3059);贵州省优秀青年科技人才基金项目(黔科合人字(2009)19号)
  作者简介:张瑞雪(1979-),女,河北邢台人,硕士,讲师,研究方向为水污染控制理论与技术。
  E-mail:zhangxuer7908@126.com
  *通讯作者:吴攀(1973-),男,贵州黎平县人,博士,教授,E-mail: pwu@gzu.edu.cn

 
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