周坤強(qiáng)宛 鶴張崇輝鄧 強(qiáng)劉 飛

（1.西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)中心實(shí)驗(yàn)室；3.金堆城鉬業(yè)股份有限公司）

貴州是我國(guó)南方最重要的煤炭生產(chǎn)基地，隨著煤炭資源的開(kāi)采和利用，產(chǎn)生了大量的酸性礦井水，對(duì)周邊自然水體和土壤產(chǎn)生了影響，對(duì)煤礦酸性廢水中有害元素的形成機(jī)理和治理研究已成為礦山環(huán)境治理中的一個(gè)熱點(diǎn)。

礦山酸性廢水治理的方法很多，如中和法、沉淀法、氣浮法、混凝法、反滲透法、氧化還原法、離子交換法、吸附法、電滲析法、溶劑萃取法、生物處理法及液膜法等［1-2］。其中，中和法、沉淀法、混凝法在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)用最為廣泛［3-5］。向酸性廢水中投加堿性中和劑，一方面可使廢水的pH 值接近中性，另一方面可使廢水中的重金屬離子與中和劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成溶解度較小的氫氧化物沉淀［6］，最常用的中和劑是石灰［7］。為了提高處理效果，常將中和法與沉淀法、絮凝法組合使用［8］。常用的絮凝劑包括硫酸鋁、硫酸鋁鉀和聚丙烯酰胺［9-10］，他們可與廢水中的一些重金屬離子形成不溶或難溶的硫化物或碳酸鹽沉淀。向廢水中投加混凝劑或絮凝劑可破壞膠體的穩(wěn)定性，使細(xì)小懸浮顆粒和膠體顆粒聚集成較粗大顆粒，促進(jìn)污染物沉降與沉淀［11-13］。因此，絮凝法一般是配合中和法或者沉淀法使用。為此，以貴州省五馬河流域桑樹(shù)灣煤礦廢水為例，研究中和—沉淀—混凝工藝對(duì)酸性礦山廢水處理效果的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 樣品性質(zhì)

試驗(yàn)所用酸性廢水取自貴州五馬河流域內(nèi)的桑樹(shù)灣煤礦的主井和副井，委托貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

主、副井廢水與生活用水水質(zhì)相比pH 值較低，pH 值在3.0～4.0，pH 值小于6，屬于酸性礦井廢水。酸性廢水中的金屬離子主要以鐵、錳離子為主，主要是煤層當(dāng)中的含鐵、錳的氧化物、硫化物、碳酸鹽等礦物溶解形成；其他金屬離子含量較低，達(dá)到排放要求。主井鐵、錳含量分別為398.895，15.170 mg/L，副井鐵、錳含量分別為3.618，0.803 mg/L，具有鐵含量明顯大于錳含量、主井含量明顯大于副井含量的特點(diǎn)。同時(shí)，廢水中含有一定的懸浮物，可能是煤屑、木屑、巖粉和黏土等微細(xì)顆粒物。

1.2 試劑及儀器

試驗(yàn)用試劑為氧化鈣、硫化鈉、硫酸鋁等。試驗(yàn)用儀器為磁力攪拌器、原子吸收分光光度計(jì)、PHS-3C酸度計(jì)等。

1.3 試驗(yàn)方法

取200 mL 桑樹(shù)灣煤礦主井酸性廢水（原水），依次經(jīng)過(guò)預(yù)氧化、pH 值調(diào)整、沉淀處理等步驟，然后過(guò)濾，測(cè)量濾液中的金屬離子濃度。按下式計(jì)算酸性廢水中的金屬去除率，試驗(yàn)工藝流程見(jiàn)圖1。

式中，R為去除率，%；C0為處理前溶液中金屬的濃度，mg/L；C為處理后溶液中重金屬的濃度，mg/L。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)正交試驗(yàn)，探討沉淀處理?xiàng)l件對(duì)酸性廢水中Fe、Mn 去除率的影響。選擇預(yù)氧化時(shí)間、pH 值調(diào)整劑用量、沉淀劑用量3 個(gè)主要因素（依次為因素A、B、C）進(jìn)行研究，每個(gè)因素取3 個(gè)水平，并選用L9（34）正交表安排試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表2，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3 可知，通過(guò)三段工藝處理，酸性廢水中的Fe去除率在78.52%～99.58%，Mn去除率在18.67%～87.15%，Mn去除率變化范圍明顯大于Fe；試驗(yàn)8所得Fe 去除率最高，為99.58%，試驗(yàn)5 所得Mn 去除率最高，為87.15%。

對(duì)表3進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4 可知，3 個(gè)因素對(duì)酸性廢水中Fe 去除率的影響程度依次為A＞B＞C；對(duì)酸性廢水中Mn 去除率的影響程度依次為C＞A＞B。其中，預(yù)氧化時(shí)間對(duì)酸性廢水中Fe去除率影響顯著，pH 值調(diào)整劑用量對(duì)Fe去除率有一定影響，沉淀劑用量對(duì)酸性廢水中Mn 去除率影響顯著，預(yù)氧化時(shí)間對(duì)Mn 去除率有一定影響。

2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)及結(jié)果

在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定沉淀處理酸性廢水中Fe、Mn 的最佳優(yōu)化方案為A3、B2、C3，最優(yōu)條件下進(jìn)行5組驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)，在最優(yōu)方案下，酸性廢水中Fe 平均去除率為99.57%，Mn 平均去除率為88.26%；5 次重復(fù)試驗(yàn)中Fe 去除率在99.50%±0.20%以?xún)?nèi)，Mn去除率在88.20%±0.30%以?xún)?nèi)，說(shuō)明正交試驗(yàn)組合的最優(yōu)方案試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性良好，結(jié)果穩(wěn)定。

2.3 絮凝試驗(yàn)研究

絮凝試驗(yàn)是為了使酸性廢水中通過(guò)中和—沉淀作用已形成的懸浮微小顆粒集聚變大，加快微細(xì)顆粒地聚沉，從而有利于固-液分離的進(jìn)行。硫酸鋁絮凝劑加入后攪拌3 min，然后靜止60 min，濁度測(cè)量抽取靜止上清液，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2 可見(jiàn)，隨著絮凝劑用量的增大，溶液中懸浮的細(xì)小顆粒明顯減少，濁度逐漸降低；當(dāng)硫酸鋁用量在40 mg/L 以上時(shí)，上清液的濁度趨于平穩(wěn)；因此，絮凝劑硫酸鋁最佳用量為40 mg/L。

3 結(jié) 論

（1）正交試驗(yàn)表明，預(yù)氧化時(shí)間對(duì)酸性廢水中Fe去除率影響顯著，pH 值調(diào)整劑用量對(duì)Fe 去除率有一定影響，沉淀劑用量對(duì)酸性廢水中Mn 去除率影響顯著，預(yù)氧化時(shí)間對(duì)Mn去除率有一定影響。在Fe的去除過(guò)程中，應(yīng)使酸性廢水中的Fe2+充分轉(zhuǎn)化為Fe3+。

（2）經(jīng)過(guò)正交試驗(yàn)方案優(yōu)化，該工藝適宜的條件為預(yù)氧化時(shí)間3 min，pH 值調(diào)整劑用量2 g/L，沉淀劑用量150 mg/L；在最優(yōu)條件下，酸性廢水中Fe 去除率為99.57%，Mn去除率為88.26%，指標(biāo)理想。