矿山废水处理及其对水质改善效果的实验研究

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M anagement and other 矿山废水处理及其对水质改善效果的实验研究
张 凯
摘要：在矿山资源开采中会产生大量废水，其中含有多种污染物，包括重金属、有害化学物质、悬浮固体等，若未经处理直接排放将对环境造成严重影响，威胁水体生态和人类健康。

为改善矿山生态环境，必须加强矿山废水处理技术研究，选择适宜的废水处理技术工艺，去除矿山废水污染物，保障矿山企业安全环保生产。

对此，本文首先对矿山废水的主要成分进行介绍，然后对矿山废水处理中的常用技术类型进行分析，并结合实例开展实验研究，对矿山废水处理实验与效果进行详细探究。

关键词：矿山废水；处理；实验
在我国能源构成中，煤炭占比超过70%，在促进国家经济发展方面发挥着关键作用。

在煤矿的开采过程，涉及复杂的地面及地下作业，不可避免地会对周围的水资源造成不良影响，导致矿区发生井泉干涸和地表岩溶塌陷等问题。

矿井水在排放过程中，需经历多种物理和化学反应，含有多种污染物，包括重金属、有害化学物质、悬浮固体等，如果未经处理而直接排放，则会对于生态环境与人类生存发展的危害性较大。

现如今，社会各界对于生态环保的关注度与要求均显著提升，基于此，必须强化矿山废水处理，将其作为环境工程和可持续发展的重要议题。

因此，对矿山废水处理技术展开深入研究迫在眉睫。

1 矿山废水的来源与危害性
1.1 矿山废水的来源
在矿山开采中，废水主要来源于多个环节大量水源。

首先，在矿山开采过程中，在抑尘、矿石运输和矿物处理环节，需使用大量水资源，在与矿石和矿物接触后转化为废水；其次，在矿石加工和洗选过程中，水在经过破碎、筛选、浮选等环节后可能含有有害化学物质和重金属；再次，地下水渗入矿井也是废水的一个重要来源，雨水经过露天矿区和废石堆流动时，溶解并携带有害物质，如重金属和酸性物质，形成废水；最后，尾矿库中的废矿石和加工剩余物与水的接触，也会造成水资源受到污染。

这些废水若未经妥善处理，将对环境造成严重影响，因此有效的矿山废水管理和处理是确保环境保护的关键环节。

1.2 矿山废水的危害
矿山废水中含有多种对生态系统和人类健康构成威胁的污染物，包括如铅、汞、镉、砷、铜和锌等，这些金属能够在生态系统中累积，对野生动植物和人类健康产生严重影响。

此外，矿山废水通常具有酸性特征，尤其是硫化矿的开采产生的废水，被称为酸性矿山排水（AMD），含有高浓度的硫酸和重金属，且矿山废水中还含有大量的悬浮固体颗粒，可增加水体的浊度，影响水生生物的生存。

同时，在采矿过程中，需使用各类化学物质，如氰化物、硫化物等，当进入废水中后，即可构成化学污染。

除此以外，矿山废水含有高浓度的溶解固体，如盐分，可使得水体的化学平衡受到破坏。

因此，矿山废水的成分十分复杂，对于水环境的危害性较大，为改善矿山生态环境，必须加强废水处理技术研究。

2 矿山废水处理技术
2.1 高悬浮物矿井水处理技术
在矿井水中，大约60%的矿井排水量中含有大量悬浮物，这类废水的水质相对较为简单，处理方式便捷。

在我国矿井水资源化进程中，高悬浮物矿井水处理至关重要，并且已经积累了丰富的处理经验。

在高悬浮物矿井水处理中，通过混凝、沉淀、过滤和消毒等一系列工序，有效去除废水中的悬浮固体和特定溶解物质，即可达到生产用水和生活饮用水的标准。

目前，国内许多矿山在对矿井废水进行处理时，首先需对水质参数开展具体分析，然后结合水质特征，选择适宜的处理技术，并优化组合，制定形成完善的处理方案，并通过强化常规处理工艺等方式，有效降低成本，保证废水处理的高效性和经济性。

2.2 高矿化度矿井水处理技术
高矿化度矿井水，又称为矿井苦咸水，通常在经过标准的混凝和沉淀处理后，还需进行更深层次的净化处理。

目前，在这类矿井水处理中，主流技术有两种，包括离子交换法和膜分离工艺。

其中，离子交换是矿山废水处理中的常用化学技术，通过使用特定的离子交换树脂或介质，可去除废水中的特定离子，如铅、铜、锌等。

离子交换技
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术的针对性和效率均比较高。

另外，在膜分离工艺方面，反渗透（RO）和电渗析（ED）技术的应用较为常见，RO 技术可利用压力差有效溶解并去除废水中的盐类物质，而ED技术则依靠电流驱动，以去除水中的矿物盐类及其他带电物质。

2.3 酸性矿井水处理技术
矿山酸性废水广泛存在，水质特征十分复杂，其所造成的污染问题具有持续性特征，对生态环境可构成严重威胁，因此，酸性废水的处理方法一直是研究领域关注的焦点。

在国内，常用的处理技术包括中和法、人工湿地法和吸附—中和法等。

其中，中和法主要用于调整废水的pH 值，尤其是针对酸性矿山排水（AMD）。

向废水中添加碱性物质，如石灰、苏打灰或石灰石，即可中和废水中的酸性成分，通过调节pH值，有助于减少废水中重金属的溶解度，由此沉淀和去除金属杂质，同时还可减轻废水的腐蚀性；而人工湿地法则通过构建特制的塘池，填充土壤、砂子、卵石、砾石或矿渣等多种介质或混合物，利用这些介质中所发生的物理、化学和生化反应，可净化流经的酸性废水。

与传统的石灰中和和硫化物沉淀方法相比，人工湿地法具有更长的处理周期、更强的处理能力、高效率及低成本等显著优势，因此，该项技术的应用较为常见。

2.4 含重金属矿井水处理技术
重金属在食物链中的迁移和积累对人类健康构成了严重威胁。

由于重金属具有稳定性，不易被生物降解或化学分解，因此在处理这类污染物时，通常采用将其从环境中转移和改变其化学形态的策略。

例如，混凝沉淀工艺可以将溶解状态的重金属离子转换成难溶的化合物，方便其后续的收集和处理。

此外，离子交换法则通过特定的树脂或介质实现重金属的有效移除，活性炭吸附法则利用活性炭的吸附特性去除水中的重金属，而反渗透法则利用半透膜对重金属离子进行高效过滤。

上述各类处理技术均各有特征，旨在降低重金属对环境和人体的危害。

在实际应用中，常根据废水的具体特点和处理要求，采用单一或多种方法的组合，以达到最佳的处理效果。

2.5 含有机物矿井水处理技术
矿山废水通常因人类活动而含有微量有机物。

在矿井水处理中，膜分离技术的应用较为常见，膜材料对水质的纯净度有严格要求，因此必须对水中的有机物进行有效处理，以防止膜材料受污染，同时也确保水质安全。

目前，针对这一问题，在废水处理中，可应用混凝沉淀法、生物预处理、吸附法、膜分离和生物氧化塘等。

由于矿山废水中的有机物含量相对较低，一般不是废水处理中最为主要的去除目标，因此，对于上述技术，可应用于废水预处理环节。

3 矿山废水处理实验分析
3.1 材料与方法
3.1.1 试剂及仪器
在本次实验研究中，结合矿山废水成分分析，人工模拟矿山废水，pH值为3。

在本次实验中，需应用多种试剂材料，包括NaHCO3、酚酞、MgSO4·7H2O、NaOH、CaSO4·H2O、无水Na2CO3、HNO3等。

另外，还需准备各类实验仪器设备，包括TOC测定仪、超声波清洗器、紫外分光光度计、离心机、pH计等。

3.1.2 实验装置及启动
设计连续流动的柱式反应器，其是由有机玻璃构造、蠕动泵、各种阀门和橡胶塞等所构成的。

进水方式为连续式，由蠕动泵进行控制，以确保在装置内部实现24h的水力停留时间。

在本次实验反应器设计中，选用3种填料，包括有机秸秆堆肥（DF）、虾蟹壳（XXK）和石英砂（SYS），其中，对于SYS可作为惰性填充物，在实验前，首先采用25%的HNO3，对SYS浸泡24h，再应用自来水清洗3次，再应用去离子水再清洗3次。

清洗后的石英砂，放入至烘箱中，将温度设定为105℃，保证SYS充分干燥。

在本次实验之前，对于所有填料，还需持续7d预处理。

虾蟹壳中含有几丁质、CaCO3和蛋白质等。

此外，为明确填料的粒径及其组成，可使用元素分析仪和筛网展开分析。

在本次矿山废水处理实验中，为了能够准确评估废水处理效果，共设计7个不同填料分组，在所有分组中，均应用50g底泥和500g石英砂填料，在此基础上，100%DF 反应器中为50g堆肥；25%XXK+75%DF反应器中有12.5g虾蟹壳、37.5g堆肥；50%XXK+50%DF反应器中有25g虾蟹壳、25g堆肥；60%XXK+40%DF反应器中有30g 虾蟹壳、20g堆肥；70%XXK+30%DF反应器中有35g虾蟹壳、15g堆肥；80%XXK+20%DF反应器中有40g虾蟹壳、10g堆肥；100%XXK反应器中为50g虾蟹壳。

采用便携式测量仪器和相关设备，对采样柱中废水的关键指标进行测定，包括废水的pH值、氧化还原电位、NH4+和SO42-；再对样品的酸性和碱性进行测量。

本次实验操作严格依据《水和废水监测分析方法》，以确保数据的准确性和可靠性。

3.2 结果与分析
3.2.1 pH值、碱度变化情况
在实验开始后的第10d，对所有装置中废水进行观察和检测，pH值均超过6。

其中，pH值最高的一组甚至达到
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8.0以上。

在40min内，100%DF反应器废水pH值下降至5以下，在不同反应器中，如果所加入的虾蟹壳比较多，则pH值的下降速度越缓慢。

100%DF反应器中仅由有机秸秆堆肥，在实验至第10d，废水的pH值增加至8.3，但到第40min时，降低至4.8。

25%XXK+75%DF反应器、50%XXK+50%DF反应器、60%XXK+40%DF反应器、70%XXK+30%DF反应器、80%XXK+20%DF反应器，分别经60min、80min、80min、90min、90min，pH值降至5以下。

在连续进水初始阶段，所有反应器中废水的碱度均比较高，至第10d，经检测，碱度在400mg/l-1～1800mg/ l-1之间。

因此，在废水处理早期，碱度可有效中和进水的酸度，以调节废水pH至，随着虾蟹壳的不断增加，前期碱度比较高。

但是，当反应时间持续延长，反应器的碱度均有所降低，至第100d，几乎所有装置的碱度都降至很低的水平。

100%DF反应器、25%XXK+75%DF反应器、50%XXK+50%DF反应器、60%XXK+40%DF反应器、70%XXK+30%DF反应器、80%XXK+20%DF反应器，分别经50min、60min、70min、80min、90min，碱度降低至100mgCaCO3/l，另外，100%XXK反应器的碱度维持在100mgCaCO3/l以上。

通过实验观察，废水中的pH值和碱度均比较高，对于虾蟹壳，可作为优质的有机质底材料。

碱度的产生受到三种因素的影响。

其一，虾蟹壳材料中的碳酸钙（CaCO3）的溶解作用；其二，蛋白质和几丁质在发酵过程中产生碱度；其三，硫酸盐在还原过程中产生碱度。

3.2.2 有机碳变化情况
在硫酸盐的还原过程中，微生物的活性和效率依赖于碳和氮这两种关键的营养物质。

在填料的驯化阶段，有机底质持续进行水解作用，并且释放出大量NH4+以及有机碳。

随反应时间的变化，有机碳的含量也会随之调整。

在反应器运行的第10d，有机碳含量达到最大值，如果填料中虾蟹壳的用量比较大，则有机碳含量也比较多。

例如，通过对完全由虾蟹壳构成的填料进行检测，有机碳含量的最高值为3157mg·l-1，而不含虾蟹壳的装置中，有机碳含量仅为365mg·l-1。

另外，随着反应时间的增长，实验装置内的有机碳含量会逐渐下降。

在反应的第100d，所有反应器有机碳含量均为100mg·l-1以下，在反应的前60d以内，各装置的有机碳含量下降速度较快，之后趋于稳定。

3.2.3 硫酸盐还原
在本次实验中，对系统中的SO42-浓度进行检测，如果有所降低，则说明SO42-已发生还原反应，由此形成S2-。

在完成本次实验后，对填料进行观察和检测，有黑色沉淀，且伴有恶臭气味，已形成H2S气体。

另外，对各反应器进水SO42-浓度进行检测，在1300mg·l-1～1400mg·l-1之间，反应时间不同，SO42-浓度存在较大差异。

第10d，各反应器的SO42-浓度均达到最大值。

100%DF反应器中没有虾蟹壳，SO42-浓度没有发生明显变化，而其他反应器中，虾蟹壳添加量越大，则SO42-浓度降低持续的时间比较长。

可见，随着虾蟹壳添加量的增加，SO42-还原能力不断增强。

3.3 水质改善效果
在本研究中，模拟酸性矿山废水，设计7中填料反应器。

对各类反应器的出水进行检测分析，重点关注反应时间对水质指标浓度的影响，包括pH值、碱度、溶解有机碳（DOC）以及硫酸根离子。

水质改善效果分析如下。

①pH值的变化。

实验开始后的第10d，所有反应器中废水的pH值均能够达到6以上，虾蟹壳用量越大，高pH 值可维持时间越长。

如果装置中的所有填料均由虾蟹壳构成，则在本次实验反应全过程中，废水pH值均能够稳定在5以上。

②反应器中虾蟹壳用量大，则在实验反应初期，碱度比较大，随着反应的不断延长，所有反应器的碱度均持续降低。

③有机碳含量。

如果装置中的填料的虾蟹壳含量比较高，则有机碳含量也越高。

④硫酸根浓度的变化。

所有装置在实验的第10d，SO42-浓度达到峰值。

装置中虾蟹壳含量越高，SO42-去除效率越高，并且去除效果维持的时间越长。

4 结语
综上所述，矿山废水处理技术的研究与发展是一个多维度、跨学科的领域，涉及环境科学、化学工程、生物工程等多个学科。

随着技术的进步和环境标准的提高，这一领域将继续发展和革新，以更好地保护水资源和环境。

本文主要结合实例，对矿山废水处理中的技术类型与应用策略进行详细探究，根据实验分析，废水处理效果十分显著。

在矿山废水处理中，涉及多种技术类型，要求结合废水成分、处理要求等制定技术方案，保证矿山废水处理效果。

（作者单位：山西省地质勘查局二一七地质队有限公司）
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