煤礦水污染治理技術的應用研究

尉 飛

（山西鄉寧焦煤集團申南凹焦煤有限公司，山西 臨汾 042100）

0 引言

以某廢棄礦坑為研究對象，在礦坑中存有大量的煤礦廢水，根據估算，礦坑中廢水的存量達到了1 400 m3。這些廢水不僅長期滲入地下，影響礦區周圍的地下水質，而且每當下雨時礦坑中的水會溢出，不僅給礦坑周圍的地表植被帶來了嚴重影響，甚至礦坑水會流入到附近的小溪內，造成河流污染。由于該位置地處偏僻而且交通不便，因此長期以來的處理措施主要是采用了沉淀法和氧化還原法進行凈化，但沉淀法處理周期和費用較高，氧化還原法則對污水中的重金屬離子祛除效果差，難以滿足煤礦廢水的凈化處理需求[1]。

在對礦區廢水成因和廢水成分進行分析的基礎上，提出了一種新的礦井廢水處理技術，基于石灰石和石灰乳的二段中和凈化工藝技術。現將污水中的Fe2+進行氧化，形成Fe3+，然后再在污水中加入石灰乳，對廢水的酸堿度進行調整，促進廢水中的金屬離子生成氫氧化物沉淀，祛除污水中的大部分金屬離子，最后再加入重金屬捕集劑來祛除污水中剩余的金屬離子，從而達到對煤礦廢水的徹底治理。

1 礦區廢水來源及成分分析

礦區廢水的來源一方面是在煤礦在開采過程中的井下涌水，另一方面是礦區生活廢水和自然雨水的匯聚。在對礦區廢水進行采樣分析后發現廢水中的酸堿度偏低且在水中存在著大量的鐵離子、鎘離子、錳離子、銅離子等重金屬離子。這主要是礦區內的煤礦及巖石中含有角度的重金屬，再加上雨水的長期沖刷、蒸發等，導致煤礦廢水中的重金屬離子含量不斷增加，礦區廢水情況匯總如表1 所示。

優化前對煤礦污水的處理主要是采用了沉淀法和氧化還原法[2]，先將污水在靜置池中進行靜置沉淀，然后再轉入到氧化還原池內進行氧化還原處理。但經過長期應用發現，由于礦區廢水的成分比較復雜，該處理方案難以對其進行徹底的凈化處理，在凈化后的水體中依舊含有大量的重金屬離子。

2 新型凈化處理方案研究

為了提高對煤礦污水的處理效果，減少污水對環境的影響，提出了一種新的綜合污水治理技術，將空氣氧化、中和沉淀和硫化沉淀相結合，從而實現對礦井污水的徹底凈化。為了對該綜合凈化處理效果進行研究，進行了針對性的試驗驗證。

2.1 試驗材料及方案

取煤礦污水600 mL，質量分數為25%的氫氧化鈉溶液100 mL、氧化鈣粉末50 g、質量分數為1 g/L的聚丙烯酰胺50 mL，質量分數為2 g/L 的硫化鈉50 mL。在試驗時首先把取50 mL 的煤礦污水，然后通過加入氫氧化鈉溶液和氧化鈣將煤礦污水的pH 值調節成7。將調整為中性的煤礦污水加入到六聯混凝攪拌設備來模擬煤礦污水的混凝-沉淀過程，最后再利用ICP-MS 對處理后的污水進行檢測[3]。

2.2 凈化結果分析

因為煤礦廢水呈酸性，因此在對其凈化處理的第一步時，常用的pH 調節劑主要是氫氧化鈉和氧化鈣，兩種物質的調節效果，如表2 所示。

表2 不同pH 值調節物質的調節效果對比表

由實際調節效果來看，要將0.5 L 的煤礦廢水調節到中性狀態，需要5.9 mL 的氫氧化鈉溶液或者1.2 g的氧化鈣溶液。根據兩種物質的價格來算，若要處理1 000 m3的污水需要投入的氫氧化鈉溶液的成本約為1 萬元，而采用氧化鈣后，其成本僅約1 800 元。因此在實際應用時，可采用氧化鈣，既能滿足pH 調節需求，又可以節約成本。

在反應過程中污水中的鐵離子發生水解，生成氫氧化物沉底并形成絮狀沉淀物，起到一個混凝作用。同時在廢水中含有大量的錳離子，要除去錳離子最好的是采用氧化法，將Mn2+氧化為Mn4+，最終形成MnO2沉淀，最后在混凝過程中過濾掉。在污水中的其他金屬離子，則可以通過堿性化學沉淀的方法除去或者通過硫化物沉淀[4]的方法除去，在整個調節過程中污水中的鐵離子不斷水解產生礬花[5]，能夠起到很好的混凝效果。最后再加入混凝劑加速了污水中其他金屬離子的絮凝過程，實現了快速沉淀，不同組合工藝的絮凝沉淀方案，如表3 所示。

不同沉淀方案下的沉淀效果如圖1 所示。

圖1 不同處理工藝下的沉淀效果示意圖

由實際驗證結果可知，把污水中的pH 值調節到大于5 時就能夠使廢水中的鐵離子形成絮狀沉淀。當水中沒有添加氧化劑的情況下對污水中錳離子的祛除能力有限，只有在添加氧化劑且將污水的pH 值調整到若堿性的情況下才具有較好的祛除效果。整體來看，在污水中加入PAM能夠加快水中的沉淀，但并不能提升水中金屬離子的祛除效果，通過調節污水pH值的方式能夠有效對污水中重金屬離子的祛除效果。

3 新型污水凈化處理工藝

結合以上分析，提出了一種新的基于石灰石和石灰乳的二段中和凈化工藝技術[6]。在使用時首先把廢水抽入到一級反應池中，然后往其中加入石灰石，將污水的pH 值調節到5～6 之間。再調整后再向水池中加入混凝劑，使水中的Mn2+氧化為Mn4+，Fe2+氧化為Fe3+，與此同時該反應還可以起到均質水質的作用，而且Fe3+還能夠加速反應池中的混凝反應，減少在凈化過程中混凝劑[7]的投入。在反應后利用水泵將一級反應池中的水抽入到二級反應池，此時在水中加入石灰乳，將水質中的pH值調節為8。然后對水質進行測試，若其中依舊含有鋅離子、鎘離子等，則可以加入一定量的Na2S 進行調節。在完成絮凝后，將二級反應池中的水抽入到斜管沉淀池中，待充分沉淀后將清水排出。該二段中和凈化工藝流程，如圖2 所示。

圖2 二段中和凈化工藝流程

目前該煤礦污水處理技術已經在多個煤礦投入了應用，根據實際統計，以處理1 000 m3的污水為基本單元，所需時間約為18 h，比優化前的46 h 降低了60.9%；處理所需的成本約為6 400 元，比優化前的1.7 萬降低了62.4%，極大的提升了煤礦污水處理效率和經濟性。

4 結論

針對沉淀法和氧化還原法處理煤礦污水所存在的經濟性差、處理效率低的不足，提出了一種新的高效凈化處理工藝，根據實際應用表明：

1）礦區廢水的來源于井下涌水和生活廢水、自然雨水含有大量的重金屬離子，且礦井廢水呈酸性；

2）采用氧化鈣，既能滿足pH 調節需求，又可以節約成本。

3）基于石灰石和石灰乳的二段中和凈化工藝技術，不僅能夠有效的祛除水中的重金屬離子，而且還能最大程度上降低凈化成本。