虽然与水塘处理工艺及基坑连续/批处理工艺相比具有较好的石灰利用效率,但是与HDS底泥循环处理技术相比石灰的利用率还是较低。同时HDS底泥循环处理技术污泥的固含量可以达到20%,而传统处理工艺污泥的固含量不到5%,同时HDS处理技术在防止由于石膏的生成造成管道堵塞问题,而且HDS污泥回流工艺与传统处理工艺相比仅增加了底泥回流系统对整个工程投资及运行费用来说仅占较小的比例。
(4)简易底泥回流工艺
简易底泥回流技术(Simple Sludge Recycle ),这项处理技术没有被申请专利,其成果也没有被广泛发布,但是在一些地方也得到应用。此种处理工艺与传统处理工艺相比有较多的优点:1)缩小了反应器容积;2)提高了污泥的沉降性能;3)提高了石灰的利用率,降低药剂石灰的用量;4)增加底泥浓度;关键点是简易底泥回流工艺底泥浓度明显的高于水塘处理系统和传统处理系统,其污泥固含量可达到15%,低于HDS处理技术的20%,但相对水塘处理工艺及传统处理工艺产生的污泥固含量的不足1%、5%来说是一个重大的提高。但从整个工艺流程来说,简易底泥回流技术省略了HDS处理技术中的混合池,从处理设施基建投资及运行费用方面来说是简易底泥回流技术较HDS处理技术具有低的基建投资及运行成本。
(5)HDS处理技术
与简易底泥回流系统不同,HDS处理方法(the High Density Sludge Process),增加了石灰/污泥混合池,澄清池回流底泥与中和药剂石灰在混合池(Lime/Sludge Mix Tank)中混合,此过程可以促进中和药剂石灰颗粒在回流沉淀物上的凝结,从而增加沉淀颗粒粒径和污泥密度,同时通过石灰的添加调节混合池pH值。混合池混合反应物溢流进入快速反应池(RMT)与酸性废水发生中和反应,中和污泥溢流进入中和反应池,完成进一步的中和反应。通常反应过程中要鼓入空气进行曝气,氧化中和废水中的亚铁,提高出水水质。中和反应池溢流水进入絮凝池,通过加入絮凝剂使中和污泥形成絮体,提高在澄清池中的沉降性能。澄清池沉降污泥一部分外排进行处理处置,一部分进入底泥循环系统,进一步循环利用。
HDS处理技术在世界范围内的多数矿山都有广泛的应用,国内,江西德兴铜矿为解决传统处理工艺在实际应用过程中,出现的管道结、底泥含水率高等问题,通过国际招标,选择与加拿大PRA公司合作,开展了利用HDS技术处理矿山酸性废水的现场试验研究,已经取得了较好的效果,底泥浓度可控制在25%~30%,当SO42-离子浓度大于25g/L时,整个试验工艺流程不存在结垢现象,生产实践中可有效的延长设备的使用周期[11].
(6)分段中和处理技术 这个处理系统不同的添加量也不是必须的,排,底泥从澄清池底部泵入污泥塘。反应器设计分段中和处理技术(Staged-Neutralization (S-N) process )是在各段中和反应中通过控制不同反应器不同反应终点pH值使不同的重金属离子分段沉淀,便于回收利用。江西永平铜矿2003年以前采用同样的处理工艺——分段中和沉淀法处理铜矿酸性废水,第一段中和反应槽反应pH控制在4.5左右,废水中的Fe3+、部分的Fe2+、Cr6+形成氢氧化物沉淀,通过斜板沉淀池沉淀去除,澄清液进入第二段中和反应槽,反应终点pH值控制在7.5沉淀铜离子,生成氢氧化铜沉淀,送铜回收车间通过压滤、干燥、煅烧回收铜。由于随矿山开采时间的延长,酸性废水中铜离子浓度的含量逐年下降第二段沉淀池污泥中的品位达不到设计时的要求,通过污泥回收铜的运行成本高于其价值,因此永平铜矿放弃使用从污泥中回收铜的工艺,由两段中和工艺改为一次中和两次沉淀的处理方案[9].
2.2 硫化沉淀法
硫化物沉淀法是利用硫化剂将废水中重金属离子转化为不溶或者难溶的硫化物沉淀的方法,金属硫化物沉淀是比其氢氧化物沉淀离子溶度积更小。常用的硫化剂有Na2S、NaHS、H2S、CaS和FeS等,该法的优点是硫化物的溶解度小、沉渣含水率低,不易因返溶而造成二次污染,同时产渣量相较石灰中和沉淀法少,而且当用中和沉淀法处理矿山酸性重金属废水不能达到相应的限制要求时可采用硫化沉淀法,同时可以与浮选法组合成沉淀浮选工艺,对废水中的重金属进行选择性沉淀回收。硫化沉淀法在矿山酸性废水处理过程中一般工艺流程为第一段通过添加中和药剂控制pH值为4.0左右,主要去除矿山酸性废水中含有的三价铁,溢流出水添加硫化剂,使含有的其它重金属转化为金属硫化物沉淀,所得硫化渣通过浮选工艺进一步回收重金属,处理后水进一步用石灰处理进行中和处理使之达标排放。
德兴铜矿1985年设计废水三段处理工艺(一段投加石灰乳除铁,二段利用硫化沉淀法回收金属铜,三段中和),当时处理矿山酸性废水12370t/d,二段硫化沉淀法回收铜,铜的回收率可达到99%,铜渣含铜品位大于30%,自建立到1999年底,共处理酸性水1600万t,回收金属铜304t,处理水达标率达到87.5%,产生较好的经济效益和环境效益[13]. 硫化沉淀法在一些矿山酸性废水处理过程中已经得到应用,但在应用过程中出现了一些问题:(1)硫化剂本身有毒,在矿山酸性废水处理过程中易形成有毒的H2S气体造成空气污染;(2)相较其它处理药剂,硫化剂价格高,增加了污水处理运行成本,但其具体经济可行性要综合考虑重金属回收获得的收益;(3)处理过程中不易控制药剂添加用量,过量不但增加污水处理成本而且也会造成污染。但一些研究考虑利用资源丰富的硫铁矿(Fe2S)制备硫化剂FeS,可以避免硫化沉淀过程中产生H2S,排水可再处理,使硫化沉淀法得到改进。
2.3 氧化还原法
氧化还原法在矿山酸性废水处理过程中的应用主要是两个方面:一是酸性废水中二价铁的氧化,在矿山酸性废水中含有大量的二价铁,在中和、硫化沉淀法处理过程中不易处理,将二价铁氧化为三价铁(矿山酸性废水处理过程中一般采用曝气法)可以便于去除,控制pH在3.0左右即可去除大部分的铁离子,同时由于三价铁的共沉淀作用,可以去除部分的其它重金属;二是废水中重金属的置换、回收。在矿山酸性废水的处理过程中氧化还原法主要是铁屑置换工艺,利用铁的还原性还原废水中的重金属离子,形成海绵态的重金属。江西铜业股份公司永平铜矿和山东招远黄金冶炼厂都有相关工程应用,永平铜矿在采区废水形成汇流端处建起了数个小型氧化还原反应池,采用铁屑置换法,生产收集海绵铜,每年可获得近10万元的经济效益[9].
2.4微生物处理技术[10]
中和沉淀法及硫化沉淀法的严重缺点是产生大量难以处置的固体废弃物,产生严重的二次污染,而废水水量大、重金属浓度低的矿山废水的处理具有较高处理成本。氧化还原工艺只能处理一部分重金属离子,单一处理并不能使废水处理达标排放。由于中和法、硫化沉淀法和氧化还原技术的缺陷和局限性,利用微生物技术处理金属矿山酸性废水处理矿山酸性重金属废水技术就成为研究的前沿课题。根据微生物处理重金属废水作用机理的不同,微生物处理技术主要分为生物吸附技术、生物累积技术、生物浸出技术三大类。
(1)生物吸附技术是指废水中的有毒有害的重金属离子与微生物细菌细胞表面的多种化学基团如胺基、酰基、羟基、羧基、磷酸基和巯基等发生物理化学作用,结合在细菌的细胞表面,然后被输送至细胞内部并被还原成低毒物质。微生物可以从极稀的溶液中吸收金属离子,在一定条件下,微生物细胞能够富集几倍于自身重量的金属离子;富集后的金属可以通过有机物回收的途径再转变为有用的产品。
(2)生物累积技术是指细菌依靠生物体的代谢作用而在细胞体内累积金属离子。通过生物累积作用清除金属矿山酸性废水中的重金属离子,比现行的化学方法处理工艺有以下几方面的优势:① 对金属矿山复杂废水中某一特定金属离子有良好的选择性,从而可以回收废水中的某些有用重金属;② 对矿山酸性废水中低浓度的重金属离子具有一定的累计作用,从而使其达到回收价值。③ 对于废水水量大、金属浓度低的矿山酸性废水的处理具有低成本性。(3)生物浸出技术是指利用特定微生物细菌对某些金属硫化物矿物的氧化作用,使金属离子进入液相并实现对金属离子的富集作用。关于生物浸出的作用机理,一般有两种观点,即直接浸出机理和间接浸出机理。直接浸出是指细菌吸附于矿物颗粒表面,利用微生物自身的氧化或还原特性,使物质中有用组分氧化或还原,从而以可溶态或沉淀的形式与原物质分离的过程;间接浸出是指依靠微生物的代谢作用(有机酸、无机酸和Fe3+等)与矿物质发生化学反应,而得到有用组分的过程。
,金属矿山酸性废水形成机理及治理现状分析