一种废水处理装置及酸性矿山排水净化系统及处理方法

本发明涉及污水治理领域，特别涉及一种废水处理装置及酸性矿山排水净化系统及处理方法。

背景技术：

1、酸性矿山废水，是硫化矿物暴露于地表，与水、大气、微生物相互作用后发生氧化反应，逐渐溶解而形成的含有大量硫酸根和各种重金属离子的酸性液体，这些液体主要源于矿山开采产生的直接废水，自然降雨产生的地表径流废水，矿坑和矿洞积水在渗透作用下产生的地下污水。这些酸性液体的废水具有低有机物含量、高浓度硫酸盐以及较低的ph值等特点，ph值通常低于3，有的甚至小于2.0。此外，废水中含有大量的重金属离子，如铁、铝、铜、铅、锌、镍等，以及硫酸根阴离子。未经处理的酸性废弃矿山排水对环境和生物有巨大风险，特别是有害重金属会通过食物链富集，对人类身体健康带来严重危害。

2、处理酸性废弃矿山排水的传统工艺主要有吸附法和中和沉淀法。吸附法是利用吸附材料吸附可溶性金属离子，此种方法操作费用较高。中和沉淀法是向酸性矿山废水中添加碱性物质以提高废水ph值，使金属离子以氢氧化物沉淀的方式去除，此种方法会产生大量含有重金属的污泥，形成二次污染。

3、现有技术cn102701545a中公布了一种利用梯级拦截坝辅助处理酸性矿山废水的系统及其工艺，包括三级拦截带，拦截带呈自然落差的梯形状分布，前两级拦截带内设有石灰石层，能调节废水ph，降低废水中重金属的溶解度；第二级拦截带内设有生物层，能将硫酸根离子还原为硫离子，硫离子与溶解于水中的重金属离子形成硫化物沉淀而沉降于底泥，最后一级拦截带种植水生植物，利水生植物根系过滤、吸附废水中的颗粒物，降低水中重金属污染物的浓度。该方法虽然简化了现有方法的复杂处理程度和处理难度，但是仍然需要对酸性矿山废水进行初级处理，本质上处理周期并不短，而且在后面两级净化过程中，容易积累大量的硫化物沉淀、且不易清除。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的处理费用高、二次污染等问题，提供一种废水处理装置，为解决酸性废弃矿山排水净化效果，提供一种酸性废弃矿山排水湿地净化系统及处理方法，具有处理费用低，性价比高，重金属可回收，出水深度净化等优点。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种废水处理装置，包括废水处理池和输送装置，其特征在于，废水处理池包括外围墙、内围墙和填料槽，外围墙具有横向设置的前挡水墙和后挡水墙及位于前挡水墙和后挡水墙之间纵向设置的两道墙体，外围墙内部纵向设置有两道内围墙，外围墙与内围墙等高，两道内围墙之间连接若干个相互间隔的横向设置的填料槽，相邻填料槽之间以及填料槽与外围墙的前挡水墙和外围墙的后挡水墙之间均形成空腔可供废水流通，每个填料槽包括横向设置的前拦截墙体、后拦截墙体，及墙体之间被纵向设置的一道或多道连接墙体分隔成的填料区，填料区内部填充废水处理基质；填料区下方设有输送装置；

3、填料槽顶部被斜切形成斜坡式结构，使得每个填料槽的前拦截墙体高于后拦截墙体，后一个填料槽的前拦截墙体低于前一个填料槽的后拦截墙体；前拦截墙体的底部设置有连通填料区与空腔的可开闭入口，每个填料区设置一个可开闭入口；

4、所述外围墙和内围墙顶部均设置成沿着废水流动方向阶梯向下的台阶墙缘，其中，内围墙与填料槽连接的台阶墙缘不高于填料槽的前拦截墙体高度，与空腔接触处的台阶墙缘高度不低于上一个填料槽的后拦截墙体高度；

5、每个所述空腔两侧的内围墙设有闸门，内围墙和外围墙之间形成位于空腔及填料槽两侧的流通通道，两侧流通通道内交错设置阻隔墙，各流通通道内被相邻阻隔墙分隔成多个回流通道，每个回流通道中的内围墙仅具有两道闸门，每个回流通道通过两道闸门与前后两个空腔可操控的连通；

6、输送装置设置在废水处理包括与填料区连接的格式阀和刮板机，格式阀的上端与填料区连接，下端与刮板机连接，格式阀的关闭控制废水的传输。

7、为了实现上述目的，本发明第二方面提供一种酸性废弃矿山排水的湿地净化系统，包括依次连通的石灰石拦截带、生物炭拦截带、汇流沟渠、一级沉淀池、一级吸附过滤坝、中和坝、二级沉淀池、二级吸附过滤坝、厌氧发酵池、一级潜流池、二级潜流池、沉水植物池，所述石灰石拦截带和生物炭拦截带沿着山坡产流区下部的坡脚设置，所述汇流沟渠收集来自生物炭拦截带溢流出的废水，所述一级吸附过滤坝和二级吸附过滤坝和中和坝均设置为所述的废水处理装置，一级吸附过滤坝和二级吸附过滤坝的填料槽内填充有生物质碳，所述中和坝的填料槽内填充石灰石、方解石，所述厌氧发酵池内接种有厌氧微生物，并以植物残体作为发酵料，所述一级潜流池和二级潜流池的岸边种植植物、池底以生物质碳为基质同时接种硫酸盐还原菌，所述沉水植物池池底种植水生植物。

8、所述石灰石拦截带布设在山坡产流区的下部，深入地下0.15-0.3米，上部低于地面0.05-0.1米，宽0.2-0.4米，池底分布有石灰石，矿山区域的坡面产流和浅层壤中流均可进入至石灰石拦截带中，所有的废水可以进行初步中和。

9、所述生物炭拦截带布设在山坡产流区的下部，在石灰石拦截带之后，深入地下0.15-0.3米，上部低于地面0.05-0.1米，宽0.2-0.4米。

10、所述汇流沟渠为一条或多条沟渠，可将项目区水流汇集至一级沉淀池，沟渠的岸边种植湿生植物；

11、所述一级沉淀池容积满足项目区集水量，可以调控出水速度，同时能初步沉降水体污染物，一级沉淀池的岸边种植湿生植物；

12、所述湿生植物包括喜旱莲子草、莲子草、香根草、芒草、南狄、芦苇中的一种或多种；湿生植物水土保持能力强，抗重金属胁迫能力较强，能够在矿区生长，生长在岸边，可以保持水土。

13、所述二级沉淀池的进水端布设有斜板，优选池深3-5米；

14、所述厌氧发酵池中设置有发酵料植物残体，选自汇流沟渠岸边、一级沉淀池岸边所种植的植物；

15、所述一级潜流池池底的基质为生物质碳，潜流池岸边种植菖蒲、香蒲、黑三棱中的一种或多种，同时接种硫酸盐还原菌；所述二级潜流池池底基质为生物质碳，潜流池岸边种植芦苇、水葱、美人蕉中的一种或多种，同时接种硫酸盐还原菌；

16、所述沉水植物池，池底种植有菹草、轮叶黑藻、苦草、伊乐藻、狐尾藻中的一种或多种，池底植物生长快、生物量大、净化能力强；沉水植物池的岸边种植有喜旱莲子草、莲子草、芒草、香根草、南狄、芦苇中的一种或多种，沉水植物池的岸边植物耐逆性强、水土保持能力强，减少岸坡水土流失，防止污染水体。

17、在废水处理期间，所述废水从废水处理池的前挡水墙的顶端漫过进入空腔，再从填料槽的前拦截墙体的下端可开闭入口进入填料区，进行处理，再从后拦截墙体溢出，由下一个空腔进入下一个填料槽进行处理，经过废水处理装置处理后的废水溢出外围墙的后挡水墙流出；

18、在废水处理期间，保持废水处理池中至少一个填料槽的可开闭入口开闭作为备用填料槽，且关闭可开闭入口的填料槽前后侧的两空腔位于同一个回流通道内的闸门打开，使废水由上一级空腔流向下一级空腔且不经过关闭可开闭入口的填料槽；

19、当一级吸附过滤坝和二级吸附过滤坝的任一流经废水的填料槽中的填料对废水的过滤效果下降，或中和坝的任一填料槽中的填料处理后的废水的ph升高值低于阈值一或cu2+离子的降低值小于阈值一或so42-离子的降低值小于阈值一时，关闭该填料槽的可开闭入口及操控该填料槽前后侧的两空腔位于同一个回流通道内的闸门打开，然后该填料槽输送装置工作，排出填料，再填充新的填料，同时打开备用填料槽的可开闭入口，及操控备用填料槽前后侧的两空腔位于同一个回流通道内的闸门关闭；

20、当中和坝的任一填料槽中的填料处理后的废水的so42-离子降低值大于阈值二，废水池整体排出的废水的ph大于阈值三且cu2+离子小于阈值三时，标记该填料槽为过处理填料槽，此时关闭过处理填料槽中至少一个填料区的可开闭入口，直至过处理填料槽不再标记为过处理填料槽，若过处理填料槽的所有可开闭入口关闭，则操控过处理填料槽前后侧的两空腔位于同一个回流通道内的闸门打开；

21、so42-离子的阈值一和阈值三随厌氧发酵池排出的处理水的cod动态设定。

22、本发明第二方面提供的技术方案解决了厌氧发酵池排出的处理水的cod与中和坝排出的废水中so42-的比值难以同步协调到适合硫酸盐还原菌繁殖的水环境的难题，本发明可操控中和坝排出的废水中so42-的浓度随厌氧发酵池排出的处理水的cod进行调节，使一部分so42-在中和坝与氢氧化钙形成沉淀，另一部分在so42-在湿地净化中还原为硫离子与重金属形成沉淀。

23、本发明第三方面提供一种酸性矿山排水处理方法，包括如下步骤：

24、步骤(1)地表和浅层土壤的源头拦截：石灰石拦截带对坡面产流和浅层壤中流进行初步中和，将ph中和为4～5；随后的废水进入生物质炭拦截带，废水中铁的氢氧化物吸附其他金属离子和部分铜的氢氧化物共沉淀；

25、步骤(2)汇集、一级沉淀：地表和浅层土壤中的水流再进入汇流沟渠中，然后收集并储存于一级沉淀池中，进行初步沉淀；

26、步骤(3)一级吸附过滤：矿山酸性排水经步骤(2)的初步沉淀后流入一级吸附过滤坝内，与坝内填充的生物质碳进行一级吸附过滤，去除初次中和产生的悬浮物；

27、步骤(4)中和沉淀：矿山酸性排水经步骤(3)的吸附过滤后，流入中和坝，在中和坝内废水与石灰石、方解石等碱性材料接触反应，控制中和坝内，矿山废水的ph值调节为5-6，且厌氧发酵池排出的处理水的cod与中和坝排出的废水中so42-的比值在1.9-2.1之间，随后废水再到达二级沉淀池内进行沉淀反应处理；

28、步骤(5)二级吸附过滤：矿山酸性排水经步骤(4)的中和沉淀后流入二级吸附过滤坝内，与坝内填充的生物质碳进行二级吸附过滤，用于去除二次中和产生的悬浮物；

29、步骤(6)厌氧发酵：矿山酸性废水经过多次中和、沉淀后，进一步流入厌氧发酵池，厌氧发酵池中的厌氧微生物以植物残体为碳源进行发酵，将植物残体分解为低碳小分子cod，所述cod与废水中so42-的比值在1.9-2.1之间；

30、步骤(7)湿地净化：经过前面6个步骤的中和、沉淀、吸附过滤后，废水再逐级进入一级潜流池、二级潜流池、沉水植物池，与两个潜流池内的生物质碳进行基质吸附，与硫酸盐还原菌进行生物反应，将废水中硫酸根离子还原为硫离子，随后沉水植物吸附废水中含硫污染物并增加水体的溶解氧，同时沉水植物可以吸收水体中的氮、磷等营养元素；

31、步骤(8)重金属回收：收获系统内汇流沟渠岸边、一级沉淀池岸边的植物，进行高温热解后回收生物炭，再收集沉淀物，回收其中的重金属。

32、进一步的，所述步骤(2)中废水在一级沉淀池中停留时间为12-48小时，调节一级沉淀池的出水量控制后续步骤中的处理水量；所述一级沉淀池的ph为4-5。

33、进一步的，所述步骤(4)中废水在二级沉淀池中停留时间12-48小时。

34、进一步的，所述步骤(4)中二级沉淀池池底汇集的沉淀反应的沉渣形成污泥后集中排出，所排出的污泥脱水干化后形成泥饼自然堆存。

35、相比与现有技术，本发明的有益效果是：

36、1、通过在山体产流之前依次设置了石灰石拦截带和生物炭拦截带，对表面流和浅层壤中流进行中和、吸附和过滤，提高了汇集的废水ph值，初步沉淀了废水中的铁离子，降低了污染物浓度，有利于进一步处理，降低后续处理难度，总体上降低了运行维护费用，且有利于提高出水的水质。另一方面，相对于后续湿地中的石灰石、生物炭，石灰石拦截带和生物炭拦截带更为容易设置、添加和更换。

37、2、在初步沉淀吸附处理后，二次设置了中和坝，调控废水ph值在5-6之间，精准控制对后续步骤中微生物有毒性的铜离子的浓度，使其大量沉淀下来，一方面可以避免发酵池中微生物的中毒，使其能够分解植物残体为后续潜流池中硫酸盐还原菌提供碳源和电子供体，另一方面，避免了潜流池中选择对金属铜具有耐性的硫酸盐还原菌，减少成本；其次，避免通过一次中和吸附，将铁和铜一步沉降下来，避免了沉淀池底所积累的沉渣含有大量的重金属离子，以免造成二次污染和处理成本。同时，在中和坝的前端设置一级沉淀池和一级吸附过滤坝，降低了水体颗粒含量和污染物浓度，减少中和坝的堵塞，延长中和坝中填料的使用周期。

38、3、设置了两次吸附过滤坝，这样通过与大量的生物质碳接触，对废水中的重金属进行吸附，通过对吸附有重金属的生物炭的处理，可以回收重金属，避免了处理中和沉淀物来回收重金属。

39、4、通过提前设置厌氧发酵池，对废水进行厌氧发酵处理，发酵过程产生多种小分子碳，有利于潜流湿地中的硫酸盐还原菌生存，提升了后续步骤中的硫酸盐还原菌的活性。

40、5、潜流湿地的微生物与生物质碳相互附着，增大了附着面积，与废水充分接触，更有利于硫酸盐还原菌发挥作用；同时，潜流池岸边种植了大量吸附cod的植物，当厌氧发酵池中所投加的植物残体量过多时，可以避免潜流池硫酸盐还原菌生长受抑制，从而影响废水中硫酸根离子的去除。

41、6、末端沉水植物池，进一步降低水体氮磷cod及重金属，深度提高出水水质。

42、7.吸附过滤坝和中和坝采用废水处理装置，利用多层填料槽进行多次反应，并且由于闸口和阻隔墙设置使得更换填料区更加方便，不影响废水处理。

43、8.解决了厌氧发酵池排出的处理水的cod与中和坝排出的废水中so42-的比值难以同步协调到适合硫酸盐还原菌繁殖的水环境的难题，本发明可操控中和坝排出的废水中so42-的浓度随厌氧发酵池排出的处理水的cod进行调节，使一部分so42-在中和坝与氢氧化钙形成沉淀，另一部分在so42-在湿地净化中还原为硫离子与重金属形成沉淀。从而使净化系统持续保持废水处理效果达到最佳，而未采用本发明的废水处理装置作为中和坝时，由于碱性材料的消耗，或废水中so42-的波动，中和坝难以稳定排出的废水中的cu2+，so42-的浓度以及ph值，导致净化系统净化废水的效果不稳定。

44、所以，本发明所提出的净化系统具有投资成本低、操作简便、便于维护、能耗投入、出水水质好，适用于酸性废弃矿山排水的生态治理。