申请日2016.04.01
公开(公告)日2016.06.01
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明公开了一种重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理系统和方法，该系统包括处理装置，处理装置包括依次连通的均质调节池、pH调整池、电化学设备池、曝气池、斜管沉淀池、生态过滤床和人工生态氧化渠，所述斜管沉淀池的一侧还设有污泥池;均质调节池设有供渗滤液流入处理装置的进水管，而人工生态氧化渠设有供处理后的渗滤液排出处理装置的出水管。该方法以电化学、曝气、沉淀为前处理工艺，以人工生态过滤床、人工生态氧化渠为后处理工艺的一种重金属尾矿库渗滤液多元组合处理方法，实现了从处理到修复的进步，具有处理和修复效率高，多功能，生态环保，无二次污染的优点。
权利要求书
1.一种重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理系统，包括处理装置，其特征是，所述处理装置包括依次连通的均质调节池(1)、pH调整池(2)、电化学设备池(3)、曝气池(4)、斜管沉淀池(5)、生态过滤床(7)和人工生态氧化渠(8)，所述斜管沉淀池(5)的一侧还设有污泥池(6);所述均质调节池(1)设有供渗滤液流入处理装置的进水管(1-1)，而人工生态氧化渠(8)设有供处理后的渗滤液排出处理装置的出水管(8-3);
所述电化学设备池(3)包括安装在池底上方300mm-500mm的极板支架(3-1)、平行安装在极板支架(3-1)上的2N块极板(3-2)，N≥1，其中排在奇数位的极板用阴极导线与外部电源的负极连接，排在偶数位的极板用阳极导线与外部电源正极连接;
所述人工生态过滤床(7)从床底往上200mm～400mm空间处设置有滤板滤头组合件(7-1)，床底空间和滤板滤头组合件(7-1)组成配水间(7-2);滤板滤头组合件(7-1)上方设有承托层(7-3)，所述承托层(7-3)上方设有人工生态填料层(7-4)，所述人工生态填料层(7-4)从下往上依次包括粗石英砂填料层、中砾石填料层、牡蛎壳填料层、中砾石填料层、粉煤灰填料层、细石英砂保护层、天然土壤层;在所述天然土壤层中种植有挺水植物(7-5);
所述人工生态氧化渠(8)内部纵向设置有来回推流隔板(8-1)，人工生态氧化渠(8)底部种植沉水植物(8-2)。
2.根据权利要求1所述重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理系统，其特征是，所述处理装置外周填充人工改良土壤(9)，并在人工改良土壤(9)上种植富集重金属植物(10)。
3.根据权利要求1所述重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理系统，其特征是，所述均质调节池(1)内设置有除渣格栅(1-2)。
4.根据权利要求1所述重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理系统，其特征是，所述pH调整池(2)底部设置有空气搅拌管(2-1)，pH调整池(2)内壁边设置有pH计(2-2)，pH调整池(2)外边沿设置有第一加药装置(2-3)。
5.根据权利要求1所述重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理系统，其特征是，所述电化学设备池(3)池外边沿设置pH调节系统(3-4)。
6.根据权利要求1所述重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理系统，其特征是，所述曝气池(4)池内底部设置有旋流曝气器(4-1)，曝气池(4)内壁设置有液位计(4-2)，曝气池(4)外边沿设置有第二加药装置(4-3)。
7.根据权利要求1所述重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理系统，其特征是，所述斜管沉淀池(5)内中部设置有斜管支架(5-1)，斜管支架(5-1)上面设置有斜管(5-2)，斜管沉淀池(5)底部设置有将底部污泥排往污泥池(6)的底部排泥管(5-3)，池斜管沉淀池(5)外设置有将水从斜管沉淀池(5)提升至人工生态过滤床的提升泵(5-4)。
8.根据权利要求1所述重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理系统，其特征是，所述污泥池(6)内壁设置有泥位计(6-1)，污泥池(6)外设置有污泥螺杆泵(6-2)和板框压滤机(6-3)。
9.根据权利要求1所述重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理系统，其特征是，所述人工生态填料层(7-4)中所述粗石英砂填料层选用粒径为4～8mm的石英砂，厚度为100～200mm;所述中砾石填料层选用粒径为8～16mm的中砾石，厚度为100～200mm;所述牡蛎壳填料层选用16～32mm的牡蛎颗粒，厚度为400～500mm;所述中砾石填料层选用8～16mm的中砾石，厚度为100～200mm;所述粉煤灰填料层选用粒径为4～8mm的粉煤灰颗粒，厚度为400～500mm;所述细石英砂保护层选用粒径为1～2mm的石英砂，厚度为100～200mm。
10.一种重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理方法，其特征是，使用权利要求1-9之一所述系统，具体步骤包括：
首先，对人工生态过滤床进行调试和挂膜：
(1)选取某重金属污泥堆场进行样品采集，经实验室分离筛选得到能有效去除低浓度的优势菌株为氧化硫酸杆菌和氧化亚铁硫杆菌，在实验室进行驯化，并配制成菌液待用;
(2)在中试室菌液培养箱内置入沼泽污泥和重金属污泥、加水配制污泥浓度为9000～10000mg/L的混合污泥300L～350L，并加入营养物质，按污泥量的1/20～1/10导入菌液，间歇式开启低速搅拌机，开30～40分钟，停30～40分钟，每天搅拌10～12小时，控制温度20℃～25℃，pH8～9，溶解氧DO≤1.0mg/L，经过7-8天的培养，液体成粉红色状，得优势菌种;
(3)在人工生态过滤床内按床容的2/3投加含水率为98%以上的城市污水，污泥浓度为4000～5000mg/L，按泥量的1/5～1/4将优势菌种导入人工生态过滤床，每2～3天导入一次，其导入4～5次，控制温度20～25℃，pH7～11，溶解氧DO≤0.5mg/L，经过8-10天时间，使得人工生态过滤床中所述人工生态填料层的各种填料成褐黑色胶粘状，表明填料上挂膜成功;此时，丰富的微生物就吸附固定在填料上，形成优势菌群;经过调试后，控制人工生态过滤床的温度20～30℃，溶解氧DO≤0.5mg/L，pH7～11;人工生态过滤床中的天然土壤层中种有挺水植物，挺水植物的根系中富含有多种微生物，与填料上的优势菌群联合作用，共同富集重金属离子;
然后，对重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理系统进行正式运行，包括如下步骤：
(1)重金属尾矿库渗滤液进入均质调节池对水质进行均和，对水量进行调节;
(2)均和后的出水进入pH调整池，调pH至8～9;
(3)pH调整后的出水进入电化学设备进行电解反应，同时调pH至8～10.5;
(4)经电化学设备处理后的出水进入曝气池进行曝气搅拌及氧化反应，在此加入絮凝剂以进行絮凝反应;
(5)经曝气池处理后的出水再进入斜管沉淀池去除污染物絮凝团;
(6)斜管沉淀池处理后的上清液泵送至人工生态过滤床，经人工生态床处理后由底部配水间进入人工生态氧化渠，最后经加压后回用或排往附近水体;斜管沉淀池处理后的底部污泥排入污泥池，污泥池内的污泥经处理后返回尾矿库，滤液返回均质调节池。
11.根据权利要求10所述重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理方法，其特征是，在所述处理装置外周回填人工改良土壤，在人工改良土壤上种植富集重金属植物，所述人工改良土壤是按照以下质量配比配置的土壤：当地粘土占60%，石灰占20%，粉煤灰占5%，腐殖酸占5%，微量元素铜、铁、锌、硼、钼各占2%。
12.根据权利要求10所述重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理方法，其特征是，所述人工生态填料层中的优势菌群主要包括下属微生物：氧化硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌、脱硫肠菌层、脱硫叶菌属、脱硫细菌层、脱硫球菌-脱硫线菌脱硫八叠菌属、脱硫弧菌脱硫微菌属。
13.根据权利要求10所述重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理方法，其特征是，挺水植物的根系中富含有多种微生物包括：假单胞杆菌、黄杆菌、产碱杆菌、色杆菌、无色杆菌、芽孢杆菌属、农杆菌属、肠杆菌。
14.根据权利要求10所述重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理方法，其特征是，所述挺水植物为东南景天和遏蓝菜，两种植物间种。
15.根据权利要求10-14之一所述重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理方法，其特征是，具体控制参数包括：
(1)均质调节池
停留时间：8～10h
(2)pH调整池
pH：8～9
停留时间：20～30min
(3)电化学设备
pH：8～10.5
电化学设备供电电源电压380V
停留时间：10min～20min
换向周期：15min～20min
极板消耗：30‐120g/m3
(4)曝气池
停留时间：30～40min
(5)斜管沉淀池
停留时间：2～3h
斜管水力负荷：1.0～1.5m3/㎡·h
(6)污泥池
停留时间：4～5h
(7)人工生态过滤床
停留时间：12～14h
(8)人工生态氧化渠
停留时间：24～30h
(9)在处理构筑物四周30～40m范围内回填人工改良土壤，并在人工改良土壤上种植富集重金属植物。
说明书
一种重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理系统和方法
技术领域
本发明属于危废渗滤液处理领域，进一步是指一种重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理系统和方法。
背景技术
近年来，随着环保法规的日趋严格，很多来源于冶金、矿山等重金属尾矿库的渗滤液需要处理，未经处理的渗滤液具有毒性强、持久性、不可降解等特点，如排放到环境中对大气、土壤和水环境会造成严重污染。
重金属很多都具有显著的生物毒性，特别是汞、镉、铅等。这类物质在水体中不能被生物降解，在水体中发生各种形态的相互转化和分散以及富集到生物体中。有些重金属比如汞，在微生物的作用下可以转变成甲基汞，从而使其生物毒性加强。一些重金属可以在动物体的肝脏和肾脏等器官内积累，造成机体组织损伤。汞、镉、铅、锌等亲硫重金属元素可以与人体某些组织的一些酶的巯基(-SH)有特别大的亲和力，能抑制酶的活性从而影响机体的正常生理功能。水体中的重金属，即使浓度小，也可在藻类和底泥中积累，被鱼和贝类体表吸附，产生食物链浓缩，从而造成公害。水体中金属元素有利或有害不仅取决于金属元素的种类、理化性质，而且还取决于金属元素的浓度及存在的价态和形态，即使有益的金属元素浓度超过某一数值也会有剧烈的毒性，使动植物中毒，甚至死亡。
重金属尾矿库一般含有砷、铅、锌、铬、镉、锰、镍、铜等主要污染物质，现阶段的处理方法大致分为化学法和物化法。
化学法主要是通过在重金属渗滤液中投加某种或几种化学物质，使其与渗滤液中重金属发生反应、生产难溶沉淀而去除。传统的化学沉淀法包括中和沉淀法、硫化物沉淀法和钡盐沉淀法等。中和沉淀法是目前应用最为广泛的一种处理重金属渗滤液的方法。但是中和沉淀法反应慢、药剂用量大，难以精确控制，处理出水水质难以达到最新的排放要求，且大量药剂使用导致污泥产量大，对设备构筑物的腐蚀严重。虽然工艺成熟、稳定，但存在着运行成本高，占地面积大等缺点。
物理法一般不改变重金属在废水中存在形态，通过吸附、过滤等机理过程将重金属从水体中分离出来，主要包括吸附法、离子交换法和膜分离法。离子交换法是离子交换器中进行，此方法借助离子交换剂来完成，在交换器中按要求装入不同类型的离子交换剂，重金属离子的渗滤液通过交换剂时，交换剂上的离子同水中的重金属离子进行交换，达到去除渗滤液中重金属离子的目的。这种方法受到交换剂种类、产量和成本的影响。
膜分离技术利用一种特殊的半透膜，在压力的作用下，在不改变渗滤液中化学形态的基础上，将渗滤液和溶质进行分离或浓缩的方法，包括电渗析和隔膜电解，膜分离技术在处理过程中会通过电极极化，结垢和腐蚀等缺点。
物理法处理重金属废水目前使用较多，但是投资成本高，吸附剂及膜材料等价格昂贵，运行成本高，规模化应用难度大。
在重金属尾矿库渗滤液的治理中，单一的方法往往很难达到日趋严苛的环保要求，研发各种组合技术代替单一的处理技术。从国内外的发展动态来看，趋向于以化学方法为主，再辅以其他组合技术，研发多功能组合处理技术和工艺是今后的发展方向。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供以电化学、曝气、沉淀等为前处理工艺;以人工生态过滤床、人工生态氧化渠为后处理工艺的一种重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理系统和方法，实现了从处理到修复的进步，该技术具有处理和修复效率高、多功能、生态环保、无二次污染。
本发明所采取的方案是：
一种重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理系统，包括处理装置，其特征是，所述处理装置包括依次连通的均质调节池、pH调整池、电化学设备池、曝气池和斜管沉淀池、生态过滤床和人工生态氧化渠，所述斜管沉淀池的一侧还设有污泥池;所述均质调节池设有供渗滤液流入处理装置的进水管，而人工生态氧化渠设有供处理后的渗滤液排出处理装置的出水管;
所述电化学设备池包括安装在池底上方300mm-500mm的极板支架、平行安装在极板支架上的2N块极板，N≥1，其中排在奇数位的极板用阴极导线与外部电源的负极连接，排在偶数位的极板用阳极导线与外部电源正极连接;
所述人工生态过滤床从床底往上200mm～400mm空间处设置有滤板滤头组合件，床底空间和滤板滤头组合件组成配水间;滤板滤头组合件上方设有承托层，所述承托层上方设有人工生态填料层，所述人工生态填料层从下往上依次包括粗石英砂填料层、中砾石填料层、牡蛎壳填料层、中砾石填料层、粉煤灰填料层、细石英砂保护层、天然土壤层;在所述天然土壤层中种有植挺水植物;
所述人工生态氧化渠内部纵向设置有来回推流隔板，人工生态氧化渠底部种植沉水植物。
优选地，处理装置外周填充人工改良土壤，并在人工改良土壤上种植富集重金属植物。
优选地，均质调节池内设置有除渣格栅。
优选地，pH调整池底部设置有空气搅拌管，pH调整池内壁边设置有pH计，pH调整池外边沿设置有第一加药装置。
优选地，电化学设备池池外边沿设置pH调节系统。
优选地，曝气池池内底部设置有旋流曝气器，曝气池内壁设置有液位计，曝气池外边沿设置有第二加药装置。
优选地，斜管沉淀池内中部设置有斜管支架，斜管支架上面设置有斜管，斜管沉淀池底部设置有将底部污泥排往污泥池的底部排泥管，池斜管沉淀池外设置有将水从斜管沉淀池提升至人工生态过滤床的提升泵。
优选地，污泥池内壁设置有泥位计，污泥池外设置有污泥螺杆泵和板框压滤机。
优选地，人工生态填料层中所述粗石英砂填料层选用粒径为4～8mm的石英砂，厚度为100～200mm;所述中砾石填料层选用粒径为8～16mm的中砾石，厚度为100～200mm;所述牡蛎壳填料层选用16～32mm的牡蛎颗粒，厚度为400～500mm;所述中砾石填料层选用8～16mm的中砾石，厚度为100～200mm;所述粉煤灰填料层选用粒径为4～8mm的粉煤灰颗粒，厚度为400～500mm;所述细石英砂保护层选用粒径为1～2mm的石英砂，厚度为100～200mm。
在处理工艺流程中设置人工生态过滤床的目的是为了经过上游工艺物化处理后难以达标的低浓度重金属废水进行微生物-植物联合处理。因为采用物理化学方法对1～3mg/L低浓度重金属废水处理效率十分低下，所以利用微生物-植物对低浓度重金属离子的吸附和转化作用，可以有效的进一步降低废水中重金属的浓度。
优选方案，所述挺水植物为东南景天和遏蓝菜，两种植物间种，密度为8～12丛/㎡，3～4株/丛。
优选方案，沉水植物种植金鱼草、微齿眼子菜、狐尾藻和黑藻间种，密度为8～10丛/㎡，5～7株/丛。
优选方案，所述富集重金属植物为蜈蚣草、栽种在人工改良土壤9上密度为10～12丛/㎡，6～8株/丛。
本发明的另一个技术方案为，一种重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理方法，使用上述系统，具体步骤包括：
首先，对人工生态过滤床进行调试和挂膜：
(1)选取某重金属污泥堆场进行样品采集，经实验室分离筛选得到能有效去除低浓度的优势菌株为氧化硫酸杆菌和氧化亚铁硫杆菌，在实验室进行驯化，并配制成菌液待用;
(2)在中试室菌液培养箱内置入沼泽污泥和重金属污泥、加水配制污泥浓度为9000～10000mg/L的混合污泥300L～350L，并加入营养物质，按污泥量的1/20～1/10导入菌液，间歇式开启低速搅拌机，开30～40分钟，停30～40分钟，每天搅拌10～12小时，控制温度20℃～25℃，pH8～9，溶解氧DO≤1.0mg/L，经过7-8天的培养，液体成粉红色状，得优势菌种;
(3)在人工生态过滤床内按床容的2/3投加含水率为98%以上的城市污水，污泥浓度为4000～5000mg/L，按泥量的1/5～1/4将优势菌种导入人工生态过滤床，每2～3天导入一次，其导入4～5次，控制温度20～25℃，pH7～11，溶解氧DO≤0.5mg/L，经过8-10天时间，使得人工生态过滤床中所述人工生态填料层的各种填料成褐黑色胶粘状，表明填料上挂膜成功;此时，丰富的微生物就吸附固定在填料上，形成优势菌群;经过调试后，控制人工生态过滤床的温度20～30℃，溶解氧DO≤0.5mg/L，pH7～11;人工生态过滤床中的天然土壤层中种有挺水植物，挺水植物的根系中富含有多种微生物，与填料上的优势菌群联合作用，共同富集重金属离子;
然后，对重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理系统进行正式运行，包括如下步骤：
(1)重金属尾矿库渗滤液进入均质调节池对水质进行均和，对水量进行调节;
(2)均和后的出水进入pH调整池，调pH至8～9;
(3)pH调整后的出水进入电化学设备进行电解反应，同时调pH至8～10.5;
(4)经电化学设备处理后的出水进入曝气池进行曝气搅拌及氧化反应，在此加入絮凝剂以进行絮凝反应;
(5)经曝气池处理后的出水再进入斜管沉淀池去除污染物絮凝团;
(6)斜管沉淀池处理后的上清液泵送至人工生态过滤床，经人工生态床处理后由底部配水间进入人工生态氧化渠，最后经加压后回用或排往附近水体;斜管沉淀池处理后的底部污泥排入污泥池，污泥池内的污泥经处理后返回尾矿库，滤液返回均质调节池。
处理装置外周回填人工改良土壤，在人工改良土壤上种植富集重金属植物，所述人工改良土壤是按照以下质量配比配置的土壤：当地粘土占60%，石灰占20%，粉煤灰占5%，腐殖酸占5%，微量元素铜、铁、锌、硼、钼各占2%。
人工生态填料层中的优势菌群主要包括下属微生物：氧化硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌、脱硫肠菌层、脱硫叶菌属、脱硫细菌层、脱硫球菌-脱硫线菌脱硫八叠菌属、脱硫弧菌脱硫微菌属。
挺水植物的根系中富含有多种微生物包括：假单胞杆菌、黄杆菌、产碱杆菌、色杆菌、无色杆菌、芽孢杆菌属、农杆菌属、肠杆菌。
挺水植物为东南景天和遏蓝菜，两种植物间种。
一种重金属尾矿库渗滤液多元组合生态处理方法，优选的具体控制参数包括：
(1)均质调节池
停留时间：8～10h
(2)pH调整池
pH：8～9
停留时间：20～30min
(3)电化学设备
pH：8～10.5
电化学设备供电电源电压380V
停留时间：10min～20min
换向周期：15min～20min
极板消耗：30‐120g/m3
(4)曝气池
停留时间：30～40min
(5)斜管沉淀池
停留时间：2～3h
斜管水力负荷：1.0～1.5m3/㎡·h
(6)污泥池
停留时间：4～5h
(7)人工生态过滤床
停留时间：12～14h
(8)人工生态氧化渠
停留时间：24～30h
(9)在处理构筑物四周30～40m范围内回填人工改良土壤，并在人工改良土壤上种植富集重金属植物。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
①以电化学、曝气、沉淀等物化为前处理工艺;以人工生态过滤床、人工生态氧化渠等生态处理修复工艺为后处理工艺的多元组合技术代替单一的处理工艺，能真正将成分复杂的重金属尾矿库渗滤液经处理和修复后达到国家《城市污水再生利用工业用水水质》(GB/T19923-2005)和《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)的严格水质标准，出水可直接排放或回用，处理和修复彻底。
②对处理构筑物四周填人工改良土壤并种植富集重金属植物，可消除对当地土壤的污染。