公布日：2023.11.24
申请日：2023.09.09
分类号：C02F3/28(2023.01)I;C02F1/28(2023.01)I;C02F1/52(2023.01)I;C02F1/66(2023.01)I;C02F103/06(2006.01)N;C02F103/10(2006.01)N
摘要
本发明公开了一种酸性矿山废水和城镇污水的联合深度处理装置与方法，包括：城镇污水储存区，均质调节区，可渗透反应墙区与自动化控制区。本发明将酸性矿山废水和城镇污水耦合处置，以达到“以废治废”的目的，同步实现酸性矿山废水和城镇污水的减量化和资源化，具有低成本、高稳定性、高效去除多类型污染物以及废弃资源配置优化再利用等显著优势，符合水厂及可渗透反应墙技术可持续性发展需求，适合于工程推广应用。
权利要求书
1.一种酸性矿山废水和城镇污水的联合深度处理装置，其特征在于，所述联合深度处理装置包括：城镇污水储存区，所述城镇污水储存区用于储存硝酸盐污水、废碱液和城镇生活污水；均质调节区，所述均质调节区用于均匀混合酸性矿山废水和硝酸盐污水、废碱液以及城镇生活污水；可渗透反应墙区，所述可渗透反应墙区用于酸性矿山废水和城镇污水的协同净化；以及，自动化控制区，所述自动化控制区用于控制所述城镇污水储存区设备的运行；其中，所述城镇污水储存区设有第一输送泵、第二输送泵和第三输送泵以及多个水质测定仪，所述第一输送泵、第二输送泵和第三输送泵分别与所述均质调节区连接；所述均质调节区包括相邻设置的第一均质调节池与第二均质调节池；所述可渗透反应墙区包括相邻设置的厌氧氨氧化可渗透反应墙和深度处理可渗透反应墙；所述第二均质调节池与所述厌氧氨氧化可渗透反应墙相邻设置。
2.根据权利要求1所述的一种酸性矿山废水和城镇污水的联合深度处理装置，其特征在于，所述城镇污水储存区包括硝酸盐污水储存罐、废碱液储存罐与城镇生活污水储存罐，所述硝酸盐污水储存罐通过所述第一输送泵与所述第一均质调节池连接，所述废碱液储存罐通过所述第二输送泵与所述第二均质调节池连接，所述城镇生活污水储存罐通过所述第三输送泵与所述第二均质调节池连接。
3.根据权利要求1所述的一种酸性矿山废水和城镇污水的联合深度处理装置，其特征在于，所述第一均质调节池包括卵石墙体与第一布水管，所述卵石墙体包裹所述第一布水管；所述第二均质调节池包括卵石墙体与第二布水管，所述卵石墙体包裹所述第二布水管，所述第一布水管与第二布水管上均设有进水管与配水支管；所述第一均质调节池的两端分别设有第一监测井与第二监测井。
4.根据权利要求3所述的一种酸性矿山废水和城镇污水的联合深度处理装置，其特征在于，所述配水支管设有配水口，所述配水口均匀分布且开口方向与酸性矿山废水污染羽渗流方向一致，所述配水口的轴线与水平方向成45°夹角。
5.根据权利要求1所述的一种酸性矿山废水和城镇污水的联合深度处理装置，其特征在于，所述厌氧氨氧化可渗透反应墙的两端分别设有第三监测井与第四监测井，所述深度处理可渗透反应墙远离所述均质调节区的一端设有第五监测井。
6.根据权利要求1所述的一种酸性矿山废水和城镇污水的联合深度处理装置，其特征在于，所述自动化控制区包括PLC和计算机，所述PLC内置接口并连接所述第一输送泵、所述第二输送泵与所述第三输送泵以及多个水质测定仪，所述PLC与所述计算机连接进行自动化控制。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种酸性矿山废水和城镇污水的联合深度处理装置，其特征在于，所述第一均质调节池、第二均质调节池、厌氧氨氧化可渗透反应墙和深度处理可渗透反应墙的渗透系数为含水层渗透系数的2倍以上，且所述第一均质调节池、第二均质调节池、厌氧氨氧化可渗透反应墙以及深度处理可渗透反应墙的渗透系数相等或者按照酸性矿山废水污染羽渗流流向逐级升高。
8.一种酸性矿山废水和城镇污水的联合深度处理方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的联合深度处理装置。
9.根据权利要求8所述的一种酸性矿山废水和城镇污水的联合深度处理方法，其特征在于，所述处理方法包括以下步骤：1)酸性矿山废水与硝酸盐污水混合进行第一次水质调节：将硝酸盐污水通入第一均质调节池，使硝酸盐污水和酸性矿山废水均匀混合；测定第一均质调节池出水水质情况，经第一均质调节池流出的酸性矿山废水污染羽渗流中总铁和硝酸盐的摩尔浓度比为2-6；2)酸性矿山废水与废碱液和城镇生活污水混合进行第二次水质调节：将废碱液与城镇生活污水通入第二均质调节池，使废碱液与城镇生活污水和酸性矿山废水均匀混合；测定第二均质调节池出水水质情况，经第二均质调节池流出的酸性矿山废水污染羽渗流的pH为7.27-7.32，氨氮的摩尔浓度为总铁摩尔浓度的1/8-1/3和硫酸盐摩尔浓度的2-8倍之和；3)酸性矿山废水和城镇污水的同步脱氮除硫去铁：经第二均质调节池流出的酸性矿山废水污染羽渗流进入厌氧氨氧化可渗透反应墙，介质为厌氧氨氧化生物膜或厌氧氨氧化颗粒污泥，介质填充比为75％以上，水力停留时间HRT为4-8h；4)酸性矿山废水和城镇污水的深度处理：经厌氧氨氧化可渗透反应墙流出的酸性矿山废水污染羽渗流进入以改性膨润土和粉煤灰复合材料为介质的深度处理可渗透反应墙，水力停留时间HRT为3-6h，出水重新进入地下土壤，汇入地下水。
10.根据权利要求9所述的一种酸性矿山废水和城镇污水的联合深度处理方法，其特征在于，步骤4)中，所述改性膨润土和粉煤灰复合材料的制备方法为：将质量比为1:1的粉煤灰与氧化钙在1200℃高温下煅烧3小时，降温至600℃，按粉煤灰和膨润土的体积比为1:1-1:3添加膨润土，继续煅烧1.5-2小时，获得改性膨润土和粉煤灰复合材料。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种酸性矿山废水和城镇污水的联合深度处理装置与方法，本发明将酸性矿山废水和城镇污水耦合处置，以达到“以废治废”的目的，同步实现酸性矿山废水和和城镇污水的减量化和资源化，具有低成本、高稳定性、高效去除多类型污染物以及废弃资源配置优化再利用等显著优势，符合水厂及可渗透反应墙技术可持续性发展需求，适合于工程推广应用。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种酸性矿山废水和城镇污水的联合深度处理装置，所述联合深度处理装置包括：
城镇污水储存区，所述城镇污水储存区用于储存硝酸盐污水、废碱液和城镇生活污水；
均质调节区，所述均质调节区用于均匀混合酸性矿山废水和硝酸盐污水、废碱液以及城镇生活污水；
可渗透反应墙区，所述可渗透反应墙区用于酸性矿山废水和城镇污水的协同净化；
以及，自动化控制区，所述自动化控制区用于控制所述城镇污水储存区设备的运行；
其中，所述城镇污水储存区设有第一输送泵、第二输送泵和第三输送泵以及多个水质测定仪，所述第一输送泵、第二输送泵和第三输送泵分别与所述均质调节区连接；
所述均质调节区包括相邻设置的第一均质调节池与第二均质调节池；
所述可渗透反应墙区包括相邻设置的厌氧氨氧化可渗透反应墙和深度处理可渗透反应墙；
所述第二均质调节池与所述厌氧氨氧化可渗透反应墙相邻设置。
作为本发明的一种优选方案，所述城镇污水储存区包括硝酸盐污水储存罐、废碱液储存罐与城镇生活污水储存罐，所述硝酸盐污水储存罐通过所述第一输送泵与所述第一均质调节池连接，所述废碱液储存罐通过所述第二输送泵与所述第二均质调节池连接，所述城镇生活污水储存罐通过所述第三输送泵与所述第二均质调节池连接。
作为本发明的一种优选方案，所述第一均质调节池包括卵石墙体与第一布水管，所述卵石墙体包裹所述第一布水管；所述第二均质调节池包括卵石墙体与第二布水管，所述卵石墙体包裹所述第二布水管，所述第一布水管与第二布水管上均设有进水管与配水支管；所述第一均质调节池的两端分别设有第一监测井与第二监测井。
作为本发明的一种优选方案，所述配水支管设有配水口，所述配水口均匀分布且开口方向与酸性矿山废水污染羽渗流方向一致，所述配水口的轴线与水平方向成45°夹角。
作为本发明的一种优选方案，所述厌氧氨氧化可渗透反应墙的两端分别设有第三监测井与第四监测井，所述深度处理可渗透反应墙远离所述均质调节区的一端设有第五监测井。
作为本发明的一种优选方案，所述自动化控制区包括PLC和计算机，所述PLC内置接口并连接所述第一输送泵、所述第二输送泵与所述第三输送泵以及多个水质测定仪，所述PLC与所述计算机连接进行自动化控制。
作为本发明的一种优选方案，所述第一均质调节池、第二均质调节池、厌氧氨氧化可渗透反应墙和深度处理可渗透反应墙的渗透系数为含水层渗透系数的2倍以上，且所述第一均质调节池、第二均质调节池、厌氧氨氧化可渗透反应墙以及深度处理可渗透反应墙的渗透系数相等或者按照酸性矿山废水污染羽渗流流向逐级升高。
本发明还提供了采用上述联合深度处理装置的酸性矿山废水和城镇污水的联合深度处理方法。
作为本发明的一种优选方案，所述处理方法包括以下步骤：
1)酸性矿山废水与硝酸盐污水混合进行第一次水质调节：将硝酸盐污水通入第一均质调节池，使硝酸盐污水和酸性矿山废水均匀混合；测定第一均质调节池出水水质情况，经第一均质调节池流出的酸性矿山废水污染羽渗流中总铁和硝酸盐的摩尔浓度比为2-6；
硝酸钠作为搪瓷、玻璃、化肥、冶金、机械等领域的主要原料，在市场中的需求量呈逐年上升趋势。但是在相关的使用或生产工艺中，相当一部分硝酸钠存在于废水中，直接排放会导致水体的污染。此外，在不锈钢表面处理过程中同样会产生大量的酸洗废硝酸。目前需要对此类硝酸盐废水进行专门的处理，方法主要有高温焙烧法、中和回收法、膜过滤法、溶剂萃取法、减压蒸发法、强制循环蒸发等，均需投入极大的处理成本。本发明中，硝酸盐污水用于为酸性矿山废水补充硝酸盐，并在厌氧氨氧化可渗透反应墙中进行联合处理。
2)酸性矿山废水与废碱液和城镇生活污水混合进行第二次水质调节：将废碱液与城镇生活污水通入第二均质调节池，使废碱液与城镇生活污水和酸性矿山废水均匀混合；测定第二均质调节池出水水质情况，经第二均质调节池流出的酸性矿山废水污染羽渗流的pH为7.27-7.32，氨氮的摩尔浓度为总铁摩尔浓度的1/8-1/3和硫酸盐摩尔浓度的2-8倍之和；
硫化氢(H2S)是一种有毒且具有刺激性气味的气体，常见于污水处理厂、钢铁厂、焦化企业、化工厂、油田和其他工业过程中。其中，吸收剂法是处理硫化氢的主要手段，常用的吸收剂包括氨水、氢氧化钙溶液等碱性液体。吸收剂法会产生大量的含硫化盐废碱液，目前的处理方法包括酸碱中和法、DTRO膜浓缩技术、中空膜+纳滤处理工艺等，设备投资大、运行成本高，需投入极大的处理成本。本发明中，废碱液用于调节酸性矿山废水的pH、补充氨氮、去除重金属，而城镇生活污水在废碱液对酸性矿山废水第一次补充氨氮的基础上，进一步补充氨氮和有机物以满足厌氧氨氧化细菌的代谢计量学，进而在厌氧氨氧化可渗透反应墙中进行联合处理。
3)酸性矿山废水和城镇污水的同步脱氮除硫去铁：经第二均质调节池流出的酸性矿山废水污染羽渗流进入厌氧氨氧化可渗透反应墙，介质为厌氧氨氧化生物膜或厌氧氨氧化颗粒污泥，介质填充比为75％以上，水力停留时间HRT为4-8h；
厌氧氨氧化(Anaerobicammoniumoxidation，Anammox)工艺是一种经济高效、环境友好的生物脱氮技术，特别适合处理低有机碳、高氨氮废水。该工艺依托自养型Anammox菌，在缺氧条件下，以氨为电子供体，以亚硝酸盐为电子受体，生成氮气(N2)和部分硝酸盐(NH4++1.32NO2-→N2+0.26NO3-)。近年来研究发现，Anammox菌具有多样化的代谢路径，除可发生如前所述的亚硝酸盐型厌氧氨氧化反应，还可发生硫酸盐型厌氧氨氧化反应、亚铁型厌氧氨氧化反应以及铁氨氧化反应。其中，硫酸盐型厌氧氨氧化是Anammox菌以氨为电子供体，以硫酸盐为电子受体的生物反应，其反应产物为N2和S(2NH4++SO42-→N2+S)，本发明中经均质调节区流出的酸性矿山废水和城镇污水的混合污水具有低COD、高NH4+及偏碱性等特点，十分有利于硫酸盐型厌氧氨氧化反应的发生；亚铁型厌氧氨氧化是Anammox菌以Fe2+为电子供体，以(亚)硝酸盐为电子受体的生物反应，其反应产物为N2和三价铁(Fe3+)(NO3-+5Fe2+→0.5N2+5Fe3+)，由于Anammox菌对Fe3+的吸附、利用，出水Fe3+浓度常低于检测限；铁氨氧化是Anammox菌以氨为电子供体，以Fe3+为电子受体的生物反应，其反应产物为N2和Fe2+(NH4++3Fe3+→0.5N2+3Fe2+)，由于Anammox菌对Fe2+的吸附、利用，出水Fe2+浓度常低于检测限。
4)酸性矿山废水和城镇污水的深度处理：经厌氧氨氧化可渗透反应墙流出的酸性矿山废水污染羽渗流进入以改性膨润土和粉煤灰复合材料为介质的深度处理可渗透反应墙，水力停留时间HRT为3-6h，出水重新进入地下土壤，汇入地下水。
作为本发明的一种优选方案，步骤4)中，所述改性膨润土和粉煤灰复合材料的制备方法为：将质量比为1:1的粉煤灰与氧化钙在1200℃高温下煅烧3小时，降温至600℃，按粉煤灰和膨润土的体积比为1:1-1:3添加膨润土，继续煅烧1.5-2小时，获得改性膨润土和粉煤灰复合材料。
在本发明中，粉煤灰作为排放量最大的工业废料之一，目前每年的排放量达到近1.6亿吨，然而其利用率仅50％左右，大量的粉煤灰被堆放到灰场，既占用了大量的土地资源，也容易造成环境污染。粉煤灰作为一种多孔性、具较大比表面积的固体颗粒，可用于废水处理中的吸附剂或混凝剂，具有价格低廉的优势，在pH值为4-7之间吸附效果较好，重金属吸附率可达到80-90％，有机物去除率可达60％，SS、细菌总数和大肠菌群去除率达90％以上，对色度和臭味的去除尤为明显。但由于粉煤灰吸附容量不高，去除污染物的效率较低。火法改性膨润土和粉煤灰复合材料可显著提高其吸附容量和效果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明将酸性矿山废水和城镇污水耦合处置达到“以废治废”的目的，同步实现酸性矿山废水和城镇污水的减量化和资源化，具有低成本、高稳定性、高效去除多类型污染物以及废弃资源配置优化再利用等显著优势，符合水厂及可渗透反应墙技术可持续性发展需求，适合于工程推广应用。
（发明人：李智行;高锐涛;宋思远;毛加;李祖荣;戴方为;杜佳;郑豪）
