1.2.1 源头控制技术

    （1）物理控制

物理控制分为水封（水覆盖）和干性覆盖技术（Evangelou and Zhang, 1995），即将产生酸性废水的污染源淹没于水下或利用土壤等材料进行填埋。前者可隔断空气与污染源的接触，后者则可同时隔断污染源与水和空气的作用，从源头上消除酸性水产生的条件。物理控制技术比较适合于尾渣库和废石堆放场地。水封技术的推广应用受场地地形条件、水位季节变化等因素的影响较大，同时，水封技术很难完全隔断空气，对于长期处置废弃的场地效果不理想。Vigneault et al.（2001）曾报道某场地水封后2年内即监测到含硫矿物的氧化。干性覆盖既将尾渣或废石等密封填埋，隔断空气和雨水。密封材料包括细粒土壤（粘土）、有机废料（木屑、污泥、泥炭）、人造材料（聚乙烯、塑料衬垫）和植被等（杨博，2015；Bussiere et al., 2004）。长期看，土壤作为密封材料其渗透性能不稳定，特别是季节干湿变化明显的地区，土壤密封层极易因收缩膨胀产生裂隙。相对于土壤而言，有机废料由于含丰富的微生物群落，极利于填埋区厌氧环境的形成。此外，有研究还表明，微生物在生长过程中产生的溶解性中间产物可与Fe³⁺形成络合物，有效降低Fe³⁺对FeS₂的氧化作用（Pandey et al., 2011）。人造材料的老化、施工过程中的破损、后期维护费用较高等限制了其推广。

    （2）化学控制

化学控制又称为化学钝化，即使用化学材料，使其在含硫矿物表明形成一层被膜，防止含硫矿物的氧化（Zhang and Evangelou, 1998）。化学材料可分为无机和有机材料，常见的无机材料有磷酸盐、硅、高锰酸盐及氢氧化钠、碳酸钠、石灰、石灰石和煤灰等碱性材料（Pérez-López et al., 2007a; Cárdenes et al., 2009; Caldeira et al., 2010; Mauric and Lottermoser, 2011; Ji et al., 2012）。常见的有机材料有腐殖酸、脂类、多乙烯多胺、脂肪酸和草酸等（Wu et al., 2006; Ačai et al., 2009; Hao et al., 2009）。部分化学控制技术由于使用化学试剂，成本相对较高，且可能产生后续的环境问题。而利用天然或废弃材料如石灰石、硅和煤灰等能有效克服这些问题。然而，研究表明，石灰石的钝化作用有效期较短，主要原因是系统内生成的氢氧化铁胶体附着于石灰石颗粒表面，阻碍了其进一步的作用（Caldeira et al., 2010）。在使用硅作为钝化材料时，需要在硅溶液中添加缓冲剂和低浓度的过氧化氢，在FeS₂矿物表面形成氢氧化铁-硅层，进而转化为稳定的硅层，有效阻止FeS₂矿物的氧化（Zhang and Evangelou, 1998）。煤灰是近年来发现的一种良好的钝化材料，它的使用不仅能在短时间内提高系统的pH，促进生成氢氧化铁胶体，从而覆盖于FeS₂矿物颗粒表面，而且，随着时间延长，在煤灰与FeS₂矿物之间可生成新的矿物如石膏和文石（Pérez-López et al., 2007b）。这两种作用均能有效阻止FeS₂的继续氧化。此外，煤灰所含的硅、钙等成分能形成硅酸钙胶体，起到胶结FeS₂矿物颗粒的作用（Palamo et al., 2007）。有机材料中以腐殖酸和脂类最常用，主要原因是相对于大部分的有机材料而言，其成本低，对环境的影响小。腐殖酸对氧化物具有高度的亲和性，能有效抑制FeS₂的电化学行为，适用于较宽的酸性环境（pH>2）（Duval et al., 2007; Sahoo et al., 2013），但其对生物氧化作用的有效性及长期效果还需深入研究。脂类由于含有一个或多个二尾组分（two-tailed compounds），能形成疏水层而强烈阻止含硫矿物的氧化，即使在较低的pH条件下，其效果依然良好（Kargbo et al., 2004）。

    （3）细菌抑制

铁氧化菌和硫氧化菌对FeS₂的氧化起着极强的催化作用，因此，使用杀菌剂不失为一种有效的抑制FeS₂氧化的方法。常用的杀菌剂有阴离子表面活性剂（十二烷基硫酸钠）、有机酸、防腐剂等。杀菌剂通过改变包裹于FeS₂颗粒外部的保护膜，从而改变细菌酶赖以起作用的酸性环境或扰乱细菌与矿物表面之间的联系，达到抑制细菌生长或灭菌的目的（Kleinmann, 1998）。杀菌剂一般为液体，比较容易与尾渣和废石等污染源充分接触。研究表明，杀菌剂能抑制细菌活性，降低细菌数量，但无法完全消灭细菌；对于已经强烈氧化的污染源，使用效果不佳；由于容易流失，长期效果受到影响（Johnson and Hallberg, 2005）。此外，使用杀菌剂容易造成二次污染（Hodges et al., 2006）。

    （4）电化学保护

电化学保护利用电化学原理，将含含硫矿物的岩层或尾渣设置为阴极，通过降低其表面溶解氧的含量减弱含硫矿物的氧化作用（Brousseau et al., 2000）。据报道，采用该方法处理澳大利亚某50000m²的尾渣库，溶解氧的去除率高达99.9%（Lin et al., 2001）。该技术要求被处理岩层或尾渣含硫矿物含量较高，导电性较好，而且长期使用成本较高。

    （5）脱硫技术

脱硫技术主要用于含含硫矿物的尾渣的处置，如金属矿山的尾矿库。通常采用浮选技术分离回收尾渣中的含硫矿物如黄铁矿。通过浮选，尾渣硫含量可由20%降至0.5%（Bois et al., 2004）。处理后的低硫含量的尾渣还可用作未处理尾渣或废石的覆盖材料。该技术即可通过脱硫降低产生酸性废水的风险，也可回收含硫矿物，但当采用处理后尾渣作为覆盖材料时，必须解决好其渗透性的问题，如可与粘土混合，同时，还需对其中残留含硫矿物的氧化进行监测。

1.2.2 事后治理

    （1）被动处理技术

酸性废水的被动处理技术指采用固体废料、天然或改进的天然材料，综合利用生物、地球化学和重力等自然作用过程，中和酸性废水及去除其有毒有害组分的技术（Hedin et al., 2013）。常用的有需氧湿地系统、厌氧湿地系统、石灰石充填沟/床、垂直流系统和渗透反应墙等（程丽芬, 2015; Vyawahre and Rai,2016）。常用的天然材料包括石灰、石灰石、煤灰、褐煤、碱性造纸泥浆等（Olds et al., 2013; Dietz and Gourley, 2015; Muhammad et al., 2015; Abu-Baker et al., 2016）。

① 需氧湿地系统

需氧湿地系统主要用于处理铁离子含量较高的微酸性或纯碱性废水。其主要功能是通过曝气促进铁离子氧化和沉淀，并去除固体悬浮物。当废水碱性较强（pH>8），且含铁量较低时，也可用于去除废水中的锰离子（Luan et al.,2012）。废水中同时存在铁、锰离子时，铁离子优先沉淀。典型的好氧湿地系统为种植香蒲的浅水表流湿地。水深一般在10-30cm。香蒲的作用主要是减缓水流，其根部氧气的释放可一定程度上促进铁或锰离子的氧化。由于铁、锰离子的氧化均释放H⁺，经过该系统后，出水酸性将有一定程度的增强。该系统的处理能力受来水水质和占地面积的影响较大。另外，砷也是矿山酸性废水中常见的有毒有害组分，在氧化和酸性环境中，砷常常以五价阴离子形式（AsO₄^3-、HAsO₄^2-、H₂AsO₄^-）存在，而铁的水解产物对砷离子具有极强的吸附作用（谌宏伟等，2012；Suda et al.,2016; Chen et al.,2016），这也是该系统的重要功能之一。

② 厌氧湿地系统

在需氧湿地系统的基础上，底质加入石灰石或石灰石和易降解有机物的混合层既构成厌氧湿地系统。其形式有多种，如保持较浅的水深（10-30cm），种植水生植物；或者增加水深，布设物理设施以替代水生植物调节水流流态。厌氧湿地系统的功能主要包括三方面：

（a）去除SO₄^2-。在厌氧条件下，硫酸盐还原菌利用SO₄^2-和易降解有机物，发生代谢作用，反应如下式（2）。

（b）去除酸溶性金属离子。当废水中含有酸溶性金属离子（M）时，硫酸盐生物还原作用的最终产物为金属硫化物沉淀（唐婕琳等，2014），反应如式（3）。

（c）中和酸性。

底质中充填的石灰石溶解产生HCO₃^-，以及上述硫酸盐还原反应产生的HCO₃^-中和废水中的H⁺。

                                    （10）

                                  （11）

由于底层碱性水和表层酸性水的混合速度较慢，要求该系统有足够长的水力停留时间和较大的占地面积。

 

③ 封闭式石灰石充填沟/床

将石灰石充填至事先构建好的沟渠内，并覆盖以粘土，制造缺氧环境，即构成封闭式石灰石充填沟。该系统利用石灰石溶解产生HCO₃^-中和酸性废水。要求来水中溶解氧、铁和铝含量较低，一般认为不超过1mg/L（Zipper et al., 2011）。因为溶解氧的存在将引起Fe³⁺和Al³⁺的水解，生成的沉淀覆盖于石灰石表面及堵塞石灰石孔隙，阻碍水流与石灰石的溶解。该系统比较适合于含Fe²⁺和Mn²⁺离子的还原性酸性废水（Hedin et al., 2013）。相较于厌氧湿地和垂直流湿地系统，该系统效果较好，运行费用较低。但必须依据情况定期维护及更换材料。

 

    ④ 开放式石灰石充填沟

开放式石灰石充填沟同样是将石灰石充填于沟渠内，但没有封闭措施。该系统最初用于处理含Mn酸性废水，因为生成的Mn的沉淀质地密实，不易堵塞石灰石孔隙（Hedin et al., 2013）。如处理含Fe和Al的酸性废水，则在中和废水酸性的同时，可能产生Fe3+和Al³⁺的氢氧化物沉淀，堵塞石灰石孔隙。为解决这一问题，该系统一般依斜坡构建，确保废水一定的流速，以防止Fe³⁺和Al³⁺等的氢氧化物胶体下沉，或者水平构建，但必须保证来水具有一定的流速。然而，废水流速太快，则水力停留时间太短，处理效果受到影响。比较合适的工艺是构建能更换石灰石填料的系统，定期更换填料。鉴于此，该系统常常用作整个被动处理系统的一个单元（Skousen et al., 2000）。

 

⑤ 垂直流系统

垂直流系统又称为连续产碱系统（Kepler and McCleary，1994）或还原产碱系统（Watzlaf et al.，2000）。该系统由有机填料层、石灰石填料层和集水管组成。来水自上而下先后流过有机填料层和石灰石填料层后，进入集水管排入沉淀池。该系统结合了厌氧湿地系统和封闭式石灰石充填系统的特点，即有机填料层降低溶解氧含量、厌氧环境下产碱及去除SO₄^2-和酸溶性金属离子；石灰石填料层缺氧条件下进一步产碱中和废水酸性。如果来水Fe³⁺或悬浮物含量较大，为防止堵塞，通常在该系统前增设沉淀池。如果来水酸性较大，可采用多个垂直流系统串联。

要实现垂直流系统长期稳定运行，必须解决好两方面的问题：石灰石填料层的堵塞和有机填料层的退化。解决石灰石填料层的堵塞可布置冲洗系统，同时，综合考虑水力停留时间和石灰石孔隙大小。通常，石灰石块大小为10-15cm，石灰石填料层厚度60-100cm。有机填料层随着系统运行时间延长会逐渐退化，其主要原因来自微生物生长和絮状物的堵塞。为确保有机填料层长期保持良好的渗透性，有机填料的选择尤为重要，如蘑菇、堆肥和腐败干草等（陈月芳等，2013）。   

一般推荐有机填料层厚度在15-60cm。相对于厌氧湿地系统，该系统由于采用垂直流，缩短了水力停留时间和减小了占地面积。合理的设计及良好的维护，该系统服务期可达20年（Skousen and Ziemkiewicz, 2005）。

 

    ⑥ 渗透反应墙

在事先开挖的沟渠内充填处理材料，来水水平垂直流过填料层，即构成渗透反应墙。该系统常常用于处理污染的浅层地下水，也可通过构筑沟渠将废水引入该系统，从而处理各类污废水（刘菲等，2015）。根据来水性质，充填材料可以有有机材料和无机材料或混合材料等。处理酸性废水主要利用还原环境下微生物的产碱和沉淀作用以及石灰石的产碱中和作用。为处理极度酸性的地下水，英国希尔博特尔构建了一大型渗透反应墙，长180m，宽2m，深3m，填料包括马粪、秸秆、绿色废料和石灰石，效果良好（Younger et al., 2003）。

    被动处理系统可以作为独立系统处理酸性废水，也可作为主动处理系统的前处理单元，不同技术或工艺的选择取决于来水的水化学特点、场地条件和处理材料的来源。

    （2）主动处理技术

① 中和反应

在酸性废水中投加碱性化学药剂，中和废水酸性，去除废水中SO₄^2-及Fe、Mn、Al等金属离子。常用的碱性化学药剂有石灰、熟石灰、碳酸钙、碳酸钠、氢氧化钠、氧化镁和氢氧化镁等（Silva et al., 2012; 朱秋华等，2014；Tang et al.,2014）。该技术简单、高效，但污泥产生量大。

② 硫化物沉淀

硫化物沉淀法利用了金属硫化物溶解度小的特点，结合中和法，在不同pH范围内促进不同金属离子的分级沉淀，可有效实现资源化利用。常用的硫化剂有NaS、NaHS、H2S和CaS等。

③ 生物反应器

硫化物生物反应器是处理酸性废水的一种主要技术，相对于被动处理技术，其主要优势有：（a）处理效果和操作可控；（b）可选择性回收废水中的各种金属；（c）有效降低废水中的硫酸根。建设和运行费用极高是其主要的劣势。硫化物生物反应器利用硫酸盐还原菌的代谢作用产碱和去除废水中的SO₄^2-和金属元素（反应式（7）和（8）），但由于硫酸盐还原菌对废水pH的变化比较敏感，因此，被动处理技术由于控制的难度导致其效果不稳定，而本技术则可采用一定的措施进行控制，以达到效果最优。

该技术包含两大处理系统：生物产硫和Thiopap系统。生物产硫系统又由生物循环和化学循环两个独立的单元组成。生物循环单元生产H₂S，供给化学循环单元。酸性废水进入化学循环单元后，与H₂S作用，生成金属硫化物沉淀。通过调节废水pH和硫化物浓度等反应条件，可以选择性地去除一些特定的金属元素。Thiopap系统利用两类完全不同的微生物群落脱硫：利用硫酸盐还原菌将硫酸根转化为硫化物，进而生成金属硫化物沉淀；利用硫氧化菌将多余的H2S转化为硫。

1.2.3治理技术的优劣

    （1）源头控制技术主要用于尾渣和废石的处理，各有优劣。物理控制技术短期效果较好，受场地地形条件和气候条件影响较大，运行成本较高。化学钝化技术简单、有效。其中，硅由于其稳定性、耐酸性和处理效果的持久性，有望成为一种理想的钝化材料。煤灰，作为煤燃烧后的产物，材料丰富，成本低，使用时生成的硅酸钙胶体具有良好的固结含硫矿物的性能，是近年来发现的一种极具前景的无机钝化材料。相对于硅、煤灰等无机材料而言，有机材料适应于更低的酸性环境，且对含硫矿物的化学氧化和生物氧化均具有抑制作用。其中，脂类和腐殖酸因其效果好，对环境影响小，相对于其他有机材料成本较低，是有机材料中最具前景的钝化材料。与无机材料相比，有机材料单位成本高，且实际工程应用的有效性还存在一定的不确定性。细菌抑制技术适用于新鲜尾渣或废石，且有效期较短，同时，杀菌剂的使用对水生生物有毒。电化学保护技术仅适于含硫矿物含量较高的尾渣，且运行费用高。脱硫技术成熟、简单，可充分利用矿山原有浮选装置。它即是一种源头控制技术，也可有效回收含硫矿物，且处理后的尾渣还可用作覆盖材料。但作为覆盖材料时，必须关注其渗透性及是否产生后续的氧化作用的问题。

    （2）主动处理技术效果好，可控，服务期较长，占地小，受地形和气象条件的影响较小。但需要大量的化学药剂，建设费用和运行费用较高，污泥产生量大，污泥后续处理成本高。

    （3）被动处理技术使用天然材料或固体废料，成本较低，维护较简单，合理的设计可获得较好的效果，污泥的处理相对容易。但占地大，长期效果可能不稳定，受地形条件和气候条件影响较大。

3．发展趋势

矿山酸性废水产生量大，成分复杂，富含有毒有害组分，对环境危害极大。然而，其治理的高难度和高成本使得现有技术的推广受到极大的限制，新技术的应用更是难以实施。在追求绿色、生态、环保的今天，矿山酸性废水的治理也充分融入了生态的观念，其主要趋势为：

（1）源头控制技术中经济绿色的化学钝化材料的研发，强化源头控制的效果，降低事后治理时来水的污染负荷；

（2）开发被动处理技术中有机和无机填料，提高其处理效率，解决现有技术中填料堵塞的问题；

（3）各类技术的综合应用，特别是生物技术的应用；

（4）以系统的观点，开展矿山酸性废水从源头到排放的综合治理技术研究；

（5）酸性废水资源化技术的研发。

 

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本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩 1.研究积累 本组成员具备水力学、大学化学、水环境化学、工程制图等专业知识，整体学习成绩优异，对所学专业知识掌握好。通过课内实验的学习，熟练地掌握了水力学实验、水环境化学实验等基本实验原理及操作，为创新实验的开展打下了较扎实的基础。课题成员积极参加各项实践活动，实践能力强，且团队成员曾参加了科技立项、创新性实验和水利创新设计大赛,并顺利完成相关课题研究，获得较好成绩。通过这些项目研究，本团队成员学习和掌握了课题研究的思路和方法，熟悉了相关专业软件的使用，具备较好的实验操作能力和理论分析能力。 2.已取得的成绩     （1）完成文献和相关资料收集和整理，并通过阅读文献，了解了国内外研究最新进展以及我省金属矿山酸性废水的污染状况和处理现状；     （2）完成了湘潭碧泉湖湿地系统处理生活污水的实验和设计项目； （3）完成了本项目综合实验模型的初步设计； （4）完成湖南省大学生水资源综合利用创新设计，并获竞赛三等奖； （5）完成雨水净化再利用自动浇花装置，获第四届水利创新设计大赛三等奖。
项目的创新点和特色     （1）以系统的观点，构建从酸性废水产生的源头、废水处理到资源回收利用的综合治理技术，弥补目前国内基本以中和法和硫化物沉淀法为主的单一的酸性废水治理技术的不足；     （2）将处理浅层地下水的渗透反应墙的技术引入废水治理，结合封闭式石灰石充填床和表流湿地系统，分级处理废水。并采用天然材料和固体废料为原料，充分体现治理技术的生态性、经济性和可推广性；     （3）以水流的动力学为基础，实现湿地系统内的沉淀物的集中沉淀； （4）根据酸性废水的水质特征，分别设置厌氧渗透反应墙和封闭式石灰石充填床与好氧湿地系统，实现金属硫化物和铁锰氢氧化物的分离沉淀。
项目的技术路线及预期成果 1. 技术路线
图12 项目技术路线图

2. 预期成果

（1）钝化材料开发及其应用的可行性；

（2）酸性废水处理的无机和有机填料及其效果；

（3）金属矿山酸性废水的“源头控制—废水生态处理”的综合治理技术；

（4）项目报告，科技论文2-3篇，其中1篇英文SCI；

（5）专利1-2项。

 

 

年度目标和工作内容（分年度写） 2017年度： （1）4月-5月，资料收集整理，野外调查，完善实验方案； （2）6月-12月，煤灰钝化效果实验、石灰石、有机填料的处理效果实验； 2018年度： （3）1月-2月，本年度成果总结，撰写科技论文，专利申报。 （4）3月-10月，开展酸性废水的综合处理的模型实验； （5）11月-12月，综合处理实验成果总结； 2019年度： （6）1月-4月，撰写项目报告和科技论文，专利申报，成果验收。

指导教师意见 该项目有研究价值，同意立项。             签字：     谌宏伟              日期：

注：本表栏空不够可另附