城门山铜矿尾矿库酸性废水处理试验.pdf

*江西省重点研发计划项目（编号：20212BBG73013）。黄家新（1985），男，高级工程师，硕士，330006 江西省南昌市。通信作者薛锦春（1969），男，教授，博士，330006 江西省南昌市。城门山铜矿尾矿库酸性废水处理试验*黄家新1，2薛锦春1王伟伟3（1.江西理工大学能源与机械工程学院；2.江西铜业股份有限公司城门山铜矿；3.中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院）摘要为解决城门山铜矿刘家沟尾矿库酸性废水的处理问题，对该尾矿库的选矿废水进行初步检测分析后，开展了尾矿库废水pH调节试验，测定了pH值调节至6、7、8、9对应的品位为75%的生石灰消耗量、沉淀物沉降速率、底泥量、底泥主要成分等指标。结果表明，尾矿库废水pH值调节至69，每天需消耗品位为 75%的生石灰 0.5732.229 t，每天产生底泥湿质量和干质量分别为226.28362.85 t、7.5811.32 t，底泥主要由铁、铝、铜、钙、钠、硅的氧化物组成，尾矿库废水pH在69时产生的底泥Fe2O3含量最高。关键词硫化铜矿酸性废水酸碱中和法pH调节DOI：10.3969/j.issn.1674-6082.2023.08.047Acidic Wastewater Treatment Test of Tailings Reservoir in Chengmenshan Copper MineHUANG Jiaxin1，2XUE Jinchun1WANG Weiwei3（1.School of Energy and Mechanical Engineering，Jiangxi University of Science and Technology；2.Chengmenshan Copper Mine，Jiangxi Copper Corporation Limited；3.School of Chemical&Environmental Engineering，China University of Mining&Technology，Beijing）AbstractIn order to solve the problem of acid wastewater treatment in Liujiagou tailings reservoir ofChengmenshan Copper Mine，after the preliminary detection and analysis of the beneficiation wastewater ofthe tailings reservoir，the pH adjustment test of the tailings reservoir wastewater was carried out.When thepH value was adjusted to 6，7，8 and 9，the corresponding consumption of quicklime with grade of 75%，the sedimentation rate of sediment，the amount of sediment and the main components of sediment were measured.The results showed that when the pH value of the tailings reservoir wastewater was adjusted to 69，0.5732.229 t of quicklime with grade of 75%was consumed every day，and the wet weight and dry weightof the bottom mud produced every day were 226.28362.85 t and 7.5811.32 t，respectively.The bottomsediments are mainly oxides of iron，aluminum，copper，calcium，sodium and silicon.The content of Fe2O3in the sediment is the highest when the pH of tailings reservoir wastewater is 69.Keywordscopper sulfide ore，acidic wastewater，acid-base neutralization method，pH adjustment总第 652 期2023 年 8 月第 8 期现代矿业MODERN MININGSerial No.652August.2023铜矿资源是我国当前八大战略矿产资源之一，硫化铜矿石是铜矿石存在的主要形式，在开采过程中会产生大量的矿山酸性废水1-3，若处理不当会导致附近水体pH值降低、破坏水生生物的生长、降低水体的自净功能等4，从而引发一系列的环境问题，影响生产区域的可持续发展。矿山酸性废水产生的原因主要有3种：一是在硫化铜矿的开采过程中，含硫废石以及尾矿中的各类硫化矿物在潮湿环境下被氧化，形成硫的氧化物并溶解于水，生成酸性废水，同时产生相应的金属离子5-6；二是在矿床开采过程中，由于开采技术和设备方面的原因，导致地下水流入工作面形成矿坑水，矿坑水排放至地表易形成矿山酸性废水7-8；三是在矿石加工过程中，使用酸性浮选药剂或酸性浸出剂，从199现代矿业2023 年 8 月第 8 期总第 652 期而在矿山形成大量的酸性废水9。由于矿山酸性废水的pH值较低，含有铜、镍、汞、镉、铅、铬等大量的重金属离子10-12，如果直接排放，可能会引起水体酸化，破坏细菌和微生物的生存环境，使水的自净功能被破坏13，同时还毒害土壤，破坏植被，重金属离子还可以通过食物链富集在人体内，最终危害人体健康14。因此，解决矿山酸性废水问题迫在眉睫。矿山酸性废水的处理方法主要分为中和法、硫化物沉淀法和微生物法。酸碱中和法是将碱性中和剂投入矿山酸性废水中，用碱性物中的氢氧根与酸性废水中的酸根离子、重金属离子反应，生成水或氢氧化物沉淀15-16。实际应用中，常选用氢氧化钠与氢氧化钙等常见碱性中和剂17。硫化物沉淀法是将可溶于水的硫化剂（硫化钠、硫化钙等）投入矿山酸性废水中，与酸性废水中的重金属离子反应，生成不溶或难溶于水的金属硫化物，再通过施加表面活性剂改变金属硫化沉淀物的表面疏水性，使沉淀物与起泡剂发生粘附上浮，从而达到处理酸性废水的效果18。微生物法是利用硫酸盐还原菌和嗜酸性氧化亚铁硫杆菌等微生物，通过异化作用将硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐等中的硫氧还原为硫化物。万由令等19利用玉米芯为碳源，探讨了温度、玉米芯的添加量等因素对出水pH值、硫酸根离子、重金属离子等去除率的影响。结果表明，经硫酸盐还原菌处理后的矿山酸性废水各项指标达到生活饮用水的质量标准。苏宇等20以污泥与稻草为碳源，分别研究2种碳源对硫酸盐还原与重金属去除的影响。结果表明，仅将污泥为碳源时硫酸盐还原率较低，添加稻草后硫酸盐还原率从65.9%升至79.2%。对于含硫酸根的酸性废水，国内多采用以石灰乳为中和剂的一段中和法，酸碱中和法成本低、操作简单、工作条件要求低，可用于处理不同浓度不同性质的矿山酸性废水，故成为处理矿山酸性废水最常用的方法21。但酸碱中和法产生的渣量大，不仅会导致管道及设备内壁结垢，还会造成二次污染，且尾矿库水量受季节性影响，波动较大，不利于石灰乳投放量的控制22。基于此，本研究选取城门山铜矿刘家沟尾矿库的酸性废水为对象，测定酸性废水pH调节至6、7、8、9对应消耗品位为75%的生石灰的量、沉淀物沉降速率、底泥量、底泥主要成分等指标，以期为尾矿库水体酸碱智能调节提供理论依据。1研究区概况与原水水质分析1.1研究区概况试验水样取自城门山铜矿刘家沟尾矿库，尾矿库为西部及坝体周边放矿、自然形成东部蓄水区，蓄水约240万m3，扩容后的刘家沟尾矿库被拦挡坝分为东西两部分，东部为蓄水区，西部为尾砂堆积区。该尾矿库自2011年投入使用，设计坝顶高程30.0 m，总坝高20.0 m，总库容1 640.6万m3，有效库容1 506.6万m3，属三等库。1.2原水水质分析城门山铜矿尾矿库酸性废水主要包括调节库水（约占10.6%）、厂前回水（约占56.5%）和选厂日常用水（约占32.9%），尾矿库综合酸性废水总水量65 483m3/d，废水水质及排放标准（GB/T 199232005）见表1。从表1可以看出，废水的pH=5.12，呈弱酸性，明显低于标准下限；废水的化学需氧量为1 500 mg/L，悬浮物含量为 273 mg/L，硫酸根离子浓度为 14 400mg/L，不同程度超过排放标准要求，即尾矿库废水水质不符合污水排放水质标准，若排入水体易造成土壤污染、植被破坏、生物多样性受到破坏，甚至威胁人类生命健康与安全。因此，在排放前需进行处理。2试验研究与分析2.1尾矿库废水pH值调节试验根据城门山铜矿水处理实际，要求调节库水3 365 t/d、厂前回水18 000 t/d、采坑水10 483 t/d，选厂日常用水37 000 t/d，拟按比例（调节库水、厂前回水、采坑水质量比为 0.106 0.565 0.329）将 3 种混合水500 mL 于烧杯中，待稳定后添加一定量质量分数0.1%的生石灰溶液（品位为 75%的生石灰 1 g 加入999 g自来水中搅拌均匀），试验结果见表2，废水pH值调节至6、7、8、9情况下按每天处理废水31 848 t计所消耗的品位为75%的生石灰的量见表3。从表2可以看出，尾矿库废水的pH值随生石灰溶液添加量的增大而提高。据此进行线性回归的方程为 y=9.136 5x-46.13，R2=0.992 7，说明估值与对应实际数据间的拟合程度非常高，二者几乎呈线性相200黄家新薛锦春等：城门山铜矿尾矿库酸性废水处理试验2023 年 8 月第 8 期关关系。从表3可以看出，尾矿库废水pH值调节至69，每天需消耗品位为75%的生石灰0.5732.229 t。试验中观察到，调节后的废水放置12 h后会出现一定的返酸现象，其pH值普遍下降12，故建议用生石灰调节酸性尾矿库废水的pH值时，适当增加生石灰的投放量，增加量以调高pH值12为宜，即将pH值调节至89，从而确保返酸后的处理废水pH值达标。2.2沉降速率试验取按2.1节方法配制的尾矿库废水500 g于内径6 cm、高度36 cm的有机玻璃圆筒中，在筒壁上自上而下设3个采样点，分别距离水面为10、20和30 cm。分别添加9、18、28、35 mL质量分数为0.1%的生石灰溶液。静沉降试验开始前摇匀水样，对添加不同量生石灰溶液的废水上、中、下3层同时取25 mL初始水样。试验过程中，分上、中、下3层同时取样，体积均为 25 mL，取样时间间隔为 0、15、30、45、60、90、120、150、180、240、300、480、720、1 440、2 160 min，对添加 0、9、18、28、35 mL生石灰溶液的各废水样的 3个采样位置的悬浮颗粒物浓度变化情况进行拟合，曲线见图1。从图1可以看出，在静沉降初始阶段，上、中、下层悬浮颗粒物浓度降低较快，随着时间的增长，其浓度变化趋缓；未加生石灰溶液的废水下层水样沉降初期的悬浮颗粒物浓度下降速率明显快于中、上层；添加生石灰溶液的废水中层悬浮颗粒物沉降速率明显高于上、下层；随着生石灰溶液添加量的增加，悬浮物颗粒浓度达到平衡的时间不断缩短，未加生石灰溶液的废水平均沉降速率为0.075 cm/s，添加生石灰溶液的尾矿库废水沉降速率为0.2110.350 cm/s。2.3底泥量试验取按2.1节方法配制的尾矿库废水500 g，分别添加9、18、28、35 mL质量分数为0.1%的生石灰溶液，沉淀完全后的底泥质量见表4，废水pH值对底泥产生量的影