一种废弃硫铁矿区酸性地下水修复系统的制作方法

1.本实用新型属于矿区酸性地下水修复技术领域，具体涉及一种废弃硫铁矿区酸性地下水修复系统。


背景技术：

2.在早期的硫铁矿开采过程中，由于当时经济落后，生产力水平低下，环境保护意识不强，因此没有统规划，常采取粗放型的开采方式，矿洞随挖随甩，废矿石渣随坡乱倒。矿区停采后留下了极多矿洞和大量废弃矿渣，大量矿渣裸露地面，致使地表氧化层被破坏，经雨水冲刷形成ph值极低的“磺水”，其中ph值远低于ⅲ类水水质标准，地下水呈强酸性，且硫化物、铁含量严重超标，对周边地表水体、土壤、人体健康存在巨大环境威胁。
3.目前处理酸性矿区废水主要采用污水处理厂处置，其处理工艺为在反应池中投加碱性氢氧化钠中和酸性废水，水中的铁离子与药剂中的氢氧根发生反应生成氢氧化铁沉淀，经沉砂池沉淀后投加絮凝剂进一步沉淀，后经沉淀池沉淀处理酸性废水。由于矿区多处于山区，用电及交通不便，且进行废水处理厂处置矿区地下水成本高，运营周期长，亟待开发一种适用于废弃硫铁矿区的，成本费用较低及人工运维少的废弃硫铁矿区酸性地下水修复系统。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种废弃硫铁矿区酸性地下水修复系统，能够利用矿区自然环境，增加废水中的氧气含量，同时实现成本较低、运维较少的酸性废水中和。
5.为实现上述目的，本实用新型的技术方案为一种废弃硫铁矿区酸性地下水修复系统，包括矿洞废水收集单元、矿渣废水收集单元、自然曝气单元、中和反应单元、沉淀单元以及人工湿地单元；所述矿洞废水收集单元的出水口和所述矿渣废水收集单元的出水口均与所述自然曝气单元的进水口连接，所述自然曝气单元的出水口与所述中和反应单元的进水口连接，所述中和反应单元的出水口与所述沉淀单元的进水口连接，所述沉淀单元的出水口与所述人工湿地单元的进水口连接。
6.进一步地，所述矿洞废水收集单元包括两道封堵墙，两道封堵墙之间填充有填充材料，所述填充材料的底部设有排水管，所述排水管与所述自然曝气单元的进水口连接。
7.更进一步地，所述填充材料的顶部设置有导气管，所述导气管的出气端伸至所述封堵墙外且设置为倒u型结构。
8.进一步地，所述矿渣废水收集单元包括设置于矿渣一侧的混凝土挡墙，所述混凝土挡墙的迎土面铺设有hdpe膜，所述混凝土挡墙的底部间隔预埋有若干pvc导管，且所述pvc导管的一端伸至矿渣，另一端与所述自然曝气单元的进水口连接。
9.更进一步地，所述混凝土挡墙上设有沉降缝和伸缩缝，所述沉降缝和所述伸缩缝合并设置，且每隔15m设置一道，缝宽为2cm，缝内采用胶泥填塞。
10.进一步地，所述自然曝气单元包括依次连接的跌水渠和消力池，所述跌水渠包括多级曝气元件，每级曝气原件高差为0.5m；所述跌水渠的进水口与所述矿洞废水收集单元的出水口和所述矿渣废水收集单元的出水口连接，所述消力池的出水口与所述中和反应单元的进水口连接。
11.进一步地，所述中和反应单元内设有石灰石滤料层和白云石滤料层，且所述石灰石滤料层位于所述白云石滤料层的上方。
12.进一步地，所述沉淀单元包括依次连接的入流渠、沉砂区和出流渠，所述入流渠与所述中和反应单元的出水口连接，所述出流渠与所述人工湿地单元的进水口连接，所述沉砂区的底部设有沉砂斗。
13.进一步地，所述人工湿地单元的池体内从下至上依次设有石英砂层、粗砂砾石层和石灰石碎砾层，所述石英砂层上方的池壁上设有人工湿地单元进水口，所述人工湿地单元进水口与所述沉淀单元的出水口连接。
14.进一步地，所述自然曝气单元、所述中和反应单元、所述沉淀单元以及所述人工湿地单元的池体均采用c40混凝土浇筑而成，且池体的池壁和池底上均铺设有hdpe膜。
15.与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
16.本实用新型提供的通过矿洞废水收集单元、矿渣废水收集单元分别将矿洞封堵后新产生的污染地下水和矿渣堆封存后新产生的污染地下水集中收集后，通过管道输送至自然曝气单元中进行无动力曝气，依次通过中和反应单元反应中和、沉淀单元沉淀及人工湿地单元净滞，最终达标排放；该系统建设运行费用低、后期运维工作少、管理简单，适用于交通不便、无人运维的偏远废弃矿区环境，对实现废弃矿区生态修复具有良好的效果。
附图说明
17.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
18.图1为本实用新型实施例提供的废弃硫铁矿区酸性地下水修复系统的结构示意图；
19.图中：1、矿洞废水收集单元；2、矿渣废水收集单元；3、自然曝气单元；4、中和反应单元；5、沉淀单元；6、人工湿地单元。
具体实施方式
20.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
21.如图1所示，本实用新型实施例提供一种废弃硫铁矿区酸性地下水修复系统，包括矿洞废水收集单元1、矿渣废水收集单元2、自然曝气单元3、中和反应单元4、沉淀单元5以及人工湿地单元6；所述矿洞废水收集单元1的出水口和所述矿渣废水收集单元2的出水口均
与所述自然曝气单元3的进水口连接，所述自然曝气单元3的出水口与所述中和反应单元4的进水口连接，所述中和反应单元4的出水口与所述沉淀单元5的进水口连接，所述沉淀单元5的出水口与所述人工湿地单元6的进水口连接。本实施例通过矿洞废水收集单元1、矿渣废水收集单元2分别将矿洞封堵后新产生的污染地下水和矿渣堆封存后新产生的污染地下水集中收集后，通过管道输送至自然曝气单元3中进行无动力曝气，依次通过中和反应单元4反应中和、沉淀单元5沉淀及人工湿地单元6净滞，最终达标排放；该系统建设运行费用低、后期运维工作少、管理简单，适用于交通不便、无人运维的偏远废弃矿区环境，对实现废弃矿区生态修复具有良好的效果。
22.进一步地，所述矿洞废水收集单元1包括两道封堵墙，两道封堵墙之间填充有填充材料，所述填充材料的底部设有排水管，所述排水管与所述自然曝气单元3的进水口连接。更进一步地，所述填充材料的顶部设置有导气管，所述导气管的出气端伸至所述封堵墙外且设置为倒u型结构。废弃矿洞内地下水渗水、新产生的酸性废水以及洞内气体无法及时排出可能会对矿洞的安全造成一定的影响，且由于地下水的蓄积可能会产生新的地下水优势通道，造成不可预见的新的地下水污染。本实施例通过矿洞底部的排水管导排矿洞内新产生的污染地下水，通过矿洞顶部的导气管导排平洞封堵后洞内废气，导气管出口设置倒u型接口以防止雨水或其他杂物落入堵塞，同时导气管和排水管管口均设置有控制蝶阀和压力表，以控制污染地下水和废气的排放；矿洞废水收集单元1将矿洞内的地下水通过排水管连接引水渠的进水口，引水渠的排水口与自然曝气单元3的进水口连接，引水渠的以重力流为主，不设或少设提升泵站，当无法采用重力流或重力流不经济时，采用压力流。此外，本实施例的填充材料采用石灰石、黏土；内封堵墙自井口以下垂深大于20m处砌筑混凝土墙，强度满足承重要求，外封堵墙在井口处砌筑厚度不小于1m的混凝土墙。
23.进一步地，所述矿渣废水收集单元2包括设置于矿渣一侧的混凝土挡墙，所述混凝土挡墙的迎土面铺设有hdpe膜，所述混凝土挡墙的底部间隔预埋有若干pvc导管，且所述pvc导管的一端伸至矿渣，另一端与所述自然曝气单元3的进水口连接。废弃矿渣内新产生的污染地下水存在于矿渣堆体内部，如果不及时收集导排出来，可能会对矿渣堆体挡土墙的安全性造成一定的影响，且存在一定的环境风险。本实施例的矿渣废水收集单元2设置混凝土挡墙支护废弃矿渣防止其位移，并在矿渣堆封存后的最低点，即混凝土挡墙的迎土面的最低端，设置地下水导排盲沟，盲沟由碎石填充而成，碎石内部设置地下水导排花管作为地下水导排管，混凝土挡墙内置pvc导管为泄水孔收集矿渣渗滤地下水，泄水孔间距2m，矿渣堆体内新产生的污染地下水通过盲沟收集导排后接入pvc导管，pvc导管连接引水渠的进水口，引水渠的排水口与自然曝气单元3的进水口连接。为防止地表水渗入矿渣，在混凝土挡墙面向矿渣的侧面铺设有hdpe膜进行复合防渗，渗透系数小于1
×
10-7
cm/s。
24.更进一步地，所述混凝土挡墙上设有沉降缝和伸缩缝，所述沉降缝和所述伸缩缝合并设置，且每隔15m设置一道，缝宽为2cm，缝内采用胶泥填塞。
25.进一步地，所述自然曝气单元3包括依次连接的跌水渠和消力池，所述跌水渠包括多级曝气元件，每级曝气原件高差为0.5m；所述跌水渠的进水口与所述矿洞废水收集单元1的出水口和所述矿渣废水收集单元2的出水口连接，所述消力池的出水口与所述中和反应单元4的进水口连接。硫铁矿区地下水中溶解氧含量低，本实施例的自然曝气单元3利用山区自然地势，跌水渠由多级曝气原件构成，每级曝气原件高差为0.5m，其中每级跌水曝气元
件由多个尺寸均一的跌水曝气单元连续组成，利用地形落差，水流下落过程中与空气接触面积增大和内部搅动的特点，增加氧的传质速率，实现快速补充水体中消耗的溶解氧的目的。
26.进一步地，所述中和反应单元4内设有石灰石滤料层和白云石滤料层，且所述石灰石滤料层位于所述白云石滤料层的上方。由于矿区多地处山区，交通运输及后期维护困难，建立投药式污水反应池人力及药剂成本较高，且后期运行维护困难，本实施例的中和反应单元4的滤料采用具有中和性能的石灰石和白云石的组合，其主要成分都是cao，在水中能够反应生成ca(oh)2，能够有效中和污染地下水中的酸，快速提高地下水的ph；滤料粒径30~50mm，滤料厚度为1m，石灰石滤料铺设在上层，白云石滤料铺设在下层，根据滤料与污染地下水的反应消耗情况进行更换，节省人力及运维成本。
27.进一步地，所述沉淀单元5包括依次连接的入流渠、沉砂区和出流渠，所述入流渠与所述中和反应单元4的出水口连接，所述出流渠与所述人工湿地单元6的进水口连接，所述沉砂区的底部设有沉砂斗。本实施例的沉淀单元5中废水最大流量时停留时间设置为30~60秒，池底坡度为0.01~0.02；入流渠与沉砂区之间以及沉砂区与出流渠之间均设有闸板以控制水流，沉砂斗下接排砂管。
28.进一步地，所述人工湿地单元6的池体内从下至上依次设有石英砂层、粗砂砾石层和石灰石碎砾层，所述石英砂层上方的池壁上设有人工湿地单元6进水口，所述人工湿地单元6进水口与所述沉淀单元5的出水口连接。优化地，人工湿地单元6选择芦苇、菖蒲作为人工湿地种植植物，考虑到雨季暴雨径流带来的超高水位，此时淹没的最大深度应保证大部分植物能够生存并发挥功能，池体有效水深1.5m。本实施例的人工湿地单元6从下到上分为滤料层、过渡层和排水层，选择0.2~2mm石英砂（sio2≥95%）填料作为基底滤料层，厚度100mm；选择4~8mm粗砂砾石作为过渡层，铺设厚度100mm；选择10~30mm石灰石碎砾填料作为排水层，厚度200mm，填料孔隙率设计为0.4。人工湿地单元6采用垂直潜流人工湿地，废水均匀进入填料床底部，在湿地内部进行反应，反应过后的出水经过排水层内的出水管排出；可以充分利用到植物根系以及富集在基质表面的生物膜，在处理污水的同时还具有良好的景观效果，有利于改造环境，且具有投资少、运行成本低等明显优势。
29.进一步地，所述自然曝气单元3、所述中和反应单元4、所述沉淀单元5以及所述人工湿地单元6的池体均采用c40混凝土浇筑而成，且池体的池壁和池底上均铺设有hdpe膜。本实施例中混凝土构筑物在使用过程中均会与硫铁矿酸性废水接触而造成一定的腐蚀，尤其是作为加固作用的挡土墙，不仅要承受矿渣堆体的被动土压力，而且挡土墙迎土面的底部长期浸泡在酸性废水中，容易造成挡土墙强度减弱而造成破坏，产生严重的地质灾害，池体受到酸性废水的腐蚀也会失去功能。对于直接与硫铁矿酸性废水接触，直接受到废水腐蚀的建构筑物，如挡土墙、跌水渠、中和反应池等，严格按照混凝土防腐要求，选用c40级砼进行砌筑，抗渗要求p8，池底防渗小于10-8
m/s；对于与处理后的地下水接触，可能会受到酸性废水腐蚀的建构筑物，如沉淀池、人工湿地等，考虑其安全性能，也选用c40级砼进行砌筑，抗渗要求p8，池底防渗小于10-8
m/s；而对于其他不与地下水直接接触的建构筑物，如截洪沟、排水沟等，由于未直接与酸性废水接触，选用较低级如c20砼进行砌筑；其次，所有与地下水接触的建构筑，均采用hdpe膜进行防腐处理，进一步加强防腐等级，如挡土墙的迎土面、跌水渠的内壁及底面、反应池的内壁及底面、沉淀池的内壁及底面、人工湿地的内壁及
底面等。
30.如图1所示，采用本实施例的修复系统对废弃硫铁矿区酸性地下水进行修复的具体过程如下：
31.步骤1）矿井废水收集：矿洞废水收集单元1将矿井内的地下水收集至自然曝气单元3；
32.步骤2）矿渣废水收集：矿渣废水收集单元2将裸露矿渣内的地下水收集至自然曝气单元3；
33.步骤3）自然曝气：进入自然曝气单元3的水通过跌水渠的自然落差，对废水进行自然曝气，提高废水中的溶解氧含量；
34.步骤4）中和反应：经步骤3）处理后的废水通入中和反应单元4，废水与反应池中的滤料发生中和反应，反应原理如下：
35.cao 2h2o
ꢀ→ꢀ
ca(oh)236.fe2(so4)
3 3ca(oh)2→ꢀ
2fe(oh)3↓ꢀ
3caso437.步骤5）沉淀：经步骤4）处理后的废水通入沉淀单元5沉淀，经沉淀后上清液通过管道进入人工湿地单元6内；
38.步骤6）净滞：经步骤5）处理后的废水通入人工湿地单元6进行植物吸收、填料吸附、微生物好氧分解及反硝化处理后，最后通过底部出水管出水，用于农田灌溉或排入地表水。
39.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。