（岩土工程专业论文）可渗透反应障（prb）在大宝山矿山污染治理中的应用研究.pdf

中山大学硕士学位论文 摘要 矿山污水的治理作为环境岩土工程研究的主要方向之一，实践和理论研究上在国 内外受到很大的关注。广东大宝山是一座露天开采的矿山，其裸露的矿山采场经过雨 水冲刷汇集的地面水及选矿产生的酸性废水含有z n 、c u 、p b 、h g 、a s 、c d 等多种 重金属元素，使矿区周围的土壤、河流以及地下水受到了很严重的污染，并对下游居 民产生了极大的危害，大宝山矿业公司通过修建尾矿库来蓄集尾砂并对矿山废水做一 级澄清处理，但并没有针对废水中的重金属离子做适当的处理。由于库容有限，废水 仍然从溢洪道流入下游，因此尾矿库酸水中的重金属离子的去除就成为治理污染源的 关键。 尾矿库中的废水主要受矿石处理产生的废水和大气降水影响，水量极不稳定。如 果采用传统的修建污水处理厂的方法来处理，那将要支付巨大的运营费用，而可渗透 反应障( p e r m e a b l er e a c t i v eb a r r i e r ，简称p r b ) 污水处理技术从八十年代开始出 现以来，现己成功地应用于地下污水的处理上，并取得良好效果，如果将它应用于矿 区尾矿库废水的处理上，显然能够充分发挥它的低运营成本的优点。因此本文对p r b 应用于大宝山矿山尾矿库酸性废水治理作了初步的研究，内容主要集中在介质选择和 渗流过程分析两个方面。 本文以大宝山矿区污水中含量较高的c u 2 + 和z n 2 + 作为研究对象，分别用方解石， 方解石和沸石的混合物，方解石、沸石和石英砂的混合物作为反应介质，探讨了三种 不同介质对两种离子的去除程度以及渗流过程中反应介质渗透性的变化。结果表明， 方解石能够使部分酸性溶液中的z n 2 + 离子部分降低，但去除率仅到6 ，对c u 2 + 的去 除能力较强，去除率能够达到9 1 7 ，p h 值在经过方解石柱样的过程中能始终保持 在6 5 左右；按照质量比1 ：4 混合沸石和方解石的混合物对c u 2 + 的去除率能够达到 9 8 ，同时使得水环境保持在中一弱碱性的环境中，但在反应过程中渗透系数逐渐减 小，因此在反应介质中添加石英颗粒作为骨架颗粒以保持介质的透水性；在沸石、方 解石和石英砂按照质量比为1 ：4 ：4 的混合介质中，z n 2 + 的去除率能够达到4 8 ，溶 液也能够保持在中性条件，同时渗透系数也能够保持在一个比较稳定的值。依据以上 的实验结果，使用沸石、方解石和石英颗粒混合的复合反应介质作为p r b 的反应介 质能够基本去除废水中的c u 2 + ，部分去除废水中的z n 2 + 。 可渗透反应障( p r b ) 在大宝山矿山污染治理中的应用研究 应用s e e p w 渗流软件对p r b 内的渗流过程变化作了模拟，依据坝体内部渗流速 度的变化和水压力的变化，可以在反应介质两边堆积反渗透层的方法来增加p r b 的稳 定性。 关键词：可渗透反应障；矿山酸排放a m d ；反应介质；污染治理：s e e p w i i 中山大学硕士学位论文 s t u d y o nt h ea p p l i c a t i o no ft h ep e r m e a b l er e a c t i o nb a r r i e r0 p r b ) i nt h e n e a t m e n to fp o l l u t i o no fd ab a o s h a nm i n e m a j o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：y ig e n w a n g s u p e r v i s o r ：z h a n gc h e n g b oa s s o c i a t ep r o f e s s o r a b s t r a c t a so n eo ft h em a i nr e s e a r c hf i e l d so fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ，t h et r e a t m e n to fa c i d m i n ed r a i n a g eh a sa t t r a c t e dg r e a ta t t e n t i o ni nb o t hd o m e s t i ca n da b r o a d i ng u a n g d o n g p r o v i n c e ，d ab a o s h a nm i n ei sa no p e np i ti nw h i c ht h ew a t e rc o n t a i n i n gg r e a td i v e r s i t yo f m e t a li o n s ，s u c ha sp b ，h g ，z n ，a s ，c d ，e t c d e r i v i n gf r o mt h ew e a t h e r i n go fs u l f i d e m i n e r a l s ，h a sc a u s e dt h es u r r o u n d i n gt o p s o i l ，r i v e r sa n du n d e r g r o u n dw a t e rs e v e r e l y p o l l u t e d ，a n df u r t h e re n d a n g e r e dt h ei n h a b i t a n t so ft h ed o w n s t r e a m t h ed ab a o s h a n m i n i n gc o r p o r a t i o nm a n a g e dt of u l f i l lp r i m a r yc l a r i f y i n go ft h ea c i dw a t e ri nt e r m so f t a i l i n g sd e p o s i t o r y ；h o w e v e r , t h ef u r t h e rt r e a t m e n to ft h eh e a v ym e t a l l i ci o n si nt h ew a t e r w a sl e f tu n d o n e m o r e o v e r , o w i n gt ot h el i m i t e ds t o r a g ec a p a c i t y ，t h ea c i dw a t e rc a ns t i l l f l o wd o w na l o n gt h es p i l l w a y a sar e s u l t ，r e m o v i n gt h e s eh e a v ym e t a l l i ci o n si nt h em i n e w a t e rb e c o m e st h ek e yi s s u et ot h ee f f e c t i v et r e a t m e n to ft h eh e a d s t r e a mp o l l u t i o n t h ew a t e ro f t h et a i l i n g sd e p o s i t o r yi ss u b j e c tt ot h ew a s t ew a t e rf r o m m i n ep r o c e s s i n g a n da t m o s p h e r i cr a i n f a l l ，b o t ho fw h i c hm a k ei t sv o l u m ee x t r e m e l yu n s t a b l e t h er u n n i n g c o s tw i l lb ee x p e n s i v ei fa d o p t i n gt h em e t h o do fb u i l d i n gat r a d i t i o n a ls e w a g ep r o c e s s i n g p l a n t s o ，a na l t e r n a t i v ew a y , t h a ti st h ei n t r o d u c t i o no fp e r m e a b l er e a c t i v eb a r r i e r ( p r b ) ， h a sb e e nc h o s e na n dh a ss e e ni t sc o n s i d e r a b l es u c c e s si nt r e a t i n gg r o u n d w a t e rs i n c e1 9 8 0 s a p p a r e n t l y , i t sa d v a n t a g eo fr e l a t i v e l yl o wc o s tc a nb ew e l le x e r t e di fb e i n gu t i l i z e di nt h e t r e a t m e n to fa c i dm i n ew a s t ew a t e r i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ep r e l i m i n a r ys t u d yo ft h ea b o v e m e n t i o n e dt e c h n o l o g yw a si n v o l v e dw i t hi t sf o c u s e so nt h er e a c t i v em e d i as e l e c t i o na n dt h e s e e p a g ep r o c e s sa n a l y s i s i nt h et e x t ，t h et w oi o n so fh i g hc o n t e n t ，c u 2 + a n dz n 2 + w e r ec h o s e nf o rr e s e a r c h w h i c hi n t e r r e a c t e dw i t ht h er e a c t a n t so fc a l c i t e ；t h em i x t u r eo fc a l c i t ea n dz e o l i t e ；t h e m i x t u r eo fc a l c i t e ，z e o l i t ea n dq u a r t z t h er e m o v a lr a t eo ft h et h r e er e a c t a n tm e d i at oc u 2 + a n dz n 2 + e a c ha sw e l la st h ec h a n g eo ft h ep e r m e a b i l i t yo ft h e md u r i n gt h ep r o c e s sw e r e i i i 可渗透反应障( p r b ) 在大宝山矿山污染治理中的应用研究 s t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ( 1 ) c a l c i t ea l o n ep e r f o r m e dw e l li na d s o r b i n gc u 2 + w i t h i t sr e m o v a lr a t ea sh i g ha s9 7 w h e r e a si td e c r e a s e dz 一+ p a r t l yw i t ha nu n d e s i r a b l ee f f e c t d u r i n gt h ep e r m e a t i o n ，t h ep hv a l u em a i n t a i n e da p p r o x i m a t e l y6 5 ( 2 ) t h em i x t u r eo f c a l c i t ea n dz e o l i t ea tt h er a t i oo f1t o4w o r k e do u tar e m o v a lr a t eo fc u “u pt o9 8 ，a n da t t h es a m et i m et h ea q u e o u se n v i r o n m e n tw a sk e p ti nan e u t r a l m i l da l k a l e s c e n ts t a t e h o w e v e r , d u r i n gt h i sp r o c e s st h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yd e c r e a s e dc o n t i n u a l l y ；t h u s ，t h e f l u i df l u xm u s tb er e t a i n e db ya d d i n gq u a r t za st h ea g g r e g a t e ( 3 ) t h em i x t u r eo fc a l c i t e ， z e o l i t ea n dq u a r t za tar a t i oo f1t o4t o4a c q u i r e dac a p a c i t yo fr e m o v i n g4 8 o fz 一+ a n d m e a n w h i l er e t a i n e dt h es o l u t i o ni nan e u t r a ls t a t ew h i l ek e p tt h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t ya ta s t a b l ev a l u ea sw e l l c o n s i d e r i n ga l lt h er e s u r so b t a i n e di n t h i ss t u d yt h et h i r dt y p eo f r e a c t a n tm e d i u mi ss u g g e s t e dt ob ec h o s e na st h ec o m p o s i t er e a c t a n tt h a tc o u l dg e tr i do f a l m o s ta l lt h ec u 2 + a n dp a r t l yz n 2 + i nt h ea c i dw a t e l m o d e l i n go ft h es e e p a g ep r o c e s si np r bw a su n d e r t a k e nu s i n gt h ep r o f e s s i o n a l s o f t w a r es e e p w a c c o r d i n gt ot h ec h a n g e so ft h ei n t e r i o rs e e p i n gv e l o c i t yw i t h i nt h e b a r r i e ra n dt h ew a t e r p r e s s u r e ，i t w a sf o u n do u tt h a tt h em e t h o do f s t a c k i n g c o u n t e r - p e r m e a t el a y e r sb i l a t e r a l l yb e s i d et h er e a c t a n tm e d i aw a sc a p a b l eo fe n h a n c i n gt h e s t a b i l i t yo fp r b k e y w o r d s ：p e r m e a b l er e a c t i v eb a r r i e r ；r e a c t i v em e d i a ；a c i dm i n e d r a i n a g e ；p o l l u t i o nt r e a t m e n t ；s e e p w 中山大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 在我国国民经济建设中，采矿业占有非常重要的基础地位，最为常见的是煤矿和 铁矿，其产量直接影响到国民经济的发展。我国铁矿石的保有储量为1 1 9 4 8 亿吨，资 源总量为4 5 6 3 8 亿吨，居世界前六位，现有矿山3 7 6 7 个，其中大型4 0 个，中型5 5 个，3 0 0 生产万吨以上的露天矿1 4 座( 陈瑶，2 0 0 5 ) ，但矿业在为国民经济发展提供大 量金属的同时，也在采矿和矿石处理中产生了大量种类繁多的诸如废石、废渣、弃泥、 尾矿等废弃物，这些废弃物的堆积常造成地表水、地下水、空气的污染，特别是开采 含硫化矿物的露天矿山，在裸露的矿山表面和洗矿的过程中将会产生大量的酸性废 水，造成天然水体的污染，并随着地表径流将污染物扩散到矿山周边的土壤、地下水 之中，形成区域性的污染。 大宝山矿床位于广东省韶关市东南方向2 5k m 的曲江县境内，紧依京广线，位于 东经1 1 3 。4 0 t 4 3 t ，北纬2 4 。3 0 ，3 6 o 矿区地处亚热带季风气候区，年平均气温2 0 3 。c ， 年均降雨量1 7 8 2 7 m m ，表层岩石风化强烈，山麓底部土壤类型为红壤，随海拔高度 增加而逐渐演替为山地黄壤，部分地区受采矿活动影响地段，由于所含金属硫化物发 生氧化而发育为酸性硫酸盐土。 大宝山矿是一座大型多金属伴生矿床，矿区主矿体上部为褐铁矿体，储量约为 2 0 0 0 万吨；下部为大型铜硫矿体，储量约为2 8 0 0 万吨，并伴有钨、铋、钼、金、银 等多种稀有金属和贵金属，主产品为成品铁矿石、铜精矿、硫精矿和一级电解铜。该 矿区自上世纪7 0 年代开发以来，含有大量金属硫化物的废矿石、废矿土就暴露于地 表，这些废石土通过物理化学作用诱发环境恶化，采矿、选矿、洗矿产生的富含锌、 铜、镉、锰、铅等数种重金属的酸性污水自排污口顺流而下，使下游沿河村 女 由。 大宝山矿区的废水污染主要来源于采、选等生产作业系统和民采洗矿点， 水以及裸露的矿石表面流下来的大气降水( 如图1 1 ) 。这些废水中的主要污染 p h 值和c u 、z n 等重金属离子( 李中平，1 9 9 9 a ) 。 治理矿山废水的方法很多，一般分为物理处理方法和化学处理方法两种。大宝山 可渗透反应障( p r b ) 在大宝山矿山污染治理中的应用研究 矿业公司目前采用的是重力沉降法，通过修建环境保护库坝和废水沉淀池来进行一级 澄清处理，并通过向环境保护库坝中投掷石灰的办法来降低酸度。这种处理方法的缺 点是：生成的残渣堆存在水库中难以处理，不但造成了水系流域的二次污染，而且降 低了水库的使用年限：不能有效去除水体中的重金属离子，水体中的固体沉淀物虽然 能够部分的清除，但溶解在水中的重金属离子仍然随着坝体旁边的溢洪道流入下游河 道。因此仅采取这种最为基本的防污处理，不能有效地抑制污染物的扩散。 图1 1 裸露的矿石采场 大宝山的废水主要来自雨水和洗矿、选矿废水，酸性很高并含有z n 、c u 、p b 、 h g 、a s 、c d 等多种重金属元素，地表径流受到污染，最为突出的是横石河流域，其 中矿坑是最重要的污染源，据推算，当所含无机还原态硫彻底氧化后，平均i t 矿坑 表土可产出2 0 7 k g 浓硫酸，大部分矿坑土已经经受不同程度的酸化，实验室模拟实验 表明：5 9 强烈酸化的矿坑表_ 七可产生超过7 5 0 m l 的p h 表示配数。 c a c 0 3 + m ”： m c 0 3 + c a 2 + ( 3 1 ) 在酸性条件下，方解石溶解，也能够形成沉淀，反应式如公式3 2 、3 3 所示。 c a c 0 3 + 2 h + = c a 2 + + c 0 2t + h 2 0( 3 2 ) m “+ c 0 3 2 = c a c 0 3l ( 3 3 ) 石灰石的粒度对去除金属离子的效果有很大影响，粒度降低虽然可以提高处理效 果，但考虑到石灰石过细容易漂浮流失，反而对废水处理不利，因此比较适宜的粒度 为0 2 0 m m 左右( 张学洪等，2 0 0 5 ) 。 3 3 2 沸石 沸石是一类含水晶质架状铝硅酸盐的总称，其空间网架结构中充满了空腔与孔道， 具有较大的开放性和巨大的内表面积，孔中有可交换的碱、碱土金属阳离子和中性水分 子( 沸石水) ，脱水后结构不变，因而具有良好的选择吸附、离子交换和分子筛等功能。天 然沸石对污水中的极性与非极性分子有良好的吸附性能，对阳离子也有较好的交换性 能。沸石还广泛用于城市污水处理、工业废水中重金属离子回收和农业污水净化等方 面( 陈方明等，2 0 0 4 ) 。 沸石族矿物的离子交换吸附重金属的机理是，重金属离子同矿物层问域中的离 子，或重金属离子与矿物孔道中离子的交换吸附。矿物表面离子交换吸附是矿物表面 的金属阳离子与水溶液中的其它阳离子之间发生离子交换，其本质是一种类质同像替 换，被吸附的重金属离子在矿物中占有一定的晶格，这种离子交换吸附的形式能够对 永久固定废水中的重金属离子，从而能够避免了二次污染( 王吉中等，2 0 0 5 ) 。 可渗透反应障( p p , b ) 在大宝山矿山污染治理中的应用研究 3 4 试验过程 柱样试验所采用的仪器是对常水头深透仪器进行改装，其尺寸为：内径为l o c m ， 高4 0 c m ，取样孔之间的距离为l o c m 。通过对反应介质的类型作不同的更换从而得到 铜离子和锌离子不同的去除效果，同时，对整个实验过程中p h 、e h 和电导率都作相 应的检测，以辅助分析实验过程中水污染羽的变化过程。 3 4 1 实验一 如前所述，方解石对锌离子能够通过为交换和表面配位吸附作用而达到去除的作 用，因此，通过不加酸的的z n c i ：溶液淋滤方解石柱样能够验证方解石对锌离子的吸 附能力，不加酸的目的是不使溶液中的酸和方解石发生反应而影响方解石的吸附机 理。试验所用方解石颗粒的级配如图3 6 ，不均匀系数c i 】= 2 7 3 ，曲率系数c c = o 9 2 8 ， 柱样的初试渗透系数为2 1 7 4 c m s 。 渗透系数采用公式3 - 4 计算： 舡= 堕( 3 - - 4 a h t 、 ， k t 一水文为t 时试样的渗透系数( c m s ) q - - 蹦b 7 t 内的渗出水量( c m 3 ) l 一两灏压管中心之闯的距离t c 玳1 l = l o c m a 一试样的断面积( c m 2 ) a = 7 8 5 c m 2 h 一平均水位差t o m ) 配制z n 2 + 浓度为5 9 4 4 4 m g l 不加酸的的z n c h 溶液淋滤方解石柱样，采不同时 问淋滤出来的溶液作z n 2 + 浓度检测，浓度变化图如图3 7 所示。结果表明，短时间内 方解石同锌离子的吸附作用并不明显。溶液中锌离子的浓度几乎不发生变化，也就是 说这种反应机制在短时间内效果并不明显。 但是在酸性环境下，方解石不但能够中和酸，而且分解出的碳酸根能够与锌离子、 铜离子结合形成不溶于水的沉淀。反应式如下： z n 2 + + c 0 3 2 - _ + z n c 0 3 i ( 3 5 ) c u 2 + + c 0 3 2 - - - c u c 0 3 i ( 3 6 ) 中山大学硕士学位论文 7 0 6 0 1 0 0 雕 f i 瞻 曩 一 | ；| ：1 一 歹 图3 6 方解石颗粒的级配图 o23 45 时间( h ) 图3 7z n 2 + 浓度变化图 3 4 2 实验二 改变方解石的级配，初始渗透系数为o 6 c m s ，级配曲线如图3 8 所示。试样长度 3 3 c m ，即取样口四比取样口三高3 c m 。仍然用锌离子浓度为5 9 4 4 4 m g l 的z n c h 酸 性溶液作为渗入液，p h = 1 7 8 ，从装置的底部渗入，按照上述粒度，在水压差不超过 l m 时，其流量约为2 0 0 m l m i n ，用止水夹控制其流量为1 5 m l j m i n ，即将流速降低1 5 倍，也就是模拟反应介质的的实际长度是5 m 。 可渗透反应障( p r b ) 在大宝山矿山污染治理中的应用研究 图3 8 级配图 ( 1 ) 浓度、p h 值 以方解石作为反应介质，对酸性矿水的酸性中和可以起到显著的作用，又从室内 试验可以看出，在酸性为1 7 8 的酸水的淋滤下，p h 值升高得相当快，可以中和至6 7 之间，随着淋滤时间的变长，这个值有所下降，但下降的幅度很低，也就是说， 方解石作为酸性矿水的酸性中和剂，能够大量、长久地中和酸性( 图3 1 0 ) 。而对锌 离子来说，单纯的方解石同它反应形成锌离子的沉淀从而被降解的能力非常有限，在 整个淋滤过程中，其浓度仅降低6 ( 图3 9 ) ，这显然不能符合p r b 反应介质对污染 物去除的要求，因此从浓度这个角度来讲，方解石作为去除锌离子的反应介质是不适 合的。而且从曲线图来看，在淋滤了3 0 h 之后，z 2 + 浓度有回升的趋势，即方解石对 z n “的降解能力逐渐消除，取样口三和取样口四之间的距离差别较小，因而这两个取 样口之间的参数变化不明显。因此，把方解石作为单一的反应介质，对酸性中和是毫 无问题，但对于z 2 + 的去除，其能力相当有限。 3 2 中山大学硕士学位论文 7 0 ，、6 0 一 高5 0 3 蜊4 0 媾3 0 2 0 o 一一 o 8 6 毛4 2 0 + 取样口l _ 取样1 3 2 取样v 1 3 一取样口4 5l o1 52 02 53 03 5 4 04 55 0 时间( h ) 图3 9z f + 浓度变化图 + 取样口1 - 一取样1 3 2 取样d 3 取样1 3 4 0 51 01 52 02 53 03 54 04 55 0 时间( h ) 图3 1 0 p t i 浓度变化图 ( 2 ) 氧化还原电位 氧化还原电位( e h ) 作为介质( 包括土壤、天然水、培养基等) 环境条件的一个 综合性指标，已沿用很久，它表征介质氧化性或还原性的相对程度。e h 的大小，与 系统中氧化剂与还原剂的浓度有关。e h 值越大，表明体系中氧化剂强度愈大；涉及 到p h 值对氧化还原电位的影响。自然环境中e h 不仅决定于该系统氧化剂和还原剂 的浓度，而且也决定于溶液的p h 值，这是因为在很多系统中，氧化一还原反应有氢 离子参加。氢离子的浓度会影响反应物的离解程度。从理论上说氧化还原电位反应的 是所测点( 系统) 的氧化还原值，该值越大，表示系统的氧化能力越强。在污水处理 中溶解氧越高，氧化还原电位越高，其它电子受体( n 0 3 ，5 0 4 2 - ) 等浓度越高，系统 可渗透反应障( p r b ) 在大宝山矿山污染治理中的应用研究 的氧化还原电位也越高。 在酸性的z n 2 + 水淋滤方解石的过程中，原始溶液的氧化还原电位从配制的酸性溶 液的3 5 8 m v 迅速降低至5 0 m y 左右的值，并在淋滤过程中保持比较稳定的状态。本试 验从e h 的变化图上可以看出，系统从一个氧化强度很大的酸性条件变成一个氧化强 度较小的环境当中，但并未达到还原环境，这对重金属离子的沉淀并不有利。另一方 面，氧化还原电位的变化同实验中p h 的变化有很大的相关性，因为在实验中，酸的 中和是主要的氧化还原反应之一( 图3 1 1 ) 。 + 取样口1 一取样h 2取样n 3 一取样h 4 3 9 0 3 4 0 2 9 0 2 4 0 1 9 0 1 4 0 9 0 4 0 1 0 l 暑蕊一! 一考三三爿 - j 。d 一- 一 05l o1 52 02 53 03 54 04 55 0 时间( h ) 图3 1 1e h 变化图 ( 3 ) 电导率 水中各种溶解的盐类都是以离子状态存在的，离子在电场的作用下会发生移动， 并在电极上产生电化学反应而传递电子，因而盐类水溶液( 电解质溶液) 具有导电作 用。电导率表示长为l c m 、截面积为l c m 导体的电导。电导率的大小可以间接表示出 溶解盐的含量。水溶液的电导率取决于离子的性质和浓度、溶液的温度和粘度等。 从实验得到的电导率变化图中可以看出，实验过程的起初阶段是溶液中离子成分 浓度迅速增加的过程，而在实验进行的阶段，浓度有稍微的降低，但降低的幅度很下， 在5 m s c m 之间。这可能有两种原因导致的，一是h + 的变化所引起的，二是z n 2 + 的变 化引起的( 图3 1 2 ) 。 中山大学硕士学位论文 2 0 罾1 5 u 槲1 0 窖s o + 取样口1 一取样口2 取样e 1 3 取样1 2 1 4 051 01 52 02 53 03 54 04 55 0 时间( h ) 图3 1 2 电导率变化图 3 4 3 实验三 对c - , u 2 + 也采用类似于实验二的实验方法，所使用方解石的级配图见3 1 3 所示初 始渗透系数o 8 c m s ，试样长度3 3 5 c m 。以铜离子浓度为3 2 6 3 m g l 的c u c l 2 酸性溶 液作为渗入液，p h = 1 0 2 ，从装置的底部渗入，用止水夹控制其流量为2 0 m i j m i n ，这 样得到的模拟长度也是5 m 。 ， | l ， 一，l 拉径t ) 3 1 3 方解石级配图 与锌离子去除的效果做比较，方解石对酸性的c u 2 + 的去除效果好很多，在整个实 验过程中，可以从3 2 6 3 0 m g l 降至最低的2 7 1 6 m g l ，去除率达9 1 7 。并且实验的 开始阶段c i l 2 + 被吸附去除的速度非常快，此时c u 2 + 已经保持能够在较低的稳定值，可 见方解石对c i l 2 + 去除较敏感。在实验进行的1 2 0 个小时中，这种趋势未见明显的减弱， 可渗透反应障( p r b ) 在大宝山矿山污染治理中的应用研究 也就是说，保持这样的污染溶液的滞留时间，c u 2 + 能够在方解石组成的反应介质中被 沉淀去除( 图3 1 4 ) 。 + 取样口1 一取样口2 取样口3 * 取样e l 四 ，、 j b 0 目 u 刨 避 0l o2 03 04 05 06 07 08 09 0l o o 1 l o 1 2 01 3 0 时间( h ) 图3 1 4c u 2 + 浓度变化图 同时方解石对酸的中和能力依旧很强，即使是在1 2 0 小时之后，所取水样的p h 仍然能够保持在6 5 左右。而保持一个非酸性环境对于c i l 2 + 的沉淀也很有利( 图3 1 5 ) 。 + 取样口1 + 取样口2 取样口3 一取样v 1 4 7 8 6 型i 。3 ； 0 o1 02 0 3 04 05 0 6 0 7 08 0 9 01 0 01 1 01 2 01 3 0 时问( h ) 图3 1 5p h 变化图 在酸性的c u 2 + 溶液淋滤方解石的过程中，原始溶液的氧化还原电位从配制的酸性 溶液的3 5 3 m v 迅速降低至3 0 m v 左右的值，并在淋滤过程中保持比较稳定的状态。本 试验从e h 的变化图上可以看出，系统从一个氧化强度很大的酸性条件变成一个氧化 强度较小的环境当中，但并未达到还原环境，这对重金属离子的沉淀并不有利。另一 方面，氧化还原电位的变化同实验中p h 的变化有很大的相关性，因为在实验中，酸 巾山大学颁士学位论文 的中和是主要的氧化还原反应之一( 图3 1 6 ) 。 4 0 0 3 0 0 一 童2 0 0 趔a ：2 1 0 0 叫 0 1 0 0 + 取样口1 一取样e 1 2取样0 3取样1 3 4 o1 0 2 03 04 05 06 07 08 09 01 0 01 1 01 2 01 3 0 时间( h ) 图3 1 6e h 变化图 电导率的变化是一个持续减小的过程，即溶液中的离子浓度随着时间在不断的减 小。在1 2 0 小时之后，减少至4 m s - c m 1 左右。这同前面所得到的c u 2 + 减少、h + 离子 被中和的实验过程是一致的，即方解石对酸性的含c u 2 + 的矿山污水的去除是很有效果 的( 图3 1 7 ) 。 1 1 4 2 o1 0 曩： 口4 2 o + 取样口1 l 一取样口2 ，取样1 3 3 取样1 3 4 o1 02 03 04 0 5 0 6 07 08 09 01 0 01 1 01 2 01 3 0 时间( h ) 图3 1 7 电导率变化图 可渗透反应障( p r b ) 在大宝山矿山污染治理中的应用研究 3 4 4 实验四 人造沸石技术条件：化学纯；粒度：4 0 6 0 目；可溶性盐类不大于1 5 3 0 ； 钙离子交换能力不低于2 0 m g g 。按照沸石与方解石质量比为1 ：4 混合反应介质，使 用方解石2 k g ，沸石o 5 k g 。初始渗透系数为1 2 c m s ，混合物高度3 6 c m a 按照1 ：4 的质量比混合的方解石、沸石对c u 2 + 的吸附去除非常有效果，c u 2 + 的 初始浓度为4 6 7 7 9m g l ，p h = 2 ，其去除率可达到9 8 ，有前面的实验结果，方解石 本身对c u 2 + 就非常敏感，在加上吸附交换能力非常强的沸石，溶液中的c u 2 + 通过柱样 后可以达到令人满意的结果( 图3 1 8 ) 。 + 取样口1w 取样v 1 2取样口3 * 取样口4 引 一十- 鼎= 奢= = 忠= 髓秘 0 1 02 0 3 04 05 06 07 08 09 01 0 0 1 1 01 2 0 时间( h ) 图3 1 8 c u “浓度变化图 在有沸石参与反应的条件下，酸性溶液的p h 值能够达到中性一弱碱性，其弱碱 性是由于c a 2 + 富余的情况下，h + 同c 0 3 2 - 结合使溶液中h + 减少而产生的，这使得溶液 处于碱性环境当中( 图3 1 9 ) 。 与前面两次实验不同的是，在酸性的c u 2 + 溶液淋滤方解石和沸石混合物的过程 中，原始溶液的氧化还原电位从配制的酸性溶液的3 5 3 m v 迅速降低至一1 0 0 m v 左右 的值，并在淋滤过程中保持比较稳定的状态。本试验从e h 的变化图上可以看出，系 统从一个氧化强度很大的酸性条件变至还原环境，c u 2 + 在这样的环境下极易从溶液系 统中脱离( 图3 2 0 ) 。 由于c u ：+ 和h + 在实验过程中保持稳定的浓度，电导率在实验中也保持较低的稳 定，保持在2 m s 左右f 图3 2 1 ) 。 3 8 中山大学硕士学位论文 1 2 1 0 8 毛6 4 2 o 十取样口1 一一取样口2取样口3 取样i ：1 4 o1 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 1 1 01 2 0 图3 1 9p h 变化图 + 取样口l * 取样口2取样口3 * 一取样口4 4 0 0 3 0 0 s2 0 0 31 0 0 盏0 一l o o 一2 0 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 01 1 0 1 2 0 图3 2 0e h 变化图 可渗透反应障( p r b ) 在太宝山矿山污染治理中的应_ i _ l j 研究 岛 s 糌 曲 删 8 0 + 取样口1 取样口2 取样口3 一取样v 1 4 o1 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 01 1 0 1 2 0 时间( h ) 图3 2 1 电导率变化图 在渗流过程中，渗透系数随着时间逐渐变低，到实验的末端，渗透系数变为 o 3 c m s 。这显然不适合渗透坝的出水量要求，渗透坝要控制每天的出水量，就要保持 相对稳定的渗透性，因此，沸石和方解石混合的时候需要加入石英砂作为骨架颗粒来 保持反应介质的渗透性要求。 3 4 5 实验五 如前所述，加入石英砂作为反应的骨架物质，并且按照质量比1 ：4 ：4 混合沸石： 方解石：石英砂组成反应介质，使用沸石0 5 k g 。测得其初始的渗透系数为0 9 c m s ， 反应结束后的渗透系数变为0 8c m s 。 初始配制的溶液中z n 2 + 的浓度为4 7 1 9 0 m g l ，p h = 1 5 7 。经过方解石和沸石的柱 样淋滤，其浓度逐渐减少，在1 2 0 小时后，平均浓度减少到2 6 9 8 7 m g l ，去除率为 4 2 8 ( 图3 2 2 ) 。 由于方解石的存在，p h 值能够在淋滤过程中保持在7 左右，酸性的中和效果依 旧明显( 图3 2 3 ) 。 虽然没有到达碱性环境，低氧化还原电位有可能是混合样品中沸石的质量比有所 下降的原因。因此所使用的以上配比虽然是渗透性能够保持在相对稳定的状态，但沸 石的含量如果不够，对z n 2 + 的去除效果就不能达到同c u “一样的令人满意的效果( 图 3 2 4 ) 。 总体上来说，电导率依然保持稳定的低态，但在淋滤过程中有所变化，这个变化 值是由于在更换溶液时，高浓度、高酸性的溶液导致的( 图3 2 5 ) 。 中山大学硕士学位论文 方解石、沸石和石英砂三种物质混合当作p r b 的反应介质时，在铜离子的去除 和酸性的中和上能够得到令人满意的结果，并且对锌离子也能够达到4 2 8 的去除 率。因此，这种混合物能够当作试验性p r b 的反应介质来处理矿山污水。 + 取样口1 * 一取样口2取样口3 一取样口4 5 0厂 4 0k 3 0 瞎妄兰釜东絮亍一 2 0 姨 。、。 、 1 0 r 0o 1 1 一。k 。 02 04 0 6 08 01 0 01 2 01 4 0 时间( h ) 图3 2 2z n 2 + 浓度变化图 + 取样口1 + 取样口2取样口3 * 取样口4 02 04 06 0 8 01 0 01 2 01 4 0 时间( h ) 图3 2 3 p h 变化图 (1暑iil一趟避 可渗透反应障( p r b ) 在大宝山矿山污染治理中的应用研究 3 5 0 3 0 0 2 5 0 薹2 0 0 蛊1 5 0 l o o 5 0 0 荡 s 僻 曲 脚 + 取样口l + 取样口2 取样口3 _ 一取样口4 o2 04 06 0 8 01 0 01 2 01 4 0 时间( h ) 图3 2 4e h 变化图 + 取样口1 一一取样口2取样口3 取样口4 o2 04 06 0 8 01 0 01 2 01 4 0 时间( h ) 图3 2 5 电导率变化图 3 4 6 实验结论 ( 1 ) 方解石对中性的z n 2 + 吸附能力微弱，z n 2 + 离子浓度在淋滤过程中几乎保持不 变。 ( 2 ) 方解石能够使部分的z n 2 + 酸性溶液中的z n 2 + 离子降低，但去除效果较差，去 除率为6 。但p h 值在经过方解石柱样的过程中能始终保持在6 5 左右。 ( 3 ) 方解石对c u 2 + 的吸收能力较强，去除率能够达到9 1 7 。而且其d h 值在经 中山大学硕士学位论文 过方解石柱样的过程中能始终保持在6 5 左右。 经过添加了沸石在方解石之中后，按照质量比1 ：4 ，这样的反应介质对c u 2 + 的去除率能够达到9 8 。其水环境也可以保持在中性环境。但在反应过程中 渗透系数随着淋滤的进行有明显的减小，因此要在反应介质中添加石英颗粒 作为骨架颗粒以保持介质的透水性。 在沸石、方解石和石英颗粒的混合介质中，z n 2 + 的去除率能够达到4 8 。溶 液也能够保持在中性条件中。由于在之前的实验中方解石和沸石对c u “的吸 收效果显著，因此，未对c u 2 + 作相同的实验，渗透系数减少的不多。 依据以上的实验结果，使用沸石、方解石和石英颗粒混合的复合反应介质作 为p r b 的反应介质能够基本去除铜离子但对锌离子仅能去除一半。 ) ) ) 6 托 可渗透反应障( p r b ) 在大宝山矿山污染治理中的应用研究 第4 章模拟 本章的内容是在室内试验的基础上使用s e e p w 软件对所设计的坝体的水力过 程做模拟，从而得到流速、压力等物理参数在坝体中的变化。从而有利于在实际的设 计过程中作为参考。 4 1 坝体的设计 p r b 的尺寸首先取决于所要治理水的分布，以及预期设计的日渗出量来决定。通 过p r b 的地下水的体积用来决定p r b 的尺寸以达到所需要的治理水平。传统的p r b 有两种常用外形：连续性墙( 图4 1 ) 和漏斗门型( 图4 2 ) 。 连续型：连续墙式结构的优点在于水的自然流动的梯度作为动力，用天然的流速 和天然的梯度，理想的连续性p r b 的深度是从垂向和水平向两个方面都能够包括到污 染羽，而厚度则根据所要求的浓度来设计。 图4 1 连续性墙结构 漏斗门式：漏斗门式p r b 是用低渗透性的物质诸如板桩、泥浆墙或者其他的一些 物质。使污染羽只能通过粒状铁或者其他反应介质的反应墙，不渗透墙体必须把所有 水污染羽的路径都包括进去，才能保证p r b 的有效性。一般不渗透墙的形状按照实际 的情况来设计，通常来说都采用矩形形状。 中山大学硕士学位论文 图4 2 精斗门型结构 在使用p r b 处理矿山废水时，由于缺少没有地下土层这样的低渗透性的环境，采 用连续墙式的机构，一方面浪费大