（环境工程专业论文）黄土——微生物系统处理煤矿酸性废水的试验研究.pdf

太原理f 人学硕十研究生学竹论文 加入一定的碳源( 葡萄糖) 对黄土中的天然脱硫菌进行研究，确定黄 土中天然脱硫菌对煤矿酸性废水的处理效果。并且对马兰黄土和离石 黄土对酸的环境容量作了具体的计算。通过该项的实验研究提出了黄 土一微生物系统处理煤矿酸性废水的可行性，提出了小型室外研究试 验方案。 研究取得成果表明如下：黄土对煤矿酸性废水的处理效果相当好； 通过对马兰黄土和离石黄土对酸的环境容量的计算得出：单位立方米 的马兰黄土能处理1 2 4 5 1 0 5 l 的煤矿酸性废水，单位立方米的离石黄 土能处理1 3 3 4 1 0 5 l 的煤矿酸性废水；同时通过实验研究发现黄土中 含有天然脱硫菌，并且该菌对硫酸根的处理效果非常理想。通过此次 的实验得出黄土微生物系统处理煤矿酸性废水是可行的。 关键词：煤矿酸性废水，硫酸根，黄土一微生物系统 太原理1 大学硕十研究士学侍论文 t h ee x p e r i m e n l a ls t u d yo nt h e t r e a t m e n to fa c i dc o a lm i n ed r a i n a g e b yl o e s s m i c r 0 0 r g a n i s ms y s t e m a b s t r a c t w l t ht h es t r i c t e rd e m a n do fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n m o r ea n dm o r e a t t e n t i o ni s b e i n gp a i dt o t h ep o l l u t i o nb r o u g h tb ya c i dm i n ed r a i n a g e ( a m d ) a m dc o n t a i n sh i g hc o n c e n t r a t i o no fs u l f a t e ，o x i d a t i o no fs u l f i d e a n dt h ed i s s o l u t i o no fs u l f a t ei nm i n e r a l sa r et h ei n t r i n s i cf a c t o rw a s t e w a t e r a c i d i f i c a t i o n i nt h ea c i d u l a t ep r o c e s s ，t h el e a c ho fh e a v ym e t a l ss e r i o u s l y d e g r a d ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t y s u c hp r o b l e m sh a v ea t t r a c t e d m o r e a t t e n t i o no f r e s e a r c h e r sa n dg o v e r n m e n t si nf o r e i g nc o u n t r i e ss i n c et h e2 0 t h c e n t u r y7 0 s ，a n di nc h i n a19 9 0 s a tp r e s e n tt h eg e n e r a lt r e a t m e n ta r el i m e n e u t r a l i z a t i o n ，w e t l a n dp l a n tt r e a t m e n ta n dm i c r o o r g a n i s mm e t h o d b u tt h e l i m en e u t r a l i z a t i o ni se a s yt oc a u s es e c o n d a r yp o l l u t i o n ，w e t l a n dp l a n t t r e a t i n gr e m a i n i n gi sn o tt h o r o u g h ，m i c r o o r g a n i s mm e t h o de x p e n s ei sl o w , a n di td o e sn o th a v es e c o n d a r yp o l l u t i o n ，b u tt h ec r a f ti sc o m p l e x 。 r e v i e wo fe x i s t i n gr e s e a r c hi n d i c a t e st h a ta c t i v e t r e a t m e n to fa m d a r e n e c e s s a r y t ob es t u d i e d i n d e p t h t om e e ts t r i c t e rd e m a n do f e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nc o n t r o l 。af o c u s e dr e s e a r c hi nr e c e n ty e a r so ft h e s e t e c h n o l o g i e si ss u l f a t et r e a t m e n ti na c i dc o a lm i n ed r a i n a g e ( a c m d ) o nt h eb a s i so ff o r e r u n n e r ss t u d i e s ，t h i st o p i ct o o ka c m da st h e r e s e a r c ho b j e c ta n dd e s i g n e das e to fw a s t e w a t e rr a p i di n f i l t r a t i o nl a n d i i 工 太原理r 人学硕十研究生学侍论文 p r o c e s s i n gs y s t e m i nt h el a b 。t z 0 1 ，t z 0 2 ，t z 0 3 ，t z 0 4 ，t z 0 5w a s e s t a b l i s h e dt oa n a l y z et h eb a c k g r o u n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fl i s h il o e s s a n dm a l a nl o e s sa n ds t u d yt h el e a c h i n ge x p e r i m e n to f a c m da tt h es a m e t i m e ，i tc o n f i r m st h et r e a t i n ge f f e c to fa c m d ，t h r o u g hs t u d yo nn a t u r a l d e s u l f u r i cb a c t e r i ao f t h el o e s sb yp u t t i n gc e r t a i nc a r b o ns o u r c ei nt h el o e s s w ec o n c r e t e l yc o m p u t et h ee n v i r o n m e n t a la c i dc a p a c i t yo fm a l a nl o e s sa n d l i s h il o e s s i td e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l i t yo f t h et r e a t m e n to f a c m db yt h e l o e s sa n dm i c r o o r g a n i s ms y s t e m ，a n dw eb r i n gf o r w a r dt h es c h e m eo ft h e m i n i t y p eo u t d o o rs t u d ye x p e r i m e n t t h ec o n c l u s i o nc a nb ed r a w e da sf o l l o w s ：t h el o e s sh a dg o o d t r e a t m e n te f f e c to nt h ea c m d t h r o u g ht h ec o m p u t a t i o no fe n v i r o n m e n t a l a c i dc a p a c i t yo fl i s h il o e s sa n dm a l a nl o e s s ，w ef o u n dt h a t ：lm 3m a l a n 1 0 e s sc a l lt r e a t1 2 4 5 x 1 0 5l i t r ea c m d 1 m 3l i s h il o e s sc a nt r e a t1 3 3 4 x 1 0 5 l i t r ea c m d i nt h i se x p e r i m e n t ，n a t u r a ld e s u l f u r i cb a c t e r i aw e r ef o u n di n t h el o e s sa n di th a dg o o de f f e c to nt r e a t i n gs u l f a t er a d i c a l s s ow e d e m o n s t r a t et h et r e a t m e n to fa c m db yl o e s s m i c r o o r g a n i s ms y s t e mi s f e a s i b l et h r o u g ht h i se x p e r i m e n ts t u d y k e yw o r d s ：a c i dc o a lm i n ed r a i n a g e ( a c m d ) ，t h es u l f a t er a d i c a l ，t h e l o e s s m i c r o o r g a n i s ms y s t e m i v j 、 ， 十、 ， f 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：王丛日期：趔： 至 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：礅 导师签名： 挚塑一 日期：望! c 口 日期：砸f ，d 太原理i 人学硕十研究生学何论文 1 1 研究的目的和意义 1 1 1 研究的目的 第一章绪论 我国是煤炭生产大国，但又是水资源贫国。采煤生产中排放大量含有有害物 的酸性废水( 每开采1 吨煤排放1 - 1 5 吨，破坏水资源达2 5 吨左右；煤矿废水 p h 值一般为4 5 5 5 ，最低为2 3 ，硫酸含量一般为1 0 0 0 m g 1 ，最高达4 0 0 0 m g 1 ， 并含有多种有害污染物，如f e 、m n 、c d 、c r 、c u 、a g 、a s 等) ，采煤废水既将宝 贵的地下水变成酸性废水排出，排出的酸性废水又再次污染洁净的地表水和地下 水资源及土地资源，危害农作物、水生生物和人体的健康。煤矿酸性废水水资源 化与无害化，既包括了水土环境，又将废水变成可利用的水资源，对我国特别是 我国西部地区有着重要的意义。西部地区为干旱、半干旱地区，水资源严重短缺 ( 如山西省人均水资源量仅为全国人均水资源的1 9 ，而山西2 0 0 3 年煤产量占全 国的总产量的1 6 ) ，水是制约该地区发展的重要因素；西部地区煤炭资源丰富， 是我国煤炭主要生产地区，也是西部经济发展的重要组成部分。如何保护水资源、 提高水资源的利用率，是西部经济的重要环节。因此，煤矿酸性废水处理使其资 源化有重要的理论意义和经济、环境、社会效益，国内外许多基础学科和应用学 科的科学家致力于这方面研究，生命科学在这方面研究中应占重要地位。 煤矿酸性废水是我国硫酸盐污染存在的一个主要领域，也是国内外一些地区 的普遍话题。我国北方煤矿酸性废水主要分布在晋、陕、宁、鲁和内蒙等省区： 南方煤矿大部分为高硫煤，特别是川、贵、桂等省区。煤矿废水的主要特征是p h 值低，有机成分少，硫酸盐浓度相对较高，并且还含有大量的金属离子。矿井废 水的产生主要是因为在采掘过程中，矿藏中含有不同形式的硫化物在空气中的氧 化作用和微生物的参与作用下而被氧化成硫酸箍，随着矿龄的增加，硫酸盐在矿 太原理i + 人学硕七研究生学何论文 井中不断的积累而导致矿井废水中含有硫酸盐的浓度很高。由于硫酸盐是强酸盐， 会导致水体呈现酸性，造成土地的酸化及矿井水中含有的金属离子过高。特别是 很多矿井水是被不断的反复使用以后才被排放，所以在使用的过程中还容易加速 一些会属的管道和器件的腐蚀损坏。经过一段时间的矿井废水必须被排放掉，但 是矿井废水的量很大。1 ，而绝大多数的矿井处于水资源短缺的地区，矿井废水的产 生加剧了我国水资源短缺的局面。 含硫酸盐煤矿酸性废水不经处理直接排入水体将使受纳水体酸化，降低p h 值， 危害水生生物，并产生潜在的腐蚀性；这类酸性废水也会破坏土壤结构，减少农 作物产量。硫酸盐废水潜伏周期长，虽然有自然的稀释作用，即在短时问内不会 有明显的负面作用，但是一旦大面积的形成污染，则其治理难度很大0 1 。这是因为 硫酸盐在水体中的性质很稳定，不易像一些有机废水可以比较容易的依靠自然的 作用而逐渐地消除污染，污染作用因此会很容易积累。即使自然界中存在某些生 物降解作用确实可以转化硫酸盐，但是自然作用相对可能形成的大面积的污染是 微不足道的，且一般硫酸盐生物降解的产物是各种硫化物，以硫化氢( h ：s ) 为主， 而硫化氢有毒并具有恶臭气味，他本身就是一种污染；另外，硫离子可以和二价 铁离子( f e 2 + ) 反应生成黑色的硫化铁沉淀，造成水体及水体相邻的土地变黑；h 。s 自身还具有腐蚀作用，会对一些金属构件及管道造成腐蚀伤害。因此治理硫酸盐 废水今年来日益成为废水治理的一个主要方面。 1 1 2 研究的意义 随着现代科学技术的日益增强，水资源问题不仅影响、制约着现代社会的可 持续发展，而且将成为2 1 世纪全球资源环境的首要问题，直接威胁人类的生存和 发展。继1 9 7 2 年联合国第一次人类环境会议发出“水将导致严重的社会危机”的 警告信号以来，水资源问题不仅没有得到根本解决，而且水污染还愈来愈严重。 1 9 9 4 年“，在近8 0 个国家的环境部长出席的首次国际饮用水和环境会议上，u n e p 主任伊丽莎白多德斯韦尔呼吁世界各国采取一致的行动，像解决臭氧层问题那 2 i j 警 ， ， 太原理i 人学硕十研究生学何论文 样，认真解决1 f 常现实的水资源危机。最近，受联合因粮农组织、环境署、丌发 i 划并、f 敦义组织和j 界银 r 资助的“口 界水委员会”成立了“2 l 世纪水世界 委员会”，其主要工作就是指导制定2 l 世纪水、生命和环境的长期构想，站在人 类持续发展的高度满足未来对水的需求和保证可持续用水。该委员会2 0 0 1 年“世 界水同”在荷兰召开第二次世界水论坛与部长级会议，提出该委员会对2 1 世纪水 的腥甲报，占，提出世界2 1 世纪水的行动建议。可见水污染、水紧缺已经引起了全 世界的广泛关注，水资源问题的解决也迫在眉睫。 纵观目l j i 的现状，我国水资源供需矛盾更为严重。在全国6 4 0 个城市中，缺 水城市达3 0 0 多个，其中严重缺水的城市有11 4 个，日缺水量1 6 0 0 万吨，每年因 缺水造成的直接经济损失达2 0 0 0 亿元，全国每年因缺水少产粮食为7 0 0 8 0 0 亿千 克吲。 另外，我国目| i i 无论是地表水还是地下水，水质污染都特别严重。2 l 世纪， 我国水资源供需面临着非常严峻的形势，如果在水资源开发利用上没有大的突破， 在管理上不能适应这种残酷的现实，水资源将很难支持国民经济迅速发展的需求， 水资源危机将成为所有资源问题中最为严重的问题，它将威胁中华民族的腾飞， 前景十分令人担忧。所以我们应该尽快寻找新的水源，加大污染废水的治理力度， 加快发展废水处理措施，实现国家提出的可持续发展战略。 而我国受地势与气候的作用，北方与西部缺水严重，则进一步加剧了我国水 资源问题的复杂性。水资源的短缺在今后将会成为我们国家经济健康持续发展的 瓶颈。特别是近几十年中，随着国民经济的发展，各行业所产出的大量工业废水 又加剧了我国当前水资源的困难。所以目前的问题不仅仅是治理废水污染，更重 要的是如何实现废水资源化循环再利用，这已成为摆在我们面前的一个迫切需要 研究的问题。煤矿酸性废水的处理、净化是否能达到我国地表水环境质量标准 ( g b 3 8 3 8 - - 2 0 0 0 ) 水质要求，从而实现煤矿酸性废水资源化将为人们歼辟一种探索 水源的新方向，这也是本文所探讨的主要内容。 我国西部广泛分向着不同地质时代、不同成因的黄土，通称黄土高原，面积 约6 4 力k m 2 ，黄厚约5 0 7 0 m ；黄土是一种碱性风化壳，可溶赫中主要是c a c o 。 3 太原理i ：大学硕十研究生学何论文 富含空隙及粘土矿物颗粒较高，属于高吸附性和亲水性，黄土中粘土矿物含量较 高，比表面积大、吸附性强；黄土是大空隙、垂直节理发育的特殊结构，其透光 性、透水性好，除此，还富含有机质和微生物。黄土这些独特的地球化学特征， 为与酸性废水作用产生中和反应，吸附和离子交换吸附作用以及和微生物生化反 应提供了条件“】。 煤矿区因开采煤层形成采空区，在地表形成的塌陷，采煤排水易形成湿地， 生长喜水植物如芦苇、香蒲、马尾草等，积水沣地中还生存多种微生物如脱硫酸 细菌等，煤矿区分布的天然黄土和采煤塌陷形成的湿地为“黄土一湿地植物一微 生物生态系统”的形成提供了基础，在此基础环境中人工培养降解硫酸盐的微生 物，就形成了“黄土一湿地植物一微生物生态系统”。该天然一人工生态系统是黄 土、湿地植物、微生物三个子系统组成，各予系统既独立，又相互联系、相互影 响。我们所需要的就是对煤矿酸性废水在各子系统中所发生的物理、化学、生物 化学作用的过程，影响因素及控制。 本项研究是国家自然科学基金项目“黄土一湿地植物一微生物生态系统处理 煤矿酸性废水”中的两个子系统，就是以典型黄土母质发育的土壤及其下的土层 作为研究对象，通过研究黄土与煤矿酸性废水的反应效果，来揭示其规律及机理。 该项研究为硫酸赫废水资源化研究开辟了新的途径，为我国循环利用水资源打开 了更广阔的天地，开展此项研究在一定程度上弥补我们国家在这一学术领域的空 白。 1 2 课题研究现状与研究方法 1 2 1 课题研究现状 国内外关于煤矿酸性废水处理方法多采用建立污水处理厂，利用物理、化学、 生物化学方法处理，如以化学中和反应为理论基础的石灰石为中和剂的石灰石中 基金项目：国家白然科学基金资助项目( 3 0 4 7 0 2 6 9 ) 4 = ； 害 ， 太原理f ：人学硕十研究生学付论文 和滚筒过滤法、升硫膨胀过滤法和石狄乳中和法及石狄乳井下注入中和法。利用 越 ：一微7 i 物系统处理煤矿酸陛峻水的试验研究很少，幽内尚未见报迫。田内外 对污水快速渗滤土地处理的研究起步也较晚，相关报道也很少；利用人工湿地和 微生物处理煤矿酸性废水的研究较多，国内已有一些学者开展了矿山酸性废水的 温地生态工程处理研究，以及利用微生物方法处理废水的研究。 1 2 1 1 污水快速彦臆土地处理研究意义及现状 黄土处理污水的主要方法就是污水快速渗滤土地处理，污水快速渗滤试验是 污水处理的行之有效的方法，是污水资源化的重要手段，具有很高的环境效益、 经济效益和社会效益。国外许多学者从2 0 世纪6 0 年代开始，对此进行了大量的 研究工作。2 0 世纪8 0 年代以后，该技术在一些发达国家得到普及”1 。 污水快速渗滤土地处理( 又称r i 系统) 的历史可以追溯到几十乃至一百多年 以i ； ，如美国的c a l u m e tr i 系统建于1 8 8 7 年( c r i t e s ，1 9 8 5 ) ”1 ； g e o r g el a k e r i 系统建于1 9 3 9 年( a u l e n b a c h ，1 9 7 5 ) 。1 ，这些系统目前仍在运转。 早期营建r i 系统的主要目的是为了避免地表水体遭受直接污染，并为认识到 土壤一含水层系统所具有的潜在天然净化功能( b o u w e r ，1 9 8 5 ) “，人类关于r i 系统地认识，此时尚停留在朴素的感性认识阶段。 进入本世纪，由于工业迅速发展，城市人口膨胀，污水和各种化学工业物质 的数量与同俱增，人们开始对土地处理这种形似简单的污水方法的科学性产生了 疑虑；另一方面，由于生化处理技术不断获得突破，二级生化处理工艺日趋成熟， 人们开始把污水处理的重心逐渐转向常规的二级生化人工处理系统( c h a n ga n d p a g e 。1 9 7 8 ) 3 。 然而，常规的二级生物处理方法一般只对悬浮物和b o d 的去除较为有效，而 对氮、磷等营养物质和病原微生物的去除则效果较差，无法解决出水排入地表水 体后所产生的富营养化问题。而且，生化处理系统的基建投资和运行费用太高， 耗能大，社会难于负担。以美国为例，为了普及二级生化处理厂，1 9 7 3 - - 1 9 7 5 年 的全国行政拨款为1 8 5 亿美元。截止1 9 9 0 年，全国城市污水处理厂的总投资已高 5 太原理l ：人学硕十研究生学侍论文 达7 0 0 亿美元，预计到本世纪未还需要基建投资2 4 7 9 亿美元，运行管理费2 0 5 5 亿美元。即使如此，其水环境治理的效果距美国联邦法规提出的“零排放”的要 求仍然相差甚远。人们不得不对这种单一式的水污染控制路线进行新的思考。 2 0 世纪9 0 年代，越来越多的国家开始纠正上述偏差，鼓励研制和发展污水处 理的“革新技术”和“代用技术”，促使污水处理技术向水回收和无水资源化的方 向发展。在这种新的形势下，污水土地处理系统再次得到重视，r i 系统的作用也 得以俄重新认识和评价。 研究表明，r i 系统不仅设备简单，操作管理方便，耗能少，费用仅有常规二 级处理的1 2 1 l o ，而且净化效果良好，净化水质可达二级以上处理水平 ( t o m s o n ，e t a l ，1 9 8 5 ) “”。于是，r i 系统在欧美国家开始兴起并迅速普及。仅美 国，其r i 场地于1 9 8 1 年就达3 2 0 个，1 9 8 7 年进一步发展到1 0 0 0 余个，各种不同 形式的污水土地处理系统的总数高达3 4 0 0 余个，占全部污水处理系统的l o 一2 0 。 美国环保局于1 9 8 1 年和1 9 8 4 年正式编制出版了城市污水土地处理工艺设计指 南( u s e p a ，1 9 8 1 ) 及其续补本( u s e p a ，1 9 8 4 ) ，有效地苏进了r i 系统的研究和发 展。1 ” 由于历史条件的限制，污水快速渗滤试验研究在我国的起步较晚，“六五”期 日j 仅作过少量的土柱模拟试验，正式研究始于“七五”，迄今不足十年的时间。该 项研究的重要性，正在被越来越多的人所认识。 就技术方法而论，污水快速渗滤和二级生化处理技术，如生物滤池法没有本 质的区别，他们都是利用发生于固相表面的生物作用及物理化学作用以达到净化 污水的目的。其不同点在于：其一，快速渗滤技术是利用土壤颗粒作为载体，其 比表面积巨大，处理效果优于二级生物处理系统，但水力负荷较低，占地面积大； 其二，污水快速渗滤处理系统和一般的二级生化处理系统在工作形式上有较大的 不同，前者采用干湿交替的工作方式，从而导致系统内部存在着氧化还原条件往 复出现的环境特征，这是一般的生物处理系统所不具备的“”。 1 2 1 2 微生物处理污水的研究现状 6 ， 太原理l 人学硕十研究生学付论文 微生物法处理龠硫酸盐酸陛废水的研究已经受到国外环境学者的广泛关注。 1 9 7 7q - ，m i d d l e t o 和l a w r c n c c ”研究厂使用乙酸为碳源，完全f l a 合反应嚣中，1 物 硫酸战还原的动力学，得出硫酸盐还原率为0 2 9 9 s 0 4 2 l d 。m a r e e “等人1 9 8 7 年对会矿排水进行了微生物法去除s 0 4 2 。的中试规模研究。1 9 9 0 年，p r e e z 等人“ 使用发生炉煤气( h 2 、c 0 2 、c o 和n 2 的混合气) 作为能源，进行s r b 在厌氧填充 床反应器的研究。v l a d i s l a vs o m l e v 等人”1 1 9 9 2 年在小试规模研究中，采用铁屑作 为生物膜的载体，以糖蜜作为碳源，对填充床反应器和流动床反应器进行了研究。 1 9 9 4 年，r e n e e 等人在气提反应器中以i - 1 2 、c 0 2 作碳源，以白云石、玄武石作 载体进行了硫酸盐生物还原的研究。d a s u ”等还测定了葡萄糖和消化城市污水厂 污泥作碳源和能源时s 0 2 的最大负荷和对应的脱硫脱硫弧菌最大专一活度。发现 8 0 2 最大负荷必须小于脱硫脱硫弧菌的最大专一活度。1 9 9 7 年，s e l v a r a j ”1 等人利 用s r b 进行了烟气脱硫研究。l e e 和s u b l e t t e ”认为用s r b 中的脱硫脱硫弧菌 ( d d e s u l f u r i c a n s ) 进行烟道气脱硫从技术上是可行的。脱硫脱硫弧菌能与异养型发 酵细菌共同生长于同一反应器中，并以葡萄糖作为唯一的碳源。 微生物处理酸性废水法是应用自然界中硫循环反应原理，将硫酸盐还原为单 质硫，第一阶段在厌氧条件下，通过异化硫酸盐生物还原反应，利用硫酸盐还原 菌( s r b ) 将硫酸盐还原为硫化物；第二阶段是利用光合硫细菌或无色硫细菌( c s b ) 将硫化物氧化为单质硫；第三阶段为单质硫回收。 作为处理煤矿酸性废水技术的热门课题，当前己经在国内外进行了广泛深入 的研究，其中s r b 所使用的碳源也是研究中的主导方向之一。s r b 还原硫酸盐的过 程中需要供应碳源有机物1 ，国外许多研究者曾利用乙酸、丙酸、丁酸和一些长 链脂肪酸作为碳源进行过研究。近年来，碳源的采用涉及到初沉池污泥、剩余话 性污泥、蜜糖、经过气提的奶酪乳清和橡胶废水等。例如：1 9 9 7 年s e r g e y 等人瞄1 使用u a s b 反应器，以乙酸为碳源，在3 5 c 条件下处理硫酸盐废水，当s o , 2 一负荷 率为6 9s 0 1d ，h r t 为5 o 8 5d 时，s o , 2 一还原率可达8 0 ；杨景亮等人曾研 究了以葡萄糖为碳源，用s r b 法还原青霉素废水中s 0 f ，在中温条件下，当反应器 进水s o , ”浓度为1 6 0 0 m g 1 ，p h 为7 9 ，c o d s 矾大于3 时，s 矾2 。的还原率达8 5 7 太原理r 人学硕十研究生学何论文 ；李亚新等人1 也以生活垃圾为碳源研究了s r b 法处理含硫酸盐矿井废水，使 s o 。2 。的还原率达8 6 7 3 ，并能使反应器出水的单质硫回收率达7 6 1 - 8 0 o 。 1 2 2 煤矿酸性废水处理在国内常用的方法 煤矿酸性废水的污染是一个全球性问题，它的p h 值较低，还含有高浓度的硫 酸盐及可溶性的金属离子。由于硫酸盐污染具有潜伏性和难治理性，如果一旦大 面积形成污染，治理难度就很大，所以当前一定要抓住污染源头的治理，减少硫 酸盐向自然界的排放。目前，国内外采用的方法主要有： 1 中和法 中和法处理使用石灰石或石灰作中和剂，虽然目前中和法处理酸性煤矿废水 在工程应用上有了很大改进，但是中和会产生巨大的固体废弃物硫酸钙难以处理， 引起严重的二次污染。 国内外关于煤矿酸性废水处理方法多采用建立污水处理厂，利用物理、化学、 生物化学方法处理，如以化学中和反应为理论基础的石灰石为中和剂的石厌石中 和滚筒过滤法、升硫膨胀过滤法和石灰乳中和法及石灰乳井下注入中和法。利用 污水厂处理煤矿酸性废水主要缺点是基建工程和设备投资大，运行费用高，耗能 大，处理量小，企业很难负担，尤其是那些分散的乡镇煤矿是很难做到的。 2 湿地法 湿地法处理酸性矿井废水是近年来研究的一项新技术，具有投资少，运行费 用低，易于管理等优点，但湿地法占地面积大，处理受环境影响大，而且对h 2 s 处理也不彻底，残余处理也不彻底，残余h 2 s 进入大气会污染环境。 2 0 世纪7 0 年代国外出现了利用人工湿地处理污水理论和技术，人工湿地作为 一种独具特色的新型污水处理技术正式进入水污染控制领域。该方法是人工建立 湿地单元，单元中的基质过程介质材料可以是土壤、砂、卵石、碎石或煤渣，废 水通过介质材料和介质材料上生长的水生植物，发生物理、化学、生物化学作用， 使废水的酸性和其中的有毒有害物质降解。但是迄今为止应用人工湿地处理特殊 8 太原理1 。人半硕十研究生学伊论文 工业废水的研究和事例尚不多见。 3 微，| ，物法 目前的微生物法处理酸性矿井废水就是利用硫酸盐还原菌( s r b ) 通过异化硫 酸盐的生物还原反应，将硫酸盐还原为h ：s ，并利用某些徽生物将h 。s 氧化为单质 硫。用微生物法不但可以去除废水中的硫酸根，它同时还具有下列优点： 微生物法处理酸性矿井废水费用低，实用陀强，无二次污染，还可以回收重 要的单质硫；产生的硫化物与重会属接合为金属硫化物沉淀，可以去除废水中的 重金属离子；此种方法还能使某些废水脱毒，例如亚硫酸盐可以被转化为毒性较 轻的硫化物。 1 3 论文研究的内容与技术路线 1 3 1 论文的研究目标 本文以山西省晋中地区的马兰黄土、离石黄土、古土壤层，以及黄土中含有 天然微生物处理煤矿酸性废水的实验研究和处理能力为目标。主要通过室内的分 阶段试验，揭示黄土处理煤矿酸性废水的能力及其环境容量研究。在此基础上， 分析黄土中所含有的天然脱硫酸菌，以及其处理硫酸根的机理。本论文为处理矿 山酸性硫酸盐废水的研究开辟了新的途径，这也为我国循环利用水资源打开了更 广阔的天地。有关这类技术的报道极少，开展此项研究可以从一定程度上弥补我 们国家在这一学术领域方面的研究空白，所以这项课题也有一定的社会效益和学 术价值。 1 3 2 论文研究的内容 1 在广泛收集资料，对马兰黄土、离石黄土和古土壤层进行物理化学分析的基 础上，安装了马兰黄土( t z 0 1 ) 和离石黄土( t z 0 2 ) 两个土柱，通过淋滤实验对两 种黄土进行本底分析，了解其物理化学性质。 9 太原理i ：人学硕十研究生学 市论文 2 采集煤矿酸性废水，并对废水进行本底分析。 3 探讨煤矿酸性废水在黄土土柱中的物理化学变化，在室内进行黄土处理煤 矿酸性废水的实验研究。 4 在黄土土柱处理煤矿酸性废水的基础上，进行黄土天然微生物处理废水中 硫酸盐试验。 5 根据黄土微生物处理煤矿酸性废水中硫酸盐的效果曲线，找出黄土中脱硫 酸菌的最优处理速度和处理效果。 6 黄土处理煤矿酸性废水的环境容量研究 1 3 3 论文研究的技术路线 在充分收集山西马兰、离石黄土的物理性质，化学成分方面资料的基础上， 根掘煤矿采集的酸性废水的水样分析结果，进行污水快速渗滤土地处理的室内研 究。在室内丌展了马兰黄土、离石黄土的土柱处理废水，以及利用黄土中含有的 天然微生物处理废水中硫酸盐的实验。最后进行黄土一微生物系统处理煤矿酸性 废水的试验研究。 1 0 太原理l 人学硕十研究生学 奇论文 第二章山西黄土的物理化学性质以及煤矿酸性废水的成因 2 1 离石黄土的物理化学性质 2 1 1 离石黄土的物理力学性质 2 1 1 1 天然含水量 离石黄土的天然含水量各地差别较大，长治市为2 9 5 ，夏县仅9 ，省内3 0 处含水量平均为1 8 2 。从区域分布上虽然没什么规律。但在具体每一个剖面的含 水量是随深度增加而变大的。 2 1 1 2 容重 1 天然容重：离石县陈家崖高达2 0 3 9 e m 3 ，乡宁县后西坡较低，仅为1 4 0 9 e m 3 ： 掘3 0 处统计的平均值为1 7 4 9 c m3 。虽然在区域分布上不规律，但在垂向上天然 容重值是随深度增加而增大的。 2 干容重：离石县陈家崖高达1 7 1 9 c m 3 ，乡宁县后西坡仅为1 2 7 9 c m 3 。省内 平均值为1 2 7 9 c m 3 。 2 1 1 3 可塑性 可塑性的大小是以塑性指数( 液限与塑限之差) 来表示。它是目前国际上对 粘性土进行分类的依据之一，据此可以概略了解其他物理力学性质。 省内各地离石黄土液限变化较大，长治市潞城微子镇为3 4 5 ，平鲁县下石宸 村为2 5 ，省内2 9 处液限平均值为2 9 4 。 省内塑限差别也较大，偏关县元敦子为2 1 6 ，沁源县为1 4 ，省内平均值为 】77 。 各地塑性指数变化在7 1 5 范围内，省内平均值为1 1 7 。 2 1 1 4 压缩空隙比 太原理i ：大学硕十研究生学位论文 黄土在受力情况下其总体积是个变量，但颗粒体积相对稳定，压缩空隙比是 黄土工程地质性质的重要指标之一。从省内各地离石黄土在2 k g c m 3 压力下的空隙 比看变化是较大的。运城县石碑庄较高为1 0 3 4 ，翼城县小河口水库较低，仅为 o 5 0 5 ，省内平均值为0 8 1 。 2 1 1 5 透水性 土的透水性指标常用渗透系数来表示，渗透系数大表示透水性强，省内离石 黄土的透水强度多数为弱透水( 0 1 - 0 0 0 1 米昼夜) ，个别为中等透水( o 5 - 0 1 米昼夜) 。 不同地点不同层位上的离石黄土崩解及透水性的差异，是由于土质不均和可 溶盐含量及图的结构不同造成的，一般涂得细颗粒多，可溶盐含量低，大孔结构 少，则土的崩解速度慢，透水性弱。 2 1 2 离石黄土的化学成分 离石黄土各土层的化学成分见下表2 1 。 表2 - 1 离石黄土母质，古土壤和钙质结核的化学成分( ) t a b l e 2 一lt h ec h e n i s t r yc o m p o n e n t so f l i s h il o e s sp a r e n tm a t e r i a l ，p a l e o s o l a n dc a l c a r e o u sc o n c r e t i o n ( ) 地代岩 烧 层号性 s i 如 a 1 2 0 3f e 2 m f e 0 m 9 0 c a 0i ( 2 0 n a 2 0 m n 0 2p 2 0 st i 如失 量 黄 士 母6 0 2 01 2 2 l4 4 1o 9 02 2 26 7 52 2 91 6 00 1 00 1 40 6 88 7 3 质 离 层 石q z l 古 十 6 3 7 81 4 2 5 5 4 7o 5 92 1 04 0 52 4 8 1 3 2o 1 0o 1 1o 7 26 3 6 组 壤 钙 质 3 6 0 97 3 62 7 8o 6 21 6 02 6 0 21 4 01 0 70 0 5o 1 90 4 22 2 5 8 结 核 1 2 太原理l 。人学硕十研究生学何论文 2 2 马兰黄土的物理力学性质 2 2 1 马兰黄土的物理力学性质 2 2 1 1 天然含水量 省内各地马兰黄土的天然含水虽差别较大，汾西县、沁水县在2 8 8 以上，乡 宁县后西坡仅2 5 ，省内平均值为1 5 6 。从区域分如上无规律可循，但在每个 剖面上的含水量是随深度增加而变大的。 2 2 1 2 容重 1 天然容重：马兰黄土的天然容重各地不一，安泽县、陵川县高达1 8 3 9 c m 3 ， 离石县陈家崖较低，为1 3 9 9 ，c m 3 ，省内平均值为1 5 8 9 c m 3 。尽管马兰黄土的天然 容重在水平方向没有变化规律，而在同一剖面上，下部土的容重大于上部的容重。 2 干容重：省内各地差异较大，阳泉市马兰黄土的干容重为1 5 5 3 9 e m 3 ，离石 县陈家崖为1 2 2 9 c m 3 ，省内平均值为1 3 7 9 c m 3 。 2 2 1 3 可塑性 各地马兰黄土的液限值变化在3 3 4 之1 3 范围内。寿阳县、临汾市塔儿山 为3 3 以上，阳泉市2 1 3 ，3 7 处平均值为2 7 o 。 马兰黄土的塑限值变化在2 2 - - 1 5 4 之间，偏关县陈家山为2 2 9 6 ，3 7 处平均值 为1 8 。 各地马兰黄土的塑性变化在1 3 4 札5 6 之间，汾西县委1 3 4 ，偏关县陈家 山为5 6 ，3 7 处平均值为9 9 。 2 2 1 4 透水性 土的透水性指标常用渗透系数来表示，渗透系数大表示透水性强，省内除， 除静乐下石家庄马兰黄土为强透水( k o 5 米昼夜) 及平鲁下水头新黄土为中等 透水( 0 5 米昼夜 k 0 1 米昼夜) 外，孝义、汾阳、偏关等地的马兰黄土为 弱透水( k 0 0 5 o 0 5 o 0 0 5 样( c m s ) o 0 0 5 ( m m ) ( ) ( r a m ) ( m m ) 马兰 1 5 31 4 72 7 l8 0 2 1 0 一4 9 1 23 7 7 51 3 1 3 黄七 离i i 6 2 51 5 62 7 15 9 4 x 1 0 54 6 1 53 1 0 51 2 8 0 黄十 占土 7 7 0l5 12 7 l4 o l 1 0 川5 2 0 62 6 6 0 2 1 3 4 壤 3 2 2 黄土的本底的测定 本试验采用蒸馏水淋滤法对马兰黄土和离石黄土分别进行了本底的测定。 3 2 2 1 马兰黄土( t z 0 1 ) 的本底组分分析结果 t z 0 1 土柱，每天2 4 h 淋滤，并进行观测。实验到目前为止还未结束，截止到 目前在不同时间间隔内共取淋滤液水样5 4 个，对淋滤液进行分析的项目有：p h 值、 s 0 。、c l 、电导率、c a 2 + 、f 、m g ”、c 0 3 、h c 0 ，- 等组分。实验结果见表3 2 。 1 8 ， 太原理f 人学硕十研究生学位论文 1 9 炒- 2 tz。1_卜弦雾滤童且审串暮童苦海_表 一寸一口u rip一)r一o一叶oc一一of1_opo丁一；oo暑口。畚。口一of-一n。一 毋寄暑enoon斗 乏乏 去 - (- c_ c - _ _， ， 一 _， _ 一 苗 2 0 太原理1 。人学硕十研究生宁何论文 r l -， _ _， ， ， _， i 乓 2 l 太原理i ：大学硕十研究生学位论文 1 t z o i 本底分析淋滤试验的p h 变化。 图3 - 1t z 0 1 土柱渗虑液p h 值的变化曲线 f i g 3 - 1 c h a n g i n gc u r v e so f p hi nt z o ip i l l a rf i l t r a t i o n 由于土拄装土的重量是一定的，所以从图3 1 中看到渗出水的p h 值先是随着 出水量的增多而增大，当增大到一定值后又开始下降，到最后趋于稳定值。由于 蒸馏水丌始入渗时，其p h 值在豇6 左右，土柱中装的马兰黄土也是风干的，蒸馏 水在土中渗流，还不能和黄土完全反应，所以渗出的水同样不能完全反映黄土的 本底。随着渗出水量的不断增大，蒸馏水和黄土的中和反应也更加充分，渗出水 也愈来愈反映黄土本身的性质，所以渗出水的p h 达到一个最高值。但是达到最高 值一段时期后，黄土中的碱被蒸馏水中和的越来越多，含碱量也逐渐降低，所以 渗出水的p h 值又继续降低到一定值后趋于稳定。 2 t z 0 1 本底分析淋滤试验的h c 0 3 。变化。 篙1 5 0 卜j 5 0p 0 l - - - - - - r - - - - - - - - - - - - t - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一一一- 一一 0 0 5i1 5 出水量装士重最( m l g ) 图3 - 2t z 0 1 土柱渗滤液h c 0 3 值的变化曲线 f i g 3 - 2c h a n g i n gc u l 、，e $ o f h c 0 3 。i nt z 0 1p i l