一种采空区酸性废水处理结构及方法

摘要

一种采空区酸性废水处理结构，包括一级过滤结构，设置于煤矿采空区的开放口位置处，在一级过滤结构上设置有可渗透反应墙，所述可渗透反应墙内设置有零价铁用于降低酸性废水中重金属的价态或降解有机物；二级过滤结构，设置于一级过滤结构的出水侧，二级过滤结构包括碱性过滤池，用于对酸性废水进行中和；三级过滤结构，设置于二级过滤结构的出水侧，三级过滤结构的出水侧为河道；三级过滤结构包括净化池以及设置在净化池上的植物养殖板，在植物养殖板上养殖有水生植物。本发明通过一级过滤结构、二级过滤结构和三级过滤结构，逐级对酸性废水过滤净化处理，使其达到标准后再排入自然环境中的河道内，减小对采空区周边生态环境的破坏。

说明书

技术领域

本发明属于酸性废水技术领域，具体地说是一种采空区酸性废水处理结构及方法。

背景技术

我国煤炭资源丰富的省份之一其中有贵州，其地区的煤矿中的硫含量接近或高于3％，煤矿在开采过程中，因含煤地层中所含硫化物的赋存环境变化而自发进行氧化还原反应，再加上贵州诸多煤矿开采主要以小型煤矿为多，矿井水及煤研石排放无序，同时废气后的矿井又无人治理，导致煤矿酸性废水，在遇到雨水天气时，将酸性废水带入至自然生态环境中。

煤层开采后煤矿接触空气处于氧化环境中，煤矿中的硫铁矿与矿井水和空气接触后，产生化学反应，生成硫酸和氢氧化铁，使水呈现酸性，生产了酸性矿井水，然后遇到雨水天气，雨水渗入至采空区内，雨水将酸性矿井水带离采空区，流入到自然生态环境中，且该流入到自然环境的废水为pH值低于6的矿井水，对生态环境破坏性极大，其主要特点为pH较低，一般在4～6，含有高浓度的硫酸盐以及多种可溶性的重金属离子，如Fe

专利CN103755043A公开了一种煤矿酸性废水井下原位修复的生物可渗透反应墙系统，生物可渗透反应墙体有四层，依次由缓冲保护墙、铁粉可渗透反应墙、生物麦饭石可渗透反应墙，缓冲保护墙组成；所述出水池为分段隔板式，保证系统在运行过程中生物可渗透墙体内始终为充水厌氧状态；煤矿酸性废水在进水槽前汇集自然沉淀，在重力的作用下首先流入缓冲保护墙，再依次流经铁粉可渗透反应墙、生物麦饭石可渗透反应墙和缓冲保护墙，经过生物-非生物协同处理之后流入出水池。但是该专利中并未采用分级处理结构进行水处理，水处理效果不明显。另外，其内部缓冲保护墙、铁粉可渗透反应墙、生物麦饭石可渗透反应墙中的填料消耗完后不便于后期进行更换。

专利CN207159014U公开了一种尾矿库酸性废水处置系统，包括依次设置的化学中和处置系统和人工湿地处置系统，其主要利用化学中和的方式并与人工湿地相结合来进行处理，并不能改变废水中重金属的价态。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种采空区酸性废水处理结构，旨在解决上述技术问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提出一种采空区酸性废水处理结构，包括：

一级过滤结构，设置于煤矿采空区的开放口位置处，在一级过滤结构上设置有可渗透反应墙，所述可渗透反应墙内设置有零价铁用于降低酸性废水中重金属的价态或降解有机物；

二级过滤结构，设置于一级过滤结构的出水侧，二级过滤结构包括碱性过滤池，用于对酸性废水进行中和；

三级过滤结构，设置于二级过滤结构的出水侧，三级过滤结构的出水侧为河道；三级过滤结构包括净化池以及设置在净化池上的植物养殖板，在植物养殖板上养殖有水生植物；

所述一级过滤结构、二级过滤结构、三级过滤结构为依次呈阶梯状分布，二级过滤结构水平高度低于一级过滤结构，三级过滤结构水平高度低于二级过滤结构。

优选的，所述可渗透反应墙包括矩形框架以及多块过滤板；多块过滤板沿着排水方向排列在矩形框架内；过滤板可沿垂直方向从矩形框架中抽出或插入；在所述过滤板的顶部设置有把手；所述过滤板的内部为中空状，零价铁填充在过滤板的中空内腔中，还填充有沸石和碳源。

优选的，所述二级过滤结构还包括多块物料板；多块物料板沿着水流方向排列在所述碱性过滤池中；在所述碱性过滤池上固定设置有多对双层夹板，每块物料板设置在每对双层夹板的内部，物料板可沿垂直方向从双层夹板中抽出或插入；双层夹板和物料板均为镂空状；所述物料板的内部为中空状，并填充有碱性中和物。

进一步地，物料板内部填充的碱性中和物为石灰和苛性钠，或者为电石渣和锅炉灰碱性物质。

优选的，所述植物养殖板由多块板体排列拼接而成；每块板体的一端设置有凸部，另一端设置有凹部；凹部的两侧以及凸部上均开设通孔；多块板体排列后，其中一个板体的凸部嵌入另一个板体的凹部内，且凸部与凹部的两侧的通孔连通，连接杆穿设在所述通孔内形成所述植物养殖板。

优选的，在每块板体上设置有凹槽；凹槽的内底面为镂空状；在所述凹槽上设置有套筒，水生植物设置在所述套筒内；在所述套筒外柱面的下部设置有卡块；在所述凹槽内壁上开设定位槽和卡槽，定位槽与卡槽之间通过转槽连接；所述套筒插入凹槽并转动时，所述卡块从定位槽并经过转槽卡入到所述卡槽内；在所述凹槽的内腔底面与套筒下端面之间设置有弹簧。

优选的，在所述矩形框架迎水面的两端设置有卡板，卡板之间设置有清洁机构；该清洁机构包括：

提拉杆，数量为两根，分别垂直安装在矩形框架迎水面的两端的卡板上，提拉杆可在卡板内上下活动；

连接板，其两端分别与提拉杆的下端连接；

弧形板，安装在所述连接板上，弧形板远离矩形框架的一侧向上倾斜，且弧形板的前端与煤矿采空区的开放口底面齐平；在弧形板的两端设置有挡板。

优选的，在所述过滤板的两侧设置有曝气管，各个曝气管的进气端共同连接至主干管；所述主干管延伸至可渗透反应墙外；在所述过滤板的表面设置有毛刷，所述毛刷的刷毛延伸至所述曝气管上。

优选的，在所述净化池前端设置有固定钩，所述植物养殖板的前端钩在所述固定钩上；在所述净化池的出水侧与河道之间设置有缓流板。

另一方面，本发明还提供一种采空区酸性废水处理方法，采用上述采空区酸性废水处理结构，包括以下步骤：

步骤S1：铺设一级过滤结构，先对煤矿采空区的开放口预处理，对煤矿采空区的开放口底面进行整平，将其表面残留矿渣、石头和枯枝烂叶清理掉，然后设置可渗透反应墙，同时将可渗透反应墙与煤矿采空区的开放口之间的缝隙进行填塞处理；

步骤S2：铺设二级过滤结构，在煤矿采空区的开放口外侧开挖第一台阶，第一台阶内设置碱性过滤池，碱性过滤池的首端高度低于可渗透反应墙下端，碱性过滤池的末端高度低于其首端高度；

步骤S3：铺设三级过滤结构，在第一台阶一侧开挖第二台阶，第二台阶内设置净化池，净化池的首端低于碱性过滤池6的末端下部，净化池的末端高度低于其首端高度，净化池9内铺设植物养殖板10，且将植物养殖板的前端固定在净化池的首端上；

步骤S4：河道河体保护，在净化池的出水侧设置缓流板，缓流板设置在净化池与河道之间连接位置处。

优选的，在雨水天气，观察煤矿采空区的开放口水流流动方向和流水，以及可渗透反应墙与开放口缝隙处封堵情况，防止水流向四周散开流动。

优选的，在3-5次雨水天气后，取出过滤板和物料板，观察其内部填充物料，同时通过酸碱检测仪器，检测河道水PH值。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过一级过滤结构、二级过滤结构和三级过滤结构，逐级对酸性废水过滤净化处理，使其达到标准后再排入自然环境中的河道内，减小对采空区周边生态环境的破坏。

(2)在本发明中通过在可渗透反应墙中设置零价铁，利用其还原性降低重金属的价态或降解有机物，降低酸性废水的迁移性或毒性。由于可渗透反应墙中的过滤板可沿垂直方向从矩形框架中抽出或插入，该结构使得更换过滤板中内部的填料更为方便。

(3)通过在物料板内填塞有石灰和苛性钠，对酸性废水进行中和，使其与河道水PH值相近时，再排入河道中，其中物料板内填塞不仅可以是石灰和苛性钠，也可以填塞电石渣和锅炉灰碱性物质，提供多种选择，同样，在物料板使用多次后，内部填塞的物料，失去其酸性废水的中和能力，也需要更换，将物料板从夹板中取出，然后将新的物料再次投入至物料板，接着在将物料板放回原处，使得二级过滤结构可以再次有效对酸性废水中和。

(4)在本发明中，过滤板中还填充有沸石和碳源作为填料，沸石利用其吸附作用和沉淀作用，将酸性废水中的有毒物质作进一步吸附；同时，碳源填料利用其增强微生物反应活性，提高降解有机物的效率。

(5)在本发明中，通过在过滤板的两侧设置曝气管，且在过滤板的表面设置有毛刷，毛刷的刷毛延伸至所述曝气管上。当过滤板长时间浸泡在酸性废水中，过滤板表面的过滤孔将会被水中杂质封堵，通过往曝气管内鼓入气体，将过滤孔内填塞的杂质清理掉，同时也可将沸石表面微孔内填塞的杂物清洁，使得沸石再次具有吸附净化的作用，延长其单次使用寿命；另外，过滤板在抽出或者插入矩形框架的过程中，过滤板表面设置有毛刷可以将曝气管表面粘附的黏着物清理掉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明中酸性废水处理结构的剖视图

图2为本发明中可渗透反应墙的立体结构示意图；

图3为本发明中可渗透反应墙的剖视图；

图4为本发明中植物养殖板的结构示意图；

图5为本发明中板体与套筒的配合结构示意图；

图6为本发明中固定钩与植物养殖板的配合图；

图7为本发明中在过滤板表面设置毛刷的结构示意图；

图8为本发明中酸性废水处理方法流程图。

附图标号说明：

1-一级过滤结构；2-二级过滤结构；3-三级过滤结构；4-矩形框架；5-过滤板；6-碱性过滤池；7-双层夹板；8-物料板；9-净化池；10-植物养殖板；11-板体；12-套筒；13-连接杆；14-凸部；15-凹部；16-通孔；17-凹槽；18-弹簧；19-定位槽；20-转槽；21-卡槽；22-卡块；23-卡板；24-提拉杆；26-连接板；27-弧形板；28-挡板；29-曝气管；30-主干管；31-固定钩；32-缓流板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

结合图1所示，一种采空区酸性废水处理结构，包括：

一级过滤结构1，设置于煤矿采空区的开放口位置处，在一级过滤结构1上设置有可渗透反应墙，所述可渗透反应墙内设置有零价铁用于降低酸性废水中重金属的价态或降解有机物；

二级过滤结构2，设置于一级过滤结构1的出水侧，二级过滤结构2包括碱性过滤池6，用于对酸性废水进行中和；

三级过滤结构3，设置于二级过滤结构2的出水侧，三级过滤结构3的出水侧为河道；三级过滤结构3包括净化池9以及设置在净化池9上的植物养殖板10，在植物养殖板10上养殖有水生植物；通过在净化池9种植水生植物，让水生植物再次对水体进行净化，提高水体质量；

所述一级过滤结构1、二级过滤结构2、三级过滤结构3为依次呈阶梯状分布，二级过滤结构2水平高度低于一级过滤结构1，三级过滤结构3水平高度低于二级过滤结构2。通过一级过滤结构1、二级过滤结构2和三级过滤结构3，逐级对酸性废水过滤净化处理，使其达到标准后再排入自然环境中的河道内，减小对采空区周边生态环境的破坏。

结合图2及图3所示，所述可渗透反应墙包括矩形框架4以及多块过滤板5；多块过滤板5沿着排水方向排列在矩形框架4内；过滤板5可沿垂直方向从矩形框架4中抽出或插入；在所述过滤板5的顶部设置有把手；所述过滤板5的内部为中空状，零价铁填充在过滤板5的中空内腔中，还填充有沸石和碳源。

零价铁利用其还原性降低重金属的价态或降解有机物，降低酸性废水的迁移性或毒性；沸石利用其吸附作用和沉淀作用，将酸性废水中的有毒物质作进一步吸附；同时，碳源填料利用其增强微生物反应活性，提高降解有机物的效率。当沸石和碳源填料这些物料在使用一段时间后，沸石上微孔会被封堵住，碳源也会消耗殆尽，由于过滤板5可沿垂直方向从矩形框架4中抽出或插入，因此需要更换新的填料时，将过滤板5从矩形框架4中抽出，然后更换新的填料再插入矩形框架4中，保证一级过滤结构1对酸性废水的有效过滤净化。

结合图1所示，所述二级过滤结构2还包括多块物料板8；多块物料板8沿着水流方向排列在所述碱性过滤池6中；在所述碱性过滤池6上固定设置有多对双层夹板7，每块物料板8设置在每对双层夹板7的内部，物料板8可沿垂直方向从双层夹板7中抽出或插入；双层夹板7和物料板8均为镂空状；所述物料板8的内部为中空状，并填充有碱性中和物。进一步地，物料板8内部填充的碱性中和物为石灰和苛性钠，或者为电石渣和锅炉灰碱性物质。通过碱性中和物对酸性废水进行中和，使其与河道水PH值相近时，再排入河道中。当物料板8使用多次后，内部填塞的碱性中和物失去其酸性废水的中和能力，也需要更换，将物料板8从双层夹板7中抽出，然后填充新的碱性中和物后再次插入至双层夹板7中，使得二级过滤结构2可以再次有效对酸性废水中和。采用该结构可以方便更换物料板8内的填充物。

结合图4及图5所示，所述植物养殖板10由多块板体11排列拼接而成；每块板体11的一端设置有凸部14，另一端设置有凹部15；凹部15的两侧以及凸部14上均开设通孔16；多块板体11排列后，其中一个板体11的凸部14嵌入另一个板体11的凹部15内，且凸部14与凹部15的两侧的通孔16连通，连接杆13穿设在所述通孔16内形成所述植物养殖板10。进一步地，在每块板体11上设置有凹槽17；凹槽17的内底面为镂空状；在所述凹槽17上设置有套筒12，水生植物设置在所述套筒12内；在所述套筒12外柱面的下部设置有卡块22；在所述凹槽17内壁上开设定位槽19和卡槽21，定位槽19与卡槽21之间通过转槽20连接；所述套筒12插入凹槽17并转动时，所述卡块22从定位槽19并经过转槽20卡入到所述卡槽21内；在所述凹槽17的内腔底面与套筒12下端面之间设置有弹簧18。在弹簧18的弹力作用下，上顶套筒12，将套筒12的卡块22推进并卡紧在所述卡槽21内，使得套筒12固定在凹槽17内，实现水生植物的快速固定，且当水生植物干枯而死，可通过更换套筒12，实现水生植物的快速更换；同时相邻两个板体11通过连接杆13连接一起，根据建造净化池9长度和宽度铺设板体11，灵活调节植物养殖板10的长度，且植物养殖板10搭聋在河道内，减缓水从净化池9流入河道的流速，减轻水流对河道河体的冲刷，保护河体。

结合图2及图3所示，在所述矩形框架4迎水面的两端设置有卡板23，卡板之间设置有清洁机构；该清洁机构包括：提拉杆24，数量为两根，分别垂直安装在矩形框架4迎水面的两端的卡板23上，提拉杆24可在卡板23内上下活动；连接板26，其两端分别与提拉杆24的下端连接；弧形板27，安装在所述连接板26上，弧形板27远离矩形框架4的一侧向上倾斜，且弧形板27的前端与煤矿采空区的开放口底面齐平；在弧形板27的两端设置有挡板28。采空区内的碎石颗粒物在酸性废水的冲刷下，冲刷至矩形框架4的迎水侧，倘若碎石颗粒物积累而未能得到排出，碎石颗粒物堵塞矩形框架4，导致影响酸性废水的流动，为此，通过设置清洁机构，上提拉杆24，沉积在弧形板27上的碎石颗粒物被上提取出，再将碎石颗粒物抛掷到采空区一侧，保证酸性废水的流动性。

结合图2及图3所示，在所述过滤板5的两侧设置有曝气管29，各个曝气管29的进气端共同连接至主干管30；所述主干管30延伸至可渗透反应墙外；在所述过滤板5的表面设置有毛刷，所述毛刷的刷毛延伸至所述曝气管29上。由于过滤板5长时间浸泡在酸性废水中，过滤板5表面的过滤孔将会被水中杂质封堵，通过往曝气管29内鼓入气体，将过滤孔内填塞的杂质清理掉，同时也可将沸石表面微孔内填塞的杂物清洁，使得沸石再次具有吸附净化的作用，延长其单次使用寿命；另外，过滤板5在抽出或者插入矩形框架4的过程中，过滤板5表面设置有毛刷可以将曝气管表面粘附的黏着物清理掉。

结合图6所示，在所述净化池9前端设置有固定钩31，所述植物养殖板10的前端钩在所述固定钩31上；在所述净化池9的出水侧与河道之间设置有缓流板32。植物养殖板10通过固定钩31固定在净化池9上，防止水流将植物养殖板10冲刷带走。通过设置缓流板32起到缓流作用，避免对河道造成冲刷。

结合图8所示，本发明还提供一种采空区酸性废水处理方法，采用上述采空区酸性废水处理结构，包括以下步骤：

步骤S1：铺设一级过滤结构1，先对煤矿采空区的开放口预处理，对煤矿采空区的开放口底面进行整平，将其表面残留矿渣、石头和枯枝烂叶清理掉，然后设置可渗透反应墙，同时将可渗透反应墙与煤矿采空区的开放口之间的缝隙进行填塞处理；

步骤S2：铺设二级过滤结构2，在煤矿采空区的开放口外侧开挖第一台阶，第一台阶内设置碱性过滤池6，碱性过滤池6的首端高度低于可渗透反应墙下端，碱性过滤池6的末端高度低于其首端高度；

步骤S3：铺设三级过滤结构3，在第一台阶一侧开挖第二台阶，第二台阶内设置净化池9，净化池9的首端低于碱性过滤池6的末端下部，净化池9的末端高度低于其首端高度，净化池9内铺设植物养殖板10，且将植物养殖板10的前端固定在净化池9的首端上；

步骤S4：河道河体保护，在净化池9的出水侧设置缓流板32，缓流板32设置在净化池9与河道之间连接位置处。

在雨水天气，观察煤矿采空区的开放口水流流动方向和流水，以及可渗透反应墙与开放口缝隙处封堵情况，防止水流向四周散开流动。

在3-5次雨水天气后，取出过滤板5和物料板8，观察其内部填充物料，同时通过酸碱检测仪器，检测河道水PH值。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。