连续制碱系统(SAPS)

SAPS概述

连续的产碱系统(SAPS)收集酸性矿井水(AMD)，将其垂直储存在一个容器结构中，并允许储存水柱的静水压力推动AMD水通过有机材料和石灰岩层。有机物质的集中层(蘑菇堆肥)复制自然化学和物理过程，发生在堆肥湿地。堆肥层下面的石灰石层增加了碱度。金属离子，包括铁，铝，锰，和其他可以从AMD水沉淀。与水平流系统相比，垂直流系统的一个优点是静压头提供了自清洗的副作用——金属沉积物不太可能阻塞排放管道，特别是如果添加了适当的设计特性。

水化学基础

金属离子和pH值。金属硫化物暴露会导致化学反应，释放游离氢（和金属离子）到从矿山或采矿废物排放的水中，降低水的pH值。当水的pH值降低并变得更酸时，排出水中的金属离子倾向于留在溶液中。采矿作业产生的含有高浓度金属离子和/或低pH值的水在未经处理的情况下排放时，会对周围环境造成严重损害。

上图中是宾夕法尼亚中部一个煤矿连续排放的产碱系统(SAPS)。水的pH值低于3.5，铁含量高于100 mg/L，铝含量约为45 mg/L。注意，在落水管附近的岩石上沉淀了三价铁。

碱度和酸度。碱度是酸性的反义词，表示水样与氢离子(比如酸性矿井水(AMD)中金属硫化物的化学反应释放出的氢离子)发生反应并中和酸性的能力。一旦水的碱度和pH值增加，废水中的金属离子可以更容易地从溶液中去除。AMD水的金属离子浓度特别高，而且pH值也比大多数典型的雨水低——未经处理的AMD水的pH值通常在3到5之间。

传统系统面临的挑战

考虑到酸性矿山排水（AMD）水在给定处理工艺中的流速、pH值和金属离子浓度，实现所需的酸度和金属离子还原可能是一项挑战。传统的碱度生产系统，如水平流缺氧石灰石排水管（ALDs）的结构类似于法国排水管。它们在处理高酸浓度和AMD水中典型的高铝和高铁水平时并不有效。ALDs的目的是增加碱度，但不是去除金属离子，所以流出堵塞是常见的。堆肥湿地是有效的，但需要较大的土地面积和较高的停留时间才能达到预期的效果。连续碱度生产系统（SAPS）结合了这两种技术，允许更大的酸度降低，更合理的处理时间和物理面积允许。

上面找到了相同的SAPS单元排水维护。所示的堆肥层将被移除和替换。堆肥下面的石灰石层将被替换。

SAPS基础设计与施工

连续的碱度生产系统（SAPS）可以建造在埋地聚乙烯罐或混凝土拱顶内，类似于化粪池、新开挖或修复的地表蓄水。大约2'-4'的石灰石被放置在安全壳结构的底部。石灰石层正上方是一层6”–12”的有机材料层，通常由废蘑菇堆肥组成（即有机介质，包括在蘑菇栽培过程中消毒的肥料和稻草等材料）。在SAPS使用期间，石灰石和堆肥层保持分离和分层：不需要过滤织物或筛网来保持这些层的位置。在处理过程中，通常在堆肥层上方保持3'-4'层的酸性矿井排水（AMD）水。

堆肥层的目的是准备一个由堆肥材料的高生化需氧量（BOD）产生的缺氧环境，并过滤一些沉淀物（例如，硫化铁），当酸性矿山排水（AMD）水过渡到堆肥的厌氧区时，这些沉淀物将附着在堆肥材料上。下面的石灰岩层增加了碱度并提高了pH值——上面堆肥产生的厌氧环境有助于石灰岩溶解时产生碳酸盐碱度。为了有效地处理AMD水，提高水的pH值，并在接触氧气时从废水中沉淀出目标金属离子，这些物理和化学过程是连续的。

上图为东海岸的一家电力公司找到了一个SAPS装置。这个池塘接收初始pH值在3.5到4之间的地下水，从废弃的飞灰填埋场以每分钟110加仑的速度泵送。

穿孔的PVC管道和冲洗阀被安装在整个壳结构不同区域来绘制关闭（或旁路，当需要时）处理过的水在从SAPS期望点。管线配置构造以允许可预见的重力流率，并从SAPS。

每种SAPS最多可处理约300毫克/升的酸度。如有必要，SAPS水箱或密封结构可串联布置，以处理具有较高酸度的AMD水。例如，总酸度为1000 mg/l的AMD水可以用三到四个串联的SAPS容器进行处理。

除了中心关键部件（含堆肥层和石灰石层的SAPS控制装置）外，根据AMD水流量和特定地点的化学成分，还建议使用管道、沉淀池和曝气溢洪道。

SAPS操作细节

酸性矿井水(AMD)作为点源排放在大多数情况下被拦截。在偶然的情况下，AMD水出现渗透整个更广泛的地区像一个山坡，沟可以建立在山脚收集AMD水，然后提供给连续的碱性生产系统(SAPS)单位。在SAPS设计之前需要对AMD水进行分析，但是由于基本的水化学特性，出现了许多一致性。

铝移除。铝在pH值约为5.0（或更高）时会从水中沉淀出来。因此，SAPS设计的一部分设想处理高铝含量将是冲洗AMD水从SAPS。

在这一阶段，从专门设计用于处理铝污染的SAPS中冲洗出来的废水将被转移到沉淀池中。惰性元素铝将作为一层沉积物沉积在池塘底部。未来SAPS的一个潜在好处是从沉淀池中回收铝；由于规模经济，这种回收尚未实现市场化，但研究仍在继续。

上图为宾夕法尼亚州雪鞋附近正在建造的SAPS单元。该装置设计用于处理每分钟70加仑的流量。PVC地下排水系统有一个石灰石床，将覆盖另一个3'的石灰石（在背景中可见）。蘑菇堆肥将放置在石灰石层的顶部。

铁去除。在低pH（或“还原性环境”）的厌氧环境中，铁（Fe）将倾向于以亚铁（Fe+2）的形式留在溶液中，例如地下水流中，或当酸性矿山排水（AMD）水在连续的碱度生产系统（SAPS）控制范围内通过堆肥层过渡时。当AMD水暴露在环境空气中时，溶液中的亚铁会氧化并转化为更稳定、不溶于水的铁（Fe+3）形式。SAPS设计可包括一个抛石溢洪道，用于处理SAPS容器下游的污水。这一步氧化AMD水并从中沉淀铁，用典型的锈色染色乱石。

其他金属移除。锰的行为与铁相似。它倾向于在没有氧气和低pH值的水中保持在溶液中。因此，连续碱度生产系统（SAPS）工艺在去除水中的锰（在去除铁和铝之后，)在美国西部，一些SAPS也被用来处理含有各种金属污染物的酸性矿山废水。

根据现场业主的要求或监管机构的要求，SAPS进水和污水的化学和pH特性通常要进行实验室测试。建议根据现场条件和流速，每隔几个月对堆肥和石灰石层、管道和阀门进行一次定期检查和维护。SAPS可以在堆肥和石灰石层的最小补给下运行多年，实现低运营成本。相比之下，许多传统AMD水处理工艺需要更昂贵的化学溶液，包括氢氧化钠、碳酸钠或熟石灰。

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Eric McCleary是一位生物学家和水处理专家格林霍恩和奥马拉。他开发了SAPS，目前正致力于实施SAPS，以处理来自美国西部天然气井和金属矿山的压裂水，以及与煤矿和其他矿山相关的水。