含悬浮物矿井水微絮凝-多级过滤工艺研究.pdf
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1、DOI:10.16030/ki.issn.1000-3665.202208080张溪彧,董书宁,王锐,等.含悬浮物矿井水微絮凝-多级过滤工艺研究 J.水文地质工程地质,2023,50(5):222-230.ZHANG Xiyu,DONG Shuning,WANG Rui,et al.A study of the microflocculation-multistage filtration technology of mine watercontaining suspended solidsJ.Hydrogeology&Engineering Geology,2023,50(5):222-23
2、0.含悬浮物矿井水微絮凝-多级过滤工艺研究张溪彧1,2,董书宁1,王锐3,王淑璇1,金鹏康2(1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西 西安710054;2.西安交通大学能源与动力工程学院,陕西 西安710049;3.陕西陕煤曹家滩矿业有限公司,陕西 榆林719000)SO24HCO3摘要:针对含悬浮物矿井水处理过程中固液分离困难的问题,基于核晶凝聚诱导造粒理论,通过室内试验的研究方法,开展矿井水微絮凝-多级过滤工艺研究。首先,通过药剂投加与水利条件调节,诱导悬浮颗粒与絮凝剂形成共聚物,形成絮体沉降时间曲线,通过最优参数选取完成絮体造粒致密化;其次,选择石英砂、人造沸石、活性炭、风积沙 4
3、 种过滤介质,考察不同介质类型及粒径对污染组分脱除效率的影响,分析固-液界面产生的物理作用及化学反应;最终,选取典型矿井开展现场试验,验证该工艺对于不同污染组分的脱除效果。结果表明:(1)在微絮凝阶段采用 200 mg/L 的 聚合氯化铝及 200 mg/L的硅藻土联合投加的方式可以大幅度降低沉降时间;(2)在多级过滤阶段 12 mm 石英砂对于浊度去除率可达 97.9%,而 4种过滤介质中人造沸石对于无机离子脱除效果最优,对于、Na+去除率分别达到 25.5%、44.1%、69.9%。通过研究成果形成的微絮凝-多级过滤工艺可以大幅度降低矿井水处理过程中的停留时间,提高固液分离效率,在此基础上
4、选用天然硅藻土作为成核剂替代聚丙烯酰胺还能有效抑制丙烯酰胺单体的生成,可降低环境风险。该工艺对于含悬浮物矿井水处理具有良好推广应用价值。关键词:矿井水;微絮凝;多级过滤;核晶凝聚;过滤介质中图分类号:P641.5 文献标志码:A 文章编号:1000-3665(2023)05-0222-09A study of the microflocculation-multistage filtration technology ofmine water containing suspended solidsZHANG Xiyu1,2,DONG Shuning1,WANG Rui3,WANG Shuxua
5、n1,JIN Pengkang2(1.Xian Research Institute,CCTEG,Xian,Shaanxi710054,China;2.School of Energy and PowerEngineering,Xian Jiaotong University,Xian,Shaanxi710049,China;3.Shaanxi Coal CaojiatanMining Co.Ltd.,Yulin,Shaanxi719000,China)Abstract:In order to solve the problem of difficult solid-liquid separa
6、tion in the treatment of mine watercontaining suspended solids,based on the theory of nuclear crystal coagulation induced granulation,the process of“micro flocculation multi stage filtration”of mine water is studied through laboratory experiments.First of all,through the adjustment of reagent dosage
7、 and water conservancy conditions,the suspended particles andflocculants are induced to form a copolymer to form a floc settling time curve,and the floc granulation anddensification are completed through the selection of optimal parameters.Secondly,four filter media of quartzsand,artificial zeolite,
8、active carbon and aeolian sand are selected to investigate the effects of different media 收稿日期:2022-08-30;修订日期:2022-09-30投稿网址:基金项目:中国煤炭科工集团科技创新创业资金专项项目(2022-2-TD-ZD005)第一作者:张溪彧(1993-),男,博士研究生,助理研究员,主要从事矿井水资源化相关研究。E-mail: Vol.50 No.5水文地质工程地质第 50 卷 第 5 期Sept.,2023HYDROGEOLOGY&ENGINEERING GEOLOGY2023 年
9、 9 月SO24HCO3types and particle sizes on the removal efficiency of pollutants,and the physical and chemical reactions generatedat the solid-liquid interface are analyzed.Finally,field tests are carried out in typical mines to verify the removaleffect of the process on different pollution components.T
10、he results show that(1)the sedimentation time can begreatly reduced by adding polyaluminum chloride of 200 mg/L and diatomite of 200 mg/L in the microflocculation stage.(2)The turbidity removal rate of 12 mm quartz sand in the multi-stage filtration stage canreach 97.9%,while the artificial zeolite
11、in the four filter media is the best for the removal of inorganic ions.Theremoval rates of,and Na+in the filtered water can reach 25.5%,44.1%and 69.9%,respectively.Themicro flocculation multi-stage filtration process formed through the research results can greatly reduce theresidence time in the pro
12、cess of mine water treatment and improve the solid-liquid separation efficiency.On thisbasis,the selection of natural diatomite as nucleating agent instead of polyacrylamide can effectively inhibit thegeneration of acrylamide monomer and reduce environmental risks.In addition,the process has a certa
13、in removaleffect on inorganic ions.It is good application value for the treatment of mine water containing suspended solids.Keywords:mine water;micro flocculation;multistage filtering;nuclear crystal coagulation;filter medium 近年来,我国煤矿企业矿井水资源利用率逐年提升,但是距离有关部门的要求仍有一定差距,而制约矿井水利用的重要因素就是水污染引发的环境风险。为了推进陇东、
14、宁东、蒙西、陕北、晋西等能源基地的煤炭矿井水综合利用,必须开展矿井水主要污染组分高效脱除技术研究1 2。悬浮物超标是矿井水处理面临最为广泛的问题,多通过构建地面水处理设施进行去除。但由于矿井水悬浮物粒径较小,在絮凝后需较长停留时间完成沉降,当来水水质出现波动,无法精确调控絮凝剂投加量,水中团聚的絮体受剪切力影响再次发生脱稳而分散于水体中,造成出水水质不达标3。絮凝法是含悬浮物处理的必要手段,可分为 3 个阶段,即混合阶段、絮体生长阶段和稳定(或破碎)阶段4。常规絮凝法多通过投加絮凝剂的方式降低水中悬浮颗粒表面电位,从而致使微粒团聚沉降,达到固液分离的目的,但是需要较长的停留时间完成絮体沉降,当
15、来水水质出现波动,往往与设计停留时间存在较大偏差,给整个水处理系统造成一定影响。“微絮凝”是指在含有细小悬浮颗粒的矿井水中,通过投加絮凝剂形成多个微小的聚集基团,并结合接触过滤或直接过滤,完成水体污染物的脱除,具有停留时间短,工艺简单的优势,而区分“絮凝”与“微絮凝”的实质就是通过调节药剂种类与投加量缩短沉降时间,迅速降低水体浊度5。微絮凝作为一个重要的阶段在污水处理过程中起着重要的作用,Colomer 等6研究表明控制微絮凝阶段时间可以使微絮凝体体积更大、结构更紧凑;Wang 等7通过试验的手段研究了微絮凝阶段絮体成长模型,结果表明通过控制剪切力可以显著影响絮体分形维度,在改变絮凝剂和助凝剂
16、的投加比例的基础上可以有效控制絮体密度,进而提升固液分离效果;张雷等8发现了絮凝剂的种类和投加量对于絮体生长起关键性作用,但目前在微絮凝过程中对于胶体稳定性控制欠佳,因此亟需开发低耗时的絮凝剂,目前常用聚丙烯酰胺(PAM)作为助凝剂,可以有效缩短沉降时间,但是其水解产生的丙烯酰胺(AM)单体为一级致癌物,对人体具有较大危害。硅藻土是一种硅质岩石,其自身天然无毒,已广泛地应用于印染、造纸等工业废水处理领域9,作为成核剂一方面可以密实絮凝体,改善絮凝体形状,另一方面使用硅藻土替代PAM,可以有效降低 AM 产生的环境风险。SiO44AlO54此外,微絮凝后的接触过滤更是固液分离关键的一步10,吴正
17、淮等11研究了过滤介质粒径影响下的脱除效率,发现了粒径越低、孔隙度越高、过滤效果越好,但是会引发介质堵塞而影响过滤效果;李伟光等12发现了“微絮凝-强化过滤”工艺中滤料的种类和粒径对于污染组分的脱除效率影响较大,但目前该工艺较少用于矿井水处理,开发适宜于矿井水处理的工艺至关重要。石英砂是当前国内水厂过滤常用的滤料之一,它具有成本低、取材容易、机械强度高、化学性能稳定、截污能力强、效益高、使用周期长等优点13。沸石是一种天然的包含碱金属和碱土金属的水合硅铝酸盐矿石,其储量大、价格便宜,是重要的非金属矿产资源。经测定,沸石的比表面积可达 10 m2/g,从而决定其具有优异的吸附性能14。天然沸石的
18、形式为由和四面体组成的三维晶体网络,每个四边形的角均与 4 个氧原子共享相邻的四元晶体。四面体结构的 Al3+取代 Si4+后会使一个氧原子得不到电子2023 年张溪彧,等:含悬浮物矿井水微絮凝-多级过滤工艺研究 223 而产生负电荷,为了保持电中性,会吸引带正电的碱金属阳离子,而这些金属阳离子(Ca2+、Mg2+、K+、Na+等)与硅铝骨架结合力较弱,易与水中的阳离子发生离子交换而不破坏沸石结构15。沸石的吸附、离子交换性能可实现对污染物的去除,因此常将沸石作为滤池的填料。活性炭是碳的同素异形体,较大比表面积赋予它出色的吸附能力16。风积沙是在风力驱动的作用下,由于搬运、沉积作用而积淀的沙层
19、,广泛分布在我国西部鄂尔多斯盆地矿区,有研究表明风积沙可以作为良好的过滤介质滤除水中部分污染物,具有成本低廉的优势17。基于此,本研究在分析环境因素的前提下,系统剖析了微絮凝-多级过滤工艺的适用性,在此基础上开展试验研究,通过调整混凝药剂投加及水力条件改善微絮凝阶段絮体生长环境,对比不同滤料的种类和粒径对过滤端污染物脱除效率,最终形成适宜于含悬浮物矿井水处理的工艺路线,完善了矿井水处理基础理论,可为含悬浮物矿井水处理提供技术指导。1 试验材料和方法 1.1 试验材料聚合氯化铝(PAC)、硅藻土、石英砂、沸石、活性炭等购于福晨(天津)化学试剂有限公司;矿井水取自我国西部陕北煤炭基地某大型井工煤矿
20、中央水仓;风积沙取自我国西部陕北煤炭基地某大型井工煤矿工业广场。1.2 试验方法搭建矿井水微絮凝-多级过滤试验装置(图 1),分别包括原水、微絮凝系统、多级过滤系统、储水槽。其中原水和储水槽为 PVC 塑料桶。微絮凝系统主体是 1 个 5 L 的有机玻璃圆柱筒,上部开设有圆形槽口,用于放置搅拌叶片,并于顶部设置溢流堰。多级过滤系统是由 3 根内径为 10 cm、高 30 cm 的有机玻璃柱和储水槽、流量泵、进出水管路等组成,有机玻璃柱分别填充粒径为 12 mm、24 mm、48 mm 的石英砂、沸石以及风积沙、活性炭的滤料装柱,填充高度为 8 cm。过滤试验操作步骤如下:(1)考虑取样难度及反
21、应容器容量,单次试验矿井原水量设定为 2 L,泵送进入微絮凝系统,向系统中单独投加 PAC,分别投加不同质量 PAC,控制投加 PAC 质量浓度为 100,200,300,400,500,600 mg/L,记录随着混凝剂质量浓度增加的沉降时间;(2)进而采用 PAC 和硅藻土联合投加。投加 PAC 质量为 200 mg,同时联合投加不同质量硅藻土,控制硅藻土质量浓度为 100,200,300,400,500,600 mg/L,研究投加不同质量浓度药剂对于沉降时间的影响,并通过调整叶片搅拌速率创造高剪切力完成固液两相充分混合;(3)最终经过微絮凝系统的水从1 号过滤柱经进水管通过重力自流自上而下
22、流过过滤柱,流量的大小由流量泵控制为 2 L/min,过滤后的水经排水管至 2 号过滤柱,2 号过滤柱流量控制为 1 L/min,出水排至 3 号过滤柱,3 号过滤柱流量控制为 0.5 L/min,过滤参数见表 1,记录每次试验用水的过滤时间并对过滤后水样进行分析,分析方法及指标见表 2。表 1 试验运行参数Table 1 Experimental operation of filter speed parameters 过滤柱滤速/(mh1)滤柱直径/m截面积/m2流量/(Lmin1)1号过滤柱40.10.0322号过滤柱20.10.0313号过滤柱10.10.030.5 表 2 分析测试方
23、法Table 2 Analytical test methods 指标主要仪器或测定方法参照标准浊度HACH2100P型浊度仪生活饮用水卫生标准(GB 57492022)18Cl质量浓度硝酸银容量法SO24质量浓度硫酸钡比浊法Na+质量浓度 火焰原子吸收分光光度法HCO3质量浓度酸碱滴定法地下水质分析方法(DZ/T00642021)19溶解性总固体(TDS)重量法 2 测试结果 2.1 原水物化指标相较于其他工业废水污染物,矿井水指标相对单一,主要为浊度及部分无机离子,其中浊度超标较为严重,原因主要是由于在井下巷道流动过程中卷扫了 储水槽微絮凝多级过滤絮体原水1号过滤柱2号过滤柱3号过滤柱图
24、1 微絮凝-多级过滤试验装置流程图Fig.1 Flow chart of microflocculation-multistage filtrationexperimental device 224 水文地质工程地质第 5 期部分岩屑、煤粉等,而无机离子多来源于地下水,因此选择它们进行重点分析。矿井水水质指标测试结果见表 3。表 3 某矿井原水水质指标Table 3 Quality index of raw water of a mine 指标浊度/NTU质量浓度/(mgL1)TDS/(mgL1)ClSO24Na+HCO3结果93.612871310546835 2.2 沉降时间随着絮体质量的
25、增加,沉降时间逐渐降低,当 PAC投加量为 500 mg/L 时,沉降时间达到了最低的 199 s,伴随着投加量的继续增加,水中团聚的絮体由于再稳作用发生破碎,致使沉降时间增加至 249 s;而当 PAC与硅藻土联合投加,硅藻土投加量为 200 mg/L 时可以大幅缩短沉降时间至 42 s,伴随着硅藻土质量浓度的继续增加沉降效果改善不够明显,当硅藻土质量浓度大于 300 mg/L 时,沉降时间逐渐延长(图 2)。10020030040050060050100150200沉降时间/s质量浓度/(mgL1)250300 PAC PAC+硅藻土 图 2 单一投加 PAC 与联合硅藻土沉降时间比较Fi
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- 悬浮物 矿井 絮凝 多级 过滤 工艺 研究
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