正交试验优选改性粉煤灰处理矿井废水的研究

章　刚　桂和荣　吴　斌　苑志华

（1. 安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2. 宿州学院 ，安徽 宿州 234000）

摘 要：采用正交试验的 方法对影响粉煤灰处理矿井废水效果的因素条件进行优化选择，确定改性粉煤灰处理矿井废 水的最佳水平条件，为矿井废水的深度处理提供技术前提。试验结果表明，选择碱法改性灰 为吸附剂，投加量为10 g/300 mL，pH值为5，搅拌时间为0.5 h，静沉时间为2 h时，对矿井废水的处理效果最佳。在最佳试验条件下 ，对CODCr、浊度和悬浮物的去除率分别可达到76.85%、95.84%和98.35%。

关键词：改性粉煤灰；矿井废水；正交试验；吸附

Study on Mining Wastewater Treatment by Modified Fly Ash Optimized by Orthogonal Test

ZHANG Gang1,GUI He-rong2,1,WU Bin1, YUAN Zhi-hua1

(1. School of Earth Science and Environmental Engineering, Anhui Univ ersity of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China;2. Suzhou Universi ty, Suzhou Anhui 234000,China)

Abstract:Influencing factors of mining wastewater treatment by mo dified fly ash was found out with optimization by orthogonal test to determine t he best level condition and provide technical prerequisite and basis for advance d treatment of mining wastewater. The results showed that the best technical con ditions are as following: alkali modified fly ash as adsorbent with its dosage o f 10 g per 300 mL wastewater, pH value 5, time of mixing 0 .5 h, sedimentation time 2 h. Under the conditions, the re moval rate of CODCr,turbidity and suspended solids separately reached abou t 76.85%, 95.84% and 98.35%.

Key words:modified fly ash; mining wastewater; orthogonal te st; adsorption

我国目前电力工业的发展仍然是以火力发电为主，电厂规模的不断扩大，导致了粉煤灰排放 量的急剧增长［1］。2005年全国燃煤电厂和低热值电厂排放的粉煤灰高达3.3亿吨， 综合利用率为66%［2］，仍有相当一部分被弃置进入环境，其堆放占用了大量农田，

造成了大气、 土壤和地下水的污染， 电厂还要支付昂贵的灰场建设和管理费用。 多渠道 地拓展粉煤灰的应用领域， 提高其利用效率已成为影响煤炭、 电力工业可持续发展的重要 因素，因而也成为近几年国内外环保研究领域的热点之一。

粉煤灰具有较高的比表面能和较好的表面活性，粉煤灰中还含有少量沸石、活性炭等具有交 换特性的微粒，同时又富含铝和硅等元素，这样就使得粉煤灰具有很强的物理吸附和化学吸 附性能［3-7］。据统计，我国煤炭生产中，每年排出矿井废水达22亿吨，利用率仅 20%左右［8］，绝大部分矿井废水直接或经简单絮凝沉淀处理后排入4地表水体，未加 以综合利用和保护，不仅严重污染了地表水资源，而且造成了工业和生活用水短缺［9 ］。利用粉煤灰的吸附性能对煤矿矿井废水进行处理可谓“以废治废”，可以作为矿井废 水资源化和深度处理的前处理过程。由于粉煤灰的价格十分低廉，具有其他水处理剂无可比 拟的优势。

影响粉煤灰处理矿井废水效果的因素有很多［10-12］，采用正交试验的方法对这些 因素条件进行优化选择，确定改性粉煤灰处理矿井废水的最佳条件，为矿井废水的深度处理 提供技术前提。

1 材料及实验方法

1.1 材料ナ笛橛梅勖夯胰∽曰茨峡笠导团潘集第三煤矿热电厂，其物理和化学性质如表1～表2所示。

1.2.1 改性粉煤灰的制备

按照流程(见图1～图2)制备改性粉煤灰［13-17］。

实验所用到的矿井废水取自淮南矿业集团潘集第三煤矿净水厂进水口，其水质如表3所示。

取一定量改性粉煤灰与矿井废水按照一定比例混合，用废酸 液和废碱液调节废水的pH值至所需水平，在转速恒定的条件下搅拌相应的时间，静置沉淀， 取上清液测其水质。

2 实验结果及分析

2.1 正交试验因素水平表的确定ピ诘ヒ蛩厥匝榈幕础上［18］，确定影响粉煤灰处理矿井废水效果的因素有改性剂的 选择、改性灰的投加量、pH值、搅拌时间和静沉时间等。根据一系列单因素条件试验的结果 ，不考虑因素之间的交互作用，可选用正交表L12(31×24)来安排试验［19 ］(见表4)。

2.2 正交试验方案的确定ゲ握毡4将水平和因素代入正交表L12(31×24)，可以得到正交试验直观计 算表(见表5～表6)。

2.3 结果分析与讨论ジ据极差R的大小可以看出,在各因素选定的范围内,影响处理效果的各因素的主次关系依次 为：

(1) 对矿井废水CODCr的去除率 影响因素的主次顺序为：改性剂的种类＞pH值＞吸 附剂投加量＞搅拌时间＞静沉时间。最佳水平组合为：吸附剂投加量为20 g/30 0 mL，改性粉煤灰为碱法改性灰，pH值为10，搅拌时间为1 h，静 沉时间为2 h。(2)

对矿井废水浊度的去除率 影响因素的主次顺序为：吸 附剂投加量＞静沉时间＞改性剂的种类＞搅拌时间＞pH值。最佳水平组合为：吸附剂投加量 为10 g/300 mL，改性粉煤灰为碱法改性灰，pH值为5，搅拌时间为 0.5 h，静沉时间为2 h。

本试验的目的是寻求改性粉煤灰处理矿井废水的最佳试验条件，即：改性粉煤灰的投加量、 改性粉煤灰的种类、pH值、搅拌时间和静沉时间。改性粉煤灰对矿井废水的CODCr和 浊度都有较好的去除效果，经过处理的废水的CODCr和浊度值普遍较低，且远低于国 家标准采煤废水污染物排放限值。相对于CODCr而言，浊度对矿井废水资源化和综合 利用的影响和危害较大，特别是矿井废水的深度处理和回用。プ凵纤述，改性粉煤灰处理 矿井废水的最佳试验水平组合宜选用：吸附剂投加量为10 g/300 m L，改性粉煤灰为碱法改性灰，pH值为5，搅拌时间0.5 h，静沉时间为2 h。

2.4 在最佳水平组合条件下，对矿井废水的处理效果ピ谏 述最佳试验水平组合条件下，改性粉煤灰处理矿井废水的实验结果如表7所示。

3 结论

(1) 选择碱法改性粉煤灰为吸附剂， 投加量为10 g/300 mL， pH 值 为5， 搅拌时间0.5 h，静沉时间2 h为最佳改性条件对粉煤灰进行 化学改性。在此条件下，粉煤灰的吸附性能为最佳。

(2) 在最佳试验条件下，CODCr、浊度、悬浮物的去除率分别可达到76.85%、95.84% 和98.35%。出水水质优于国家标准采煤废水污染物排放限值，实现了“以废治废”的目标， 并且为后续的矿井废水深度处理提供了十分有利的前提条件。

(3) 粉煤灰价格低廉，经改性后用于处理矿井废水，效果良好，因而具有其他水处理剂无可 比拟的价格优势。

(4) 水处理后的粉煤灰污泥，经脱水干化后可作为生产水泥的原料。

参考文献：

［1］ 于晓彩，贾颂今，孙伶.正交实验法优化粉煤灰处理造纸废水实验条件初探 ［J］.沈阳化工学院学报,2004,18(2):150-153.

［2］ 中国电力企业联合会，中国煤炭加工利用协会.全国粉煤灰综合利用成果交 流会的情况报告［J］.煤,2007,(2):7-8.

［3］ 程爱华，姚改焕，路瑞.粉煤灰在水处理中的应用［J］.中国资源综合利用, 2005(7):20-22.

［4］ 张文艺，翟建平，李琴.粉煤灰吸附法处理污水机理［J］.粉煤灰综合利用, 2006(2):54-56.

［5］ 刘延湘，汤媛玲，胡德文，等.粉煤灰在废水处理中的应用［J］.江汉大学 学报：自然科学版,2002,19(4):80-83.

［6］ 吕军，王颖，冯满，等.粉煤灰在水处理领域中的应用［J］.黑龙江水专学 报,2002,31(4):90-91.

［7］ 李亚峰，孙凤海，牛晚扬，等.粉煤灰处理废水的理论与实践［J］.矿业安 全与环保,2001,28(4):30-33.

［8］ 桂和荣，胡友彪，宋晓梅.矿业城市浅层地下水资源研究［M］.北京:煤炭工 业出版社,2002：92-109.

［9］ 范维唐.发展符合我国煤炭开发利用特点的洁净煤技术［J］.煤矿环境保护, 1995,9(3):2-7.

［10］ 李亚峰，杨辉，赵红.粉煤灰处理废水的理论与实践［J］.工业用水与废水 ,1999,30(3):1-3.

［11］ RANI DEVI,R P DAHIYA.Chemical Oxygen Demand (COD) reduction in d o mestic wastewater by fly ash and brick kiln ash［J］.Water, Air, & Soil Polluti on, 2006, 174(14):33-46.

［12］ BELGIN BAYAT. Combind removal of Zinc(II)

and Cadmium (II) from Aq ueous Solutions by Adsorption onto high-calcium turkish fly ash［J］.Water, Ai r, and Soil Pollution, 2002, 136:69-92.

［13］ 王春峰，李尉卿，崔淑敏.活化粉煤灰在造纸废水处理中的综合利用［J］. 粉煤灰综合利用,2004,(2):39-40.

［14］ 吴春丽，姚广春，刘宜汉，等.粉煤灰颗粒HF酸表面改性处理［J］.有色矿 冶,2004,20(5):37-41.

［15］ 程蓓，马保国，陈银洲.粉煤灰颗粒表面吸附性能与活性研究［J］.粉煤灰 综合利用,1999,1(2):17-18.

［16］ 马阁. 改性粉煤灰及其对垃圾渗滤液吸附性研究［D］.

郑 州:郑州大学,2006.

［17］ 于衍真，尚书贤，伊爱焦.用粉煤灰处理造纸废水的研究［J］.粉煤灰综合 利用,2000(1):24-25.

［18］ ZHANG GANG, GUI HE-RONG. Stuely on the

Chemical Oxygen Demand( COD) r eduction of mining wastewater by modified fly ash［A］.In:Michael Nelles,Jingmi n Cai,ke wu,eds.2nd International Conference on Asian-European environmen tal tech nology and knowledge transfer［C］.Hefei,P.R.CHINA:ICTK,2008：238-242.

［19］ 何少华，文竹青，娄涛.试验设计与数据处理［M］.长沙:国防科技大学出 版社,2002：62-101.

(责任编辑：宋晓梅)第4期