高矿化度矿井水复用技术的实验研究

邱瑞芳, 程芳琴

(1.山西大学环境与资源学院,山西 太原 030006; 2.山西大学资源与环境工程研究所,山西 太原 030006)

0 引 言

我国是一个水资源缺乏的国家.就煤炭行业而言,全国70%矿区及相邻地区用水短缺.山西作为我国的煤炭生产基地，含煤面积达5.7 万km2,占全省总面积的37.5%,探明储量、产煤量、外调量均居全国之首.与此同时,山西省平均排放矿井水0.87 m3/t,年矿井水排放量约2.25 亿m3,占全省工业总取用水量的18%以上.如此大量的矿井水,不仅对矿区地表水、地下水污染严重,使农耕环境退化,生态自然平衡受到严重破坏，而且减少了水资源的可利用量,进一步加剧了山西省水资源严重紧缺的程度.对山西而言,如能有效重复利用矿井水，使之成为生产、生活用水,不仅是实现煤炭行业持续、稳定、协调发展的重要保障，也对缓解山西省缺水之痛，促进全省经济和社会健康发展具有积极意义.本文对矿井水的处理与回用问题进行了实验研究[1].

1 矿井水特点及处理方法

1.1 水质分析

实验用水取自于山西某煤矿，矿井水在水下井仓中有一定的沉淀作用[2](一般要在井下水仓停留4～8 h) ,较大颗粒的煤粒、岩粒等产生沉淀得以去除,剩下的主要是粒径细小的煤粉、岩粉，经分析得出原水水质如表1所示.

表1 矿井水水质指标

从表1可以看出,此矿井水色度和浊度高,总硬度、硫酸盐含量等均不同程度的超标,矿化度较高，需进行有效处理.

1.2 净化处理方法

针对矿井水特征，采用复用技术，即混凝-电渗析联合处理的方法,通过混凝去除原水的色度和浊度，对于高矿化度则采用电渗析法去除.

2 实验研究

2.1 实验流程

(1)混凝剂及其投加量的选择实验.在同等实验条件下，改变混凝剂及其投加量，得到各混凝剂的投放量与浊度去除率的变化曲线，进而确定出最佳混凝剂及混凝剂的最佳投量.

(2)膜的预处理及电渗析器的安装.用蒸馏水和原水分别浸泡阴、阳膜24 h，安装电渗析器，采用普通电极、短流程、水平固紧型.

(3)改变电压、电流，得出电压-电流密度曲线，确定本实验的极限电流、极限电流密度.

(4)在极限电流密度下，改变电压，得到电压对各离子去除率的变化曲线，考察电压对脱盐效果的影响.

(5)在极限电流密度下，进行等电压实验，得到电流密度对各离子去除率的变化曲线，考察电流密度对脱盐效果的影响.

(6)综合分析电压、电流密度对脱盐能耗的影响，确定最佳反应条件，重复实验进行论证.

2.2 混凝实验研究

本试验选用了5种混凝剂[3]：氯化铝、硫酸铁、聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铝铁(PAFC)、聚丙烯酰胺(PAM).在实验中通过改变混凝剂种类以及投放量，得到各混凝剂的投放量与浊度去除率的变化曲线，进而确定出最佳混凝剂及混凝剂的最佳投量.

通过混凝实验研究，得到各种不同混凝剂对浊度的去除率曲线分别如图1、图2所示.

图1 浊度的去除率随混凝剂浓度的变化曲线 图2 浊度的去除率随PAM浓度的变化曲线

由图1可看出，在所选的4种絮凝剂中，PAFC和PAC对浊度的去除效果较好.这是因为硫酸铁和氯化铝分别属于铁盐和铝盐的单体，主要靠压缩水中胶体颗粒的双电层及中和胶体电荷来使胶体颗粒脱稳、凝聚;PAFC和PAC都是无机高分子混凝剂，在水溶液中能形成多核羟基配合物,具有更多的电荷和更大的表面积,主要靠吸附架桥作用和网捕作用使松散的絮体变得粗大而密实，从而易于沉淀，其絮凝性能也就更好[4,5].聚合氯化铝(PAC)(分子式为[Al2(OH)nCl6-n]m)能形成Al3+、[Al(OH)2]+、Al(OH)3、[Al2(OH)4]2+、[Al2(OH)]5+、[Al3(OH)4]5+、[Al4(OH)8]4+、[Al6(OH)14]4+、[Al6(OH)15]3+、[Al7(OH)17]4+、[Al8(OH)20]4+、[Al13(OH)34]5+、[A118(OH)49]5+等聚合形态，在水溶液中能形成多核羟基配合物，具有更多的电荷和更大的表面积，比较容易接近和吸附带有疏水性基团的煤粒子，使之吸附在表面，由此絮凝性能也就更好[6,7].聚合氯化铝铁(PAFC)是一种复合混凝剂，它既具有铝盐絮凝剂矾花降浊效果好的优良性能,又具有铁盐絮凝剂絮凝体沉降快、易于分离、低温低浊处理性好且设备管路腐蚀小等优点，具有明显的协同增效作用[8].PAFC有较高的相对分子质量，有高度水解-聚合、接近沉淀态而不沉淀的羟基聚离子，具有的铝铁异核金属离子交错排列的稳定长链，长链同时包裹、吸附许多溶胶粒子，即桥长、单元多、絮凝体大而稳定，在架桥的同时发生了卷扫絮凝作用，对胶粒起到了良好的吸附架桥作用；另一方面，PAFC投入水中后水解生成多核聚合羟基络离子，它们具有较多的正电荷和较大的表面积，能迅速吸附水中带负电荷的胶体微粒及其它悬浮物，发生电中和作用导致胶体颗粒脱稳而聚沉[9].

絮凝剂的投加量≤ 4 mg/L时，随着药剂投加量的增加，浊度的去除率变化很大，混凝剂浓度每增加2 mg/L，浊度的去除率增加3%～13%.当PAC、PAFC和硫酸铁的浓度为4 mg/L时，浊度的去除率分别为97.7%，97.39%，96.71%，随着投加量的继续增加，开始浊度去除率略有增加(< 1%),以后随着药剂投加量的增加浊度的去除率呈下降的趋势.一般情况下，混凝效果随着混凝剂用量的增大而增大.但是，当混凝剂的投量达到一定值时会出现一个峰值.峰值前由于混凝剂的投量不足，混凝作用不彻底；超过混凝剂的最佳用量又会使离子电位变成负值，使所形成的絮凝体重新变成稳定的胶体，混凝效果反而下降[10]，而且混凝剂的过量投加会使矾花粒度异常长大，但不密实，不易沉淀，混凝效果不好.此外，铝盐混凝剂过量投加会导致残留铝的环境效应，铁盐混凝剂容易造成腐蚀，所以投加大量混凝剂性价比会很低,药剂并不能发挥很好的作用和价值.实验结果表明，PAFC和PAC在矿井水中的最佳浓度为4 mg/L.

由图2可知，PAM浓度为0.8 mg/L时，浊度的去除率为96.47%，随着絮凝剂投加量的继续增加，浊度去除率的变化趋势同PAC.虽然PAM的投加量较小，但价格较高，而且其单体有神经毒性和“三致”效应(致畸,致癌,致突变),因此PAM的应用受到很大的限制.

同时，PAC、PAFC、Fe2(SO4)3、聚丙烯酰胺(PAM)的吨价比是1∶1.24∶1.80∶8.44.由此可知，对于相同量的同一矿井水，混凝剂的最佳投放量的价格比是1∶1.24∶1.8∶1.7,所以对于本实验矿井水，聚合氯化铝的混凝效果好且经济实惠，是矿井水处理的优良的混凝剂.

表2 矿井水经混凝后水质指标

将原水通过混凝工艺后后，出水水质如表2所示.

2.3 电渗析实验研究

2.3.1 极限电流的确定

将预处理后的矿井水进行电渗析除盐实验.由图3可看出，开始时随着电压的上升,电流密度也显著上升.当电压达到一定值后,电流密度上升速度减缓,所施加的电压已不再起太大的作用，在7.78～12.29 mA/cm2之间为极化过渡区，得出极限电流密度为12.29 mA/cm2.当电流密度超过此值时将发生浓差极化及膜结垢现象[11]，因此操作电流密度必须控制在极限电流密度以下.

图3 电压-电流密度曲线

2.3.2 电压对脱盐效果的影响

脱盐率的高低受众多因素影响[12],如电渗析器本体膜对数、操作电压、进水流量、原水含盐量等.对于一台已知的电渗析器,当原水含盐量和进水流量确定的条件下,脱盐率随操作电压升高而增加，但脱盐率随电压升高而增大主要表现在操作电压为零到极限电压之间.当电压增大到一定程度后,脱盐率随电压的增加几乎没有变化,主要原因是在操作电压由零增加到极限电压这一区间,电渗析器淡水室中的大部分离子在电流作用下向其两侧浓水室渗透而去除.当操作电压超过极限电压后,由于淡水室水中的大部分离子已被去除,所增加的电压主要用于水的电离,电离产物产生的OH-透过膜进入浓水室并与水中Ca2+和Mg2+产生沉淀附于膜面,使膜电阻增加,此时再增加电压,脱盐率几乎没有增加,主要用于克服膜电阻.

图4 操作电压对Ca2+去除率的影响 图5 操作电压对Mg2+去除率的影响

图6 操作电压对去除率的影响 图7 电流密度对脱盐率的影响

2.3.3 电流密度对脱盐效果的影响

在不超过极限电流密度的基础上，为了比较不同操作条件下的脱盐效果,进行不同电流密度下的脱盐实验.

表3 水质标准

2.3.4 重复实验

实验出水旨在回用于工业用水、生活杂用水，所以只需满足其使用标准(见表3)，无需去除率达到实验中的最大化，同时也减少了能耗，节约了成本.

表4 出水水质指标

根据以上实验分析，选择端电压在10 V左右，电流密度在7.86 mA/cm2以下进行重复实验.当Ca2+含量到达200 mg/L以下时作为实验终点.处理出水水质见表4，完全满足回用标准.

3 结 论

(1)本实验根据所取矿井水的水质特点对比了5种混凝剂的混凝效果：聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铝铁(PAFC)、无水氯化铝(AlCl3)、硫酸铁(Fe2(SO4)3)、聚丙烯酰胺(PAM).实验结果表明，聚合氯化铝的混凝效果最好，且吨水处理成本最低，最佳投量为4 mg/L，浊度的去除率达到了96.71%.

(2)通过电渗析实验得出电压-电流密度曲线，找出本体系的极限电流密度为12.29 mA/cm2，工艺操作必须控制在极限电流密度下.

(3)在极限电流密度下进行恒压电渗析操作,通过综合考虑脱盐去除率和能耗的因素，确定本体系的最佳操作电压为10 V，此时脱盐效果好、能耗较低.

(4)恒电流电渗析脱盐,电流密度高,脱盐速度快,脱盐率高；但是高电流密度时,脱盐能耗增加,即生产成本增高. 因此,实际操作应在电流密度7.86 mA/cm2下进行.

(5)用混凝-电渗析工艺处理矿井水,出水完全符合工业水回用和生活杂用水水质要求，且能耗低.

参考文献

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