混凝-电渗析法联合处理高矿化度矿井水的研究

崔 莉,邱瑞芳,吴锦涛,程芳琴,王 菁

(山西大学资源与环境工程研究所,山西太原 030006)

混凝-电渗析法联合处理高矿化度矿井水的研究

崔 莉,邱瑞芳,吴锦涛,程芳琴＊,王 菁

(山西大学资源与环境工程研究所,山西太原 030006)

采用混凝和电渗析相结合的方法对山西西山某矿的矿井水进行处理,混凝法主要去除矿井水的浊度和悬浮物质,电渗析法对混凝处理后的矿井水进行脱盐处理.选择了氯化铝、硫酸铁、聚合氯化铝 (PAC)、聚合氯化铝铁(PAFC)、聚丙烯酰胺(PAM)等混凝剂进行混凝处理,然后在不同电压条件下用电渗析法去除矿井水中的硬度和硫酸根离子.结果表明:PAC的混凝效果最好,且吨水处理成本最低;PAC的最佳投量为 4m g/L,浊度的去除率达到了97.71%;电压为 10 V、反应时间为 100m in左右时,总的离子去除率可以达到 90%以上.经混凝和电渗析法联合处理后矿井水满足饮用水质的要求.

矿井水;混凝法;电渗析;离子去除率

0 引言

我国是一个水资源缺乏的国家,全国 70%煤矿开采及相邻地区用水短缺.山西省年矿井水排放量约2.25亿 m3,占全省工业用水量的 18%以上.根据矿井水的水质特点,可将其分为:洁净矿井水,含悬浮物矿井水,高矿化度矿井水等[1,2].采煤过程中所产生的矿井水中一般含有较多的煤粒、岩粉,SO42-含量偏高 ,硬度偏大,属于高矿化度的矿井水,主要采用混凝沉淀、离子交换法、蒸馏法、电渗析法、反渗透法等方法处理[3-7].常用的无机低分子混凝剂有硫酸铝、氯化铝、硫酸铁、硫酸亚铁、氯化铁等;无机高分子混凝剂有聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合氯化铝铁等;有机高分子混凝剂聚丙烯酰胺等.混凝沉淀的方法可以有效去除矿井水中的悬浮物,但对矿化度的降低效果不佳;离子交换法成本低,但操作复杂;电渗析、反渗透等方法可以有效降低矿化度,但处理成本高.本文以山西西山某矿井水为例,采用混凝电渗析的方法联合处理矿井水,以期处理后的矿井水达到饮用水的水质要求.

1 水质分析及试验设计

1.1 水质分析

根据《水与废水标准检验方法》,对西山某矿矿井水取样化验 (结果见表 1).

表 1 矿井水水质分析结果Tab le 1 W a ter qua lity ofm ine wa ter

由表 1原水的水质可以看出,矿井水在浊度、悬浮物、矿化度、硬度、硫酸根离子等多项指标都高于饮用水质标准.

矿井水浊度较高主要是因为水中固体悬浮物较多,这些固体悬浮物多为细小的煤粒和尘粒,呈胶体态悬浮于水中,导致水中产生浊度.硫酸根含量高是造成水中永久性硬度高和水质矿化度高的主要原因;水中溶解的硫酸盐对井下水泥中游离石灰产生硫酸盐化作用:Ca(OH)2+Na2SO4+2H2O→CaSO4·2H2O+2NaOH,侵蚀混凝土;水体中 SO42-在缺氧状态时,硫酸盐还原菌发生反硫化作用,产物 H2S对排水管道产生腐蚀[8].因此,选择浊度、悬浮物、硫酸根、硬度、矿化度为主要研究对象.

1.2 仪器及试剂

1.2.1 仪器

搅拌器 (ZR4-6型,深圳中润仪器厂)、光电浊度仪 (2100N型,美国 HACH)、pH测试仪 (sevenmulti,MET-TLER TOLEDO)、电子天平 (BS214D,Sartorius)、电渗析器装置 (HJ-1型,武汉恒晋环保科技有限公司)、智能箱式电阻炉 (SGM 28,洛阳西格玛仪器制造有限公司)

1.2.2 试剂

1 g/L结晶氯化铝 (A lCl3·6H2O):取 0.50 g分析纯的 A lC l3·6H2O溶于蒸馏水中,溶解后定容至 500 mL的容量瓶中;1 g/L硫酸铁 (Fe2(SO4)3):取 0.50 g分析纯的 Fe2(SO4)3溶于蒸馏水中,溶解后定容至 500 mL的容量瓶中;1 g/L聚合氯化铝 (PAC):取 0.50 g固体 PAC(符合 GB15892-2003)溶于蒸馏水中,溶解后定容至 500mL的容量瓶中;1 g/L聚合氯化铝铁 (PAFC):取 0.50 g固体 PAFC(符合 GB/T22627-2008)溶于蒸馏水中,溶解后定容至 500mL的容量瓶中;0.1 g/L聚为烯酰胺 (PAM):取 0.05 g PAM(符合 GB 17514-2008)溶于蒸馏水中,溶解后定容至 500mL的容量瓶中;0.02mo l/L乙二胺四乙酸二钠盐 (EDTA):称取 4 g分析纯 EDTA溶于少量蒸馏水中,溶解后定容至 500mL的容量瓶中,采用基准碳酸钙试剂标定;此溶液用于矿井水硬度的测定;10%氯化钡:称取 10 g分析纯氯化钡固体溶于 90mL的蒸馏水中,保存备用;此溶液用于矿井水中 SO42-的测定.

1.3 混凝剂及其投加量的选择

选用 5种混凝剂:A lC l3·6H2O、Fe2(SO4)3、PAC、PAFC、PAM.具体实验过程如下:

分别取 500mL原水置于 6只 1 000mL烧杯中,将装有水样的烧杯置于混凝搅拌器上;

向烧杯中分别加入 1mL、2mL、4mL、6mL、8mL、10mL、12mL的混凝剂,同时进行搅拌,快速搅拌 (300 r/m in)0.5m in,慢速搅拌 (70 r/m in)30m in;

搅拌完成后,静置沉降,取上清液,分别测其浊度.

在试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.

1.4 电渗析法处理矿井水

对 1.3混凝处理后的矿井水进行电渗析实验.实验方法如下:

把经混凝处理过的矿井水用 0.45μm的膜过滤,过滤后的矿井水备用;

固定电压分别为 5 V,8 V,10 V,12 V,14 V,16 V进行矿井水的电渗析实验,每隔一定时间检测钙、镁离子的含量 (EDTA容量法)和硫酸根离子的含量 (硫酸钡重量法),跟踪电流的变化;

观察时间、电流和钙、镁离子、硫酸根离子去除率的关系;根据能耗,确定离子去除的最适电压和时间,同时使能耗达到最低.

2 结果及分析

2.1 混凝实验结果

通过 1.3设计的混凝实验,各种不同混凝剂对浊度的去除率如图 1、图 2所示 (P593).图 1为 4种无机混凝剂的投加量对浊度的去除率曲线;图 2为有机混凝剂 PAM投加量对浊度的去除率曲线.

图 1 浊度的去除率随混凝剂投加量的变化曲线Fig.1 Effect of amount of different flocculations on turbidity removal rate

图 2 浊度的去除率随 PAM浓度的变化趋势Fig.2 Effect of amount of PAM on turbidity removal rate

由图 1可以看出,在所选的 4种无机混凝剂中,PAFC和 PAC的对浊度的去除效果优于 Fe2(SO4)3和A lC l3.这是因为 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.Fe2(SO4)3和A lC l3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[9].

PAFC对浊度的去除效果优于 PAC.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[10].PAFC有较高的分子量,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,对胶粒起良好的吸附架桥作用;另一方面,PAFC投入水中后水解生成的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[11].

絮凝剂的投加量≤4 m g/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2m g/L,浊度的去除率增加 3%～13%.当 PAC、PAFC和 Fe2(SO4)3的浓度为 4m g/L时,浊度的去除率分别达到 97.7%,97.39%,96.71%.随着投加量的继续增加,浊度去除率开始略有增加 (＜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,浊度的去除率会出现一个峰值.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[12],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 4m g/L.

由图 2可知,PAM浓度为 0.8m g/L时,浊度的去除率为 97.47%,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)[13].因此,PAM的应用受到很大的限制.

此外,PAC、PAFC、Fe2(SO4)3、PAM的吨价比是 1∶1.24∶1.80∶8.44.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,PAC的混凝效果好且经济,是矿井水处理的优良混凝剂.

2.2 电渗析实验结果

2.2.1 硬度去除实验结果

通过 1.4设计的电渗析实验,不同电压下,硬度的去除率随时间的变化趋势如图 3所示 (P594).

由图 3可以看出,电压越高,电流越大,离子通量越大,离子的去除速度较快,在同样的时间内硬度的去除效率越高,达到相同的硬度去除率所需要的时间越短;反之,电压越低,电流越小,且变化缓慢,离子迁移速度较慢,所以硬度去除率曲线趋于平缓;在同样的时间内硬度的去除效率越低,达到相同去除率时所需要的时间则越长,且时间继续增加,对硬度的去除率影响不大.反应初期,电渗析控制器上显示电流上升较快,说明其中离子迁移的速度较快,硬度的去除率随时间的延长变化较为迅速,当反应到一定时间后,电流涨幅不大,即离子迁移已经达到平衡状态,离子的去除率曲线趋于平缓,甚至呈现下降的趋势.

图 3 硬度去除率随时间的变化曲线Fig.3 Effectof reaction tim e on rigid ity removal rate

图 4 硬度去除率随能耗的变化曲线Fig.4 Effectof energy consum p tion on rigid ity removal rate

图 4为不同电压下,硬度的去除率随能耗的变化曲线.由图可以看出虽然电压增高有益于硬度去除率的增高,但是能耗也就越大;电压低时,虽然能耗低,但离子的去除率不高,且能耗继续增加时,对离子去除率的影响不大;甚至随着能耗的增加,离子的去除率呈下降的态势.

综合硬度去除率随时间和能耗变化曲线可以看出,电压为 10 V时可以达到较高的硬度去除率,且能耗相对较低,耗时较短.当时间为 100m in时,硬度去除率可以达到 90%以上.2.2.2 硫酸根离子去除实验结果

图 5为不同电压下,硫酸根离子的去除率随时间的变化曲线;图 6为硫酸根离子的去除率随能耗的变化曲线.

图 5 硫酸根离子的去除率随时间的变化曲线Fig.5 Effectof reaction tim e on SO42-removal rate

图 6 硫酸根离子的去除率随能耗的变化曲线Fig.6 Effectof energy consump tion on SO42-removal rate

由图 5可以看出,硫酸根离子的去除率随时间变化趋势和硬度的趋势是一致的.即电压越高,离子的去除率越大,耗时越短;电压越低,不但离子的去除率不高,且达到相同离子去除率时耗时越长.

图 6硫酸根离子的去除率随能耗变化趋势和硬度的趋势也是一致的.综合图 5和图 6可以看出,电压为10 V时,硫酸根离子的去除率达到了 90%左右,耗时为 90m in.

由以上电渗析实验结果可以得出,从离子的去除率、经济、能耗等因素多方面考虑,电压为 10 V、反应时间为 100m in时,离子的去除率可以达到 90%以上,经电渗析处理后的矿井水硬度和矿化度分别为 140 m g/L和 310m g/L,完全符合饮用水的水质要求.

3 结论及建议

混凝和电渗析联合法处理高矿化度的矿井水是行之有效的处理方法.经实验处理后矿井水,浊度为 0.6 NTU,硬度和矿化度分别为 140m g/L,310m g/L,达到了饮用水的水质要求.

混凝试验及混凝剂性价比分析表明,PAC的混凝效果最好,且和实验的其他混凝剂相比,吨水处理成本最低.PAC的最佳投量为 4m g/L,浊度的去除率可以达到 97.71%.

电渗析实验处理高矿化度的矿井水结果表明,电压为 10 V、反应时间为 100m in左右时,离子去除率可以达到 90%以上,能耗较小,为电渗析反应的最佳条件.

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Mineralized Mine Water Treatment with Combined Method of Coagulation and Electro dialysis

CUI Li,QIU Rui-fang,WU Jin-tao,CHENG Fang-qin,WANG Jing
(Institute of Resources and Environmental Engineering,Shanxi University,Taiyuan030006,China)

Combined method of coagulation with electrodialysis was used to treat mine water of Xishan mine,Shanxi.The turbidity of the water was lowered and the suspended material was removed by using coagulation.Then electro-dialysis treatment was used to desalinate water.Five different flocculations(AlCl3,Fe2(SO4)3,PAC,PAFC,PAM)were used to process mine water in the experiment respectively.Moreover,metal ions and SO42-were removed with electrodialysis under different voltages.The results show ed that the optimal coagulant was confirm ed to be polyalumi-num chloride(PAC)through the comparison of experiments and expense.The removal rate of turbidity was 97.71%,and the dosage added to the wastewater is4m g/L.W hen the voltage was10 V and the reaction time was for 100m in,the ion removal rate could reach 90%.The mine water treated by combined method of coagulation and electrodialysis can meet the requirements of drinking water.

mine water;coagulation;electrodialysis;ion removal rate

O652;X703

A

0253-2395(2010)04-0591-05

2010-04-12;

2010-06-12

国家科技支撑计划(2007BAB24B01);2010太原市大学生创新创业专项

崔 莉 (1985-),女,山西泽州人,硕士,主要从事煤系废弃物的资源化研究,＊通讯联系人:E-m ail:cfangqin@sxu.edu.cn