疏干水深度处理工艺路线设计与分析

汪　岚，蔡井刚，胡治平

(1 神华浙江国华宁海电厂，浙江　宁波　315612；2 神华国华电力研究院，北京　100025)



疏干水深度处理工艺路线设计与分析

汪岚1，蔡井刚2，胡治平2

(1 神华浙江国华宁海电厂，浙江宁波315612；2 神华国华电力研究院，北京100025)

通过介绍矿井疏干水的水质特点，分析了污染物去除的化学机理；根据某处典型的疏干水水样数据，设计一套包含去除重金属、硬度、硫酸根等污染物的水处理工艺路线，重点对工艺过程中的两级软化水质变化数据进行分析和计算，最后评估了该工艺路线对疏干水净化处理的预期处理效果，并讨论了工艺路线应用实施的可行性。为矿井疏干水在火电厂的综合利用提供了技术参考。

疏干水；重金属；软化；工艺路线

我国的西北部地区煤储量丰富，为了充分利用地区资源优势，同时伴随着输变电技术的日新月异，越来越多的坑口电厂应运而生。然而发电生产是用水大户，在该地区淡水资源相对匮乏的大背景下，矿井疏干水作为水源、回收使用具有重大的经济效益和环境效益。矿井疏干水的水质受地质构造、各种煤系伴生矿物成分、水源特征以及所在地区环境条件的影响。在采煤、掘进、开拓生产过程中，清水中常常混入含有细菌的物质，从而导致水质较差。[1-4]因此，疏干水进入火电厂后，必须进行深度处理，以满足发电生产的水质要求。

1　疏干水的水质特点

矿井疏干水普遍具有水源水质复杂、多变，含盐量、硬度(主要为永久硬度)、铁、铝、锰等的含量均较高的特征，表1是某一时间某矿井疏干水水质情况。

表1　某矿井疏干水水质情况Table 1　Water quality of drainage water in for sample

续表1

1/2Mn2+3.31mmol/L非碳酸盐硬度58.22mmol/L全硅30.01mg/LH+1.12mmol/L碳酸盐硬度0.00mmol/L非活性硅1.15mg/LF-0.55mmol/L负硬度0.00mmol/L铁1568.2mg/LCl-7.98mmol/L甲基橙碱度0.00mmol/L铝224.1mg/L1/2SO2-4153.27mmol/L酚酞碱度0.00mmol/L锰90.8mg/LHCO-30.00mmol/L酸度9.78mmol/L透明度橙黄色、不透明

矿井水样具有的特点：含盐量高；酸度高；硬度组成全部为非碳酸盐硬度，且钙离子和镁离子浓度均高；COD含量高；氨氮、悬浮物、细菌等指标也偏高；铁、锰、Al含量极高；含有Ba，Sr等特殊元素。

2　污染物去除机理分析

2.1铁的去除

水样中铁的含量极高，是主要的污染因素，其中离子态的铁包括2价铁和3价铁。

由于氢氧化铁的是不溶于水的，3价铁离子与水中微量氢氧根反应生成氢氧化铁，沉淀析出。氢氧化铁的溶度积1.1×10-36(18 ℃，数据来自兰氏化学手册)[3]，根据溶度积推算，氢氧化铁饱和溶液的pH为4.18，此时3价铁离子的浓度为0.449×10-6mmol/L(2.56×10-5mg/L)。当水溶液pH为2.8时，3价铁离子的浓度0.0044 mmol/L(0.118 mg/L)。本水样pH 2.95基本可以认为基本不存在3价铁离子。

在常温条件下，水溶液中的2价铁与水中的微量溶解氧反应，生成3价铁。反应式如下：

4Fe2++O2+10H2O=4Fe(OH)3↓+8H+

当水溶液pH大于7.0，为碱性环境时，2价铁氧化、沉淀反应如下：

4Fe2++8OH-+O2+2H2O=4Fe(OH)3↓

氢氧化亚铁的溶度积为1.64×10-14(18 ℃，数据来自兰氏化学手册)[3]，根据溶度积推算，氢氧化亚铁的饱和溶液pH为9.5(18 ℃)，即当pH升到9.5时，氢氧化亚铁开始饱和，产生沉淀析出，

此时二价铁离子的浓度为0.016 mmol/L(0.896 mg/L)。根据上述分析，当pH大于9.5时，大量的过饱和2价铁形成氢氧化亚铁沉淀析出，2价铁的氧化、沉淀反应变成如下：

4Fe(OH)2+2OH-+H2O+O2=4Fe(OH)3↓

2.2锰的去除

锰一般以2价状态存在，对于2价锰离子的去除，可以通过加碱提高水溶液的pH，使2价锰以氢氧化锰的形式沉淀析出。

氢氧化锰的溶度积为4×10-14，(18 ℃，数据来自兰氏化学手册)[3]，根据溶度积推算，氢氧化锰的饱和溶液pH为9.63(18 ℃)，即当pH升到9.63时，氢氧化锰开始过饱和，生成沉淀析出。此时二价锰离子的浓度为0.0215 mmol/L(1.183 mg/L)。当溶液pH升10.0时，2价锰离子的浓度将降低到0.004 mmol/L(0.108 mg/L)。

2.3铝的去除

铝一般以3价离子存在于水溶液中，氢氧化铝是不溶于水的，通过提升水溶液的pH，使3价铝离子形成氢氧化铝沉淀析出。

氢氧化铝本身为两性氢氧化物，其与酸和碱均发生反应，其电离水解分为酸性水解和碱性水解两种方向。氢氧化铝碱性条件下电离时的溶度积为4.0×10-13(20 ℃，数据来自兰氏化学手册)[2]，根据溶度积推算，氢氧化铝酸性电离时饱和溶液的pH为9.47(20 ℃)，即当pH升到9.47时，氢氧化铝开始过饱和生成沉淀析出，此时3价铝离子的浓度为0.349 mmol/L(9.42 mg/L)。

2.4镁的去除

镁在水溶液中一般以2价离子状态存在，是水中硬度的主要组成成分之一。由于氢氧化镁是不溶于水的电解质，对于2价镁离子的去除，可以通过加碱提高水溶液的pH，使2价镁离子以氢氧化镁的形式沉淀析出。

氢氧化镁的容度积为1.2×10-11(18 ℃，数据来自兰氏化学手册)[3]，根据溶度积推算，氢氧化镁的饱和溶液pH为10.46(18 ℃)，即当pH升到10.46时，氢氧化锰开始过饱和，生成沉淀析出，此时二价镁离子的浓度为0.144 mmol/L(1.183 mg/L)。

2.5硫酸根的去除

硫酸根在水中一般是稳定存在的的，通常不用去除，当水溶液中硫酸根离子浓度过高时，可以通过过量投加钙离子，使硫酸钙过饱和，形成沉淀析出。

硫酸钙的溶度积为6.1×10-5(25 ℃，数据来自兰氏化学手册)[3]，根据溶度积推算，硫酸钙饱和溶液中钙离子和硫酸根离子的浓度相同，为7.81 mmol/L(Ca2+为312.4 mg/L，硫酸根为749.8 mg/L)。

2.6钙的去除

钙在水溶液中一般以2价离子状态存在，是水中硬度的主要组成成分之一。由于碳酸钙是不溶于水的电解质，对于2价钙离子的去除，可以通过加纯碱使2价钙离子以碳酸钙的形式沉淀析出。

碳酸钙的容度积为0.87×10-8(25 ℃，数据来自兰氏化学手册)[3]，根据溶度积推算，碳酸钙饱和溶液中钙离子与碳酸根离子浓度相同，均为0.0938 mmol/L(18 ℃)，其中钙离子的浓度为3.75 mg/L，碳酸根离子为5.628 mg/L。

3　疏干水处理工艺路线设计与分析

通过疏干水水质特点和污染物去除机理分析，结合电厂实际用水要求，设计疏干水处理工艺路线，并进行可行性分析。设计系统由曝气碱中和除重金属单元、软化单元、出水调节单元组成。

工艺流程：原水→曝气中和池→絮凝反应池→澄清池→中间水池→软化中和池→絮凝反应池→澄清池→清水池→化学制水系统

3.1曝气中和除重金属单元

3.1.1设计工艺

除重金属单元，通过投加氢氧化钙(石灰乳)和曝气，使pH上升到9.4，经过混凝澄清后，上清液进入后续处理单元，产生的沉淀输送至污泥脱水系统。

3.1.2除重金属单元去除量计算

(1)Al：水中溶解的铝离子，以氢氧化铝沉淀析出，使水中残余铝离子小于0.81 mg/L。原水铝离子浓度：672.84 mg/L；铝离子残余浓度：小于0.82 mg/L；氢氧化铝沉淀生成量：1941.3 mg/L；氢氧化钙理论消耗量：2763.9 mg/L。

(2)Fe：水中溶解的二价铁离子(原水pH 2.95，基本不存在三价铁)通过曝气氧化，以氢氧化铁的形式沉淀析出，溶液中残余铁离子浓度小于0.118 mg/L。原水中二价铁离子浓度：3385.2 mg/L；铁离子残余浓度：小于0.118 mg/L；氢氧化铁沉淀生成量：6528 mg/L；氧气的理论消耗量：483 mg/L；氢氧化钙的理论消耗量：4473 mg/L。

(3)Mn：水中溶解的2价锰离子，以氢氧化锰的形式沉淀析出，根据氢氧化锰的溶度积推算，溶液中的2价锰离子浓度为3.5 mg/L。原水中二价锰离子浓度：90.02 mg/L；处理后残余锰离子浓度：3.5 mg/L；氢氧化锰沉淀理论生成量：140 mg/L；氢氧化钙的理论消耗量：116 mg/L。

(4)Mg：根据氢氧化镁的溶度积推算，在溶液环境pH为9.4时，水溶液中2价镁离子的饱和浓度为456.5 mg/L，因此水中溶解的2价镁离子，在此过程中并不能形式沉淀析出处理后残余镁离子浓度为：403.3 mg/L。

(5) 硫酸根：当水溶液中钙浓度高时，硫酸根会因为形成硫酸钙，过饱和析出，根据前述反应统计，氢氧化钙累计投加量为7532 mg/L，钙离子投加量为的摩尔浓度为99.35 mmol/L。当水溶液环境pH为9.4时，根据硫酸钙的溶度积计算：原水中硫酸根浓度为：7356.96 mg/L；反应后硫酸根理论残留浓度：159.6 mg/L；反应前钙离子浓度为：4466.2 mg/L；反应后钙离子理论残留浓度：1466.2 mg/L：硫酸钙沉淀理论生成量：10196.2 mg/L。

3.2软化单元

3.2.1设计工艺

来自除重金属单元的水，进入软化单元，通过投加氢氧化钠和碳酸钠，使溶液环境pH上升至10.5，降低硬度，去除水中残余金属离子，再经过絮凝澄清后，上清液进入下一处理单元。

3.2.2软化单元去除量计算

(1)Mn：水溶液环境pH自9.4上升到10.5后，溶液中残余的2价锰离子，以氢氧化锰的形式继续沉淀析出。当pH上升到10.5，根据氢氧化锰的溶度积推算，溶液中的2价锰离子残留浓度0.022 mg/L。进水二价锰离子浓度：3.5 mg/L；处理后残余锰离子浓度：0.022 mg/L；氢氧化锰沉淀理论生成量：5.5 mg/L；氢氧化钠的理论消耗量：2.47 mg/L。

(2)Mg：水溶液环境pH上升到10.5后，溶解的2价镁离子，能够以氢氧化镁的形式沉淀析出，根据氢氧化镁的溶度积推算，在溶液环境pH为10.5时，水溶液中2价镁离子的饱和浓度为2.88 mg/L(0.12 mmol/L)。原水中2价镁离子的浓度为：403.3 mg/L；处理后残余镁离子浓度为：2.88 mg/L；氢氧化镁沉淀理论生成量：967.7 mg/L；氢氧化钠理论消耗量：667.4 mg/L。

(3)Ca：来自除重金属单元的上清液投加碳酸钠去除水中的钙硬度。溶液中的钙离子与碳酸钠反应，碳酸钙沉淀析出。根据碳酸钙的溶度积推算，pH为10.5时，钙离子浓度为3.75 mg/L(0.0938 mmol/L)。根据碳酸钙的溶度积计算：反应前中钙离子浓度为：1466.2 mg/L(36.561 mmol/L)；反应后钙离子理论残留浓度：3.75 mg/L(0.0938 mmol/L)；碳酸钠的理论消耗量为：3875 mg/L(37.467 mmol/L)；碳酸钙沉淀理论生成量：3656.1 mg/L(37.467 mmol/L)。

3.3水质调节单元

经过除重金属和软化处理后的矿井疏干水在位于末端的清水池中用酸将pH调节到7.5，储存在清水池中，作为化学制水系统的入水。

pH从10.5下降至7.5的氢离子理论消耗量为：0.316 mmol/L。按100%纯度盐酸计算，酸理论消耗量为11.5 mg/L。

3.4处理效果分析

矿井疏干水按照按照以上设计的处理工艺处理后的理论效果分析：残余硬度全部转变为碳酸盐硬度；重金属基本去除；含盐量大幅度下降；酸度得到调节；色度和悬浮物等也大幅度改善。

3.5药品消耗量和污泥产量

核算处理每单位体积疏干水，各化学药品消耗量及污泥生成量：空气：8.38 Nm3/m3，氢氧化钙7532 mg/L氢氧化钠670 mg/L碳酸钠3875 mg/L污泥产生量23649.8 mg/L。

其中：根据理论计算，氧气消耗量约为483 mg/L，每标方空气中氧气的质量约为0.29 kg，氧气利用效率一般为20%，推算出曝气量为8.38 Nm3/m3疏干水。污泥生成量是氢氧化铝、氢氧化铁、硫酸钙、氢氧化镁、氢氧化锰、碳酸钙沉淀量和原水中悬浮物之和。

4　结　论

工艺路线中除去了疏干水中大部分污染物，包括重金属、硬度，极大的降低了水的含盐量，水质指标达到电厂用水的要求。

(1)利用石灰乳+纯碱两级软化，高效的去除铁、铝、钙、镁等金属元素，软化混凝澄清集成工艺的应用目前已较为成熟。

(2)利用了原水中硫酸根含量高的特点，在去除硫酸根的同时去除了大量的钙，大大减少了纯碱的消耗量。

(3)设计工艺较为成熟，工程应用的可行性高，可作为疏干水深度处理工艺路线设计的理论参考。

[1]王天平,解建仓, 张建龙,等.基于突变理论的西王寨矿区矿井疏干水开发利用风险评价[J].西安理工大学学报,2010,26(4):417-418.

[2]高燕宁,张立军,孙小军,等.矿井疏干水回用于大型火力发电厂[J].中国给水排水，2013,29(16):61-62

[3]刘岗,马光路.火电厂煤矿疏干水利用存在的问题及应用讨论[J].内蒙古电力技术,2010,28(z2):14.

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[5]Dean J A. Lange’s Handbook of Chemistry[M].Mcgraw-hill Companies,Inc,1998:103-120.

Design and Analysis of Technical Route for Mine Dewatering Water Treatment

WANGLan1，CAIJing-gang2，HUZhi-ping2

(1 Shenghua Guohua Ninghai Power Plant, Zhejiang Ningbo 315612;2 Shenghua Guohua Electric Research Institute, Beijing 100025, China)

Through the mine drainage water quality characteristic, the chemical mechanism of pollutants removal was analyzed. According to somewhere typical drainage water sample data, a water treatment process for removal of heavy metal, hardness, the sulfate and other pollutants was designed, focus on process of two-stage softening water quality changes in the data analysis and calculation, the desired treatment effect of the sparse dry water purification by the process route was evaluated, and the feasibility of process route application was discussed. It provided a technical reference for the comprehensive utilization of mine drainage water in thermal power plant.

mine dewatering water; heavy metal; demineralize; process route

汪岚( 1981-) ，男，本科，毕业于华东理工大学化学工程与工艺专业，工程师，主要从事火电厂化学及环保相关技术。

TQ110.9

A

1001-9677(2016)08-0174-03