高悬浮物矿井水电化学特性分析及污染物去除效果研究

2020-07-18张溪彧

矿业安全与环保 2020年3期

张溪彧，杨建，张全

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077)

我国是一个贫油、少气、相对富煤的能源型国家，2018年煤炭消费总量约占一次能源消费总量的59%[1]。煤炭开采过程中，由于覆岩被破坏，会使地下含水层中的水体涌入采空区。伴随着水体的流动，巷道中的煤粉、岩尘等物质会混入矿井水中，使矿井水具有高浊度、高悬浮物的水质特性[2]。将煤矿开采过程中被污染的矿井水洁净处理后重新用于矿井生产，不仅可以减少用水成本，还能起到保护周边水资源的作用，具有良好的生态效益及经济价值[3]。

随着煤矿生产及矿区人民生活用水量的增大，如何合理有效地对矿井水实现再利用成为煤矿亟待解决的一大问题。

1 研究区概况

宝日希勒露天矿位于呼伦贝尔市宝日希勒镇，矿区气候属大陆性亚寒带气候，年平均降水量为 315.00 mm，属于干旱少水地区。2016年该矿产生矿井水总量 2 911 961 m3，外排水量2 524 082 m3，利用率仅为13.3%。

矿井水中悬浮物颗粒粒径的大小不同，其沉降性能也有较大差异，悬浮粒子在溶液中发生无规则的布朗运动[12]。根据Stokes-Esnstein方程可知，粒径大小与粒子在分散介质中的运动规律存在函数关系，取某时间点t，在相隔极短时间内(<100 μs)，不同粒径的粒子运动趋势会有所差异，其中粒径较大的粒子运动速度较慢，粒径较小的粒子运动速度较快[13]。可以通过矿井水中悬浮颗粒粒径大小判断其是否能够自然沉降。若悬浮颗粒粒径较小，布朗运动较为激烈，采用自然沉降的方式难以将其去除[14]。在以往研究中，缺乏对矿井水水质特性的分析，多通过单一变量来确定最佳参数。笔者在对矿井水电化学特性进行分析的基础上，有针对性地确定了混凝剂的选型标准，可为现场工程实践提供理论指导。

2 电化学特性分析及混凝实验研究

2.1 实验仪器

实验中所使用到的仪器如表1所示。

表1 实验仪器

2.2 实验方法

2.2.1 电化学特性分析

Zetasizer粒径分析仪利用动态光散射方法测量溶液中粒子的布朗运动，采用现有理论拟合实验数据得到粒径的分布及大小，并用与被测量粒子相同扩散速率的球体的直径表示粒径[15]。利用Zetasizer粒径分析仪，采用激光多普勒电泳法测量Zeta电位，准确判别溶液中粒子的带电情况，进而选择合适的化学混凝剂，以达到去除水中杂质的目的[16]。

2.2.2 混凝沉淀法

通过向水中投加混凝剂使水中胶体物质发生沉降的过程称为混凝。影响混凝效果的因素有：混凝剂种类、投加量、混凝时间等。其中混凝剂种类及投加量在混凝过程起决定性作用。由于各地矿井水水质不同，悬浮物浓度存在差异，导致处理不同矿井水所用混凝剂种类及投加量也存在较大差异[17]。

2.3 混凝剂选取

针对不同类型的矿井水，需根据实验结果选取混凝剂种类及投加量，常见混凝剂的性能如表2 所示。

表2 常见混凝剂的性能对比

通过对表2中不同混凝剂性能进行对比分析，选用PAC、PAFC、PFS 3种混凝剂开展混凝实验，并与PAM联合使用进一步探究混凝性能，最终以浊度、化学需氧量CODcr、总硬度等水质指标判断混凝剂的混凝性能,从而确定最佳混凝剂投加量,并分析影响混凝效果的因素及其影响规律。

2.4 实验用水

实验中矿井水取自宝日希勒露天矿矿坑水，测得水质指标：浊度为220～240 NTU，CODcr为35～45 mg/L，总硬度(以CaCO3计)为45～50 mg/L。

2.5 实验步骤

1)以10 mg/L为间隔，采用去离子水配制10～60 mg/L 6组不同质量浓度的混凝溶液；

2)在6个烧杯中分别加入500 mL矿井水；

3)用移液管量取50 mL配制好的混凝溶液，分别加入盛有矿井水的烧杯中；

4)调整混凝沉淀搅拌仪转速，以300 r/min快速搅拌3 min；再以80 r/min慢速搅拌10 min；

5)沉淀15 min后取上清液并测量水质指标。

3 实验结果与分析

3.1 矿井水水质特征分析

3.1.1 粒径分析

对宝日希勒露天矿矿井水中悬浮颗粒粒径进行分析，悬浮颗粒粒径分布如图1所示。

图1 悬浮颗粒粒径分布图

由图1可以看出，悬浮颗粒粒径主要为0.6～0.8 μm，粒径较小，采用自然沉降的方法难以将其去除。由于受布朗运动的影响，使得矿井水中颗粒不仅具有悬浮物的特性，还具有胶体的某些特性。需要通过改变其颗粒聚集方式，使悬浮颗粒凝聚成较大絮体，从而达到沉降的目的。

3.1.2 Zeta电位

Zeta电位是考量水中悬浮物质电化学特性的重要指标，测试结果表明矿井水中悬浮颗粒均呈现负电性。这是由于矿井水中悬浮颗粒以煤粉为主，而煤粉表面富含大量的羧基(—COOH)等含氧官能团，由于—COOH容易失去电子，导致矿井水中悬浮物颗粒带负电[19]。Zeta电位分布如图2所示。

图2 Zeta电位分布图

由图2可知，宝日希勒露天矿矿井水中悬浮颗粒的Zeta电位为-23～-25 mV，由于同性胶体间存在斥力，悬浮颗粒不能凝聚成较大微粒，需要借助异性电荷微粒与之凝聚，才能形成较大的絮体进而发生沉降。

3.2 矿井水污染物去除效果评价

3.2.1 不同混凝剂对水体浊度的影响

以10 mg/L为间隔，在矿井水中依次投加溶解态PFS、PAFC、PAC，不同混凝剂对水体浊度的影响如图3所示。

图3 不同混凝剂对水体浊度的影响

由图3可知，随着混凝剂投加量增大，混凝剂质量浓度增加，水体浊度首先呈现快速下降的趋势，当混凝剂质量浓度达到20 mg/L时，浊度下降趋势逐渐变缓；继续投加混凝剂，混凝剂质量浓度达到 40 mg/L 时，浊度去除率变化趋于平稳；当混凝剂质量浓度小于50 mg/L时,在相同质量浓度下，使用PAC和PAFC作为混凝剂的处理效果皆优于PFS。PAFC是复合型混凝剂，由于Fe3+的存在，水中悬浮物的沉降速率增大；继续投加PAFC，混凝剂质量浓度达到 50 mg/L 时，浊度略微增加，此时投加PAFC对于浊度的去除率不及投加PAC，这是因为Fe3+呈现棕黄色，随着Fe3+浓度的增大也会导致色度的增加。且当混凝溶液浓度过大时，带正电荷的混凝剂会重新排列成互斥的稳定结构，出现“脱稳”现象，使得凝聚而成的絮体被破坏，从而导致水体浊度增加。整体而言，使用PAC和PAFC作为混凝剂对浊度去除的效果接近，皆优于使用PFS作为混凝剂时的效果；当投加混凝剂质量浓度达到30 mg/L时，浊度去除率皆可达到90.0%。

3.2.2 PAC+阳离子型PAM联合投加对水体浊度的影响

PAM是一种高分子聚合物，产品主要分为干粉和胶体2种形式。按其结构可分为非离子型、阴离子型和阳离子型，在实际应用过程中，常根据水中悬浮物所带电性选择不同结构类型的PAM，其常作为助凝剂加速水中絮体的形成。实验选取阳离子型PAM。由于PAFC的市场售价高于PAC，综合考虑成本因素，决定选用PAC与阳离子型PAM联合投加的方式进行实验。首先向6个盛有500 mL矿井水的烧杯中各投加20 mL的30 mg/L PAC混凝溶液后，以0.1 mg/L为间隔，向6个烧杯分别投加10 mL的0.1～0.6 mg/L 阳离子型PAM，以300 r/min搅拌 3 min、80 r/min搅拌10 min、沉淀15 min后，取上清液测量水体浊度。PAC+阳离子型PAM联合投加对水体浊度的影响如图4所示。

图4 PAC+阳离子型PAM联合投加对水体浊度的影响

由图4可知，PAC+阳离子型PAM联合投加对浊度的去除效果优于单独投加PAC，且随着阳离子型PAM投加量的增加，对水体浊度的去除效果逐渐提高，当阳离子型PAM质量浓度达到0.5 mg/L时浊度趋于定值，出水浊度为10.8 NTU，浊度去除率达到95.5%。

3.2.3 不同沉降时间对水体浊度的影响

在单独投加混凝剂PAC条件下，实验考察了不同沉降时间的浊度变化规律，如图5所示。

图5 不同沉降时间浊度曲线

由图5可知，随着沉降时间的增加，水体浊度逐渐减小，当沉降时间由15 min增加至25 min时，浊度下降较为明显，随着沉降时间继续增加，浊度逐渐趋于稳定。

3.2.4 不同混凝剂对水体CODcr的影响

不同混凝剂对水体CODcr的影响如图6所示。

图6 不同混凝剂对水体CODcr的影响

由图6可知，随着混凝剂质量浓度的增加，CODcr质量浓度略微下降，当继续增加混凝剂投加量时，CODcr质量浓度变化范围为20～30 mg/L，由此可见投加混凝剂对水体CODcr质量浓度降低有一定效果。其中选用的PFS对水中CODcr的去除效果较好，去除率达到51%，这是由于采用混凝沉淀法将水中有机悬浮物质去除从而有效地降低了水体中CODcr含量。

3.2.5 不同混凝剂对水体总硬度的影响

不同混凝剂对水体总硬度的影响如图7所示。