改性滤料在矿井水净化处理中的试验研究.pdf

改性滤料在矿井水净化处理中的试验研究 * 王伟宁 1 许光泉 1 李佩全 2 刘泽功 1 1 安徽理工大学地球与环境学院， 安徽 淮南 232001;2 淮南矿业 集团 有限公司， 安徽 淮南 232001 摘要 采用高温加热法制备了涂铁石英砂和无烟煤联用的双层改性滤料， 并通过过滤试验对比验证了其对矿井水中不 同污染物的去除效果。过滤 6 h 出水浊度为 0. 3 NTU， ρ COD 降为2. 5 mg/L， 均低于饮用水标准限值， Fe、 Mn 的去除 率分别达 88. 7 和 66. 7 ， 并通过反冲洗试验， 确定了该滤料的反冲洗强度 q 16 L/ m2s 和过滤周期 T 370 min。 滤后水质可满足淡化除盐进水要求， 具有广阔的应用前景。 关键词 改性滤料; 矿井水; 反冲洗参数 EXPERIMENTAL RESEARCH ON MINE WATER PURIFICATION TREATMENT WITH MODIFIED FILTER MEDIA Wang Weining1Xu Guangquan1Li Peiquan2Liu Zegong1 1. Department of Earth and Environment of Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China; 2. Huainan Mining Industry GroupLimited Liability Company，Huainan 232001，China AbstractIn this paper，iron oxide coated quartz sand and anthracite double-modified filter media have been prepared with high-temperature heating ，and by the filtering experiment the removal effect of the pollutants in coal mine water has been comparatively verified. After filtering for 6 h，the effluent turbidity is 0. 3 NTU，and the ρ CODis down to 2. 5 mg/L， both of them are lower than the standards for drinking water limit，the removal rate of Fe and Mn is high to 88. 7 and 66. 7 ;by the back washing experiment，the back washing strength q 16 L/ m2sand filtration cycle T 370 min of double-modified filter media have been determined. The effluent water quality after the modified filter media filtration has met the desalination requirements，it will have broad application prospects. Keywordsmodified filter media;mine water;back washing parameters * 国家科技支撑项目 2007BAK28B06 。 0引言 目前， 我国矿井水净化站多采用的是“混凝沉 淀过滤消毒” 的常规处理工艺， 但随着煤炭工业 的日益膨胀和井下开采的不断加剧， 矿井水呈现高悬 浮物、 高矿化度等特征。此外， 井下机油、 锚杆剂等有 机污染物的渗入， 更使得其水质复杂多变， 不利于矿 井水的资源化利用。因此， 提高常规处理工艺的净水 效能十分必要。过滤是常规处理工艺中保障饮用水 卫生安全的重要工序， 由于改性滤料能最大限度的增 加滤料的比表面积从而发挥其吸附能力， 提高过滤效 能 ［ 1］， 故采用改性滤料代替传统滤料净化水质具有 广阔的应用前景。 1材料与试验装置 1. 1改性滤料的制备 筛分并选取粒径介于 0. 50 ～ 1. 20 mm 的粒状石 英砂作为改性滤料的原材料， 经扫描电镜-X 射线能 谱仪 SEM-EDS 分析后， 得其主要的元素组成为 O 9. 18 、 Na3. 65 、 Mg1. 96 、 Al 6. 78 、 Si 18. 36 、 K 0. 71 、 Ca 2. 71 、 Ti 0. 65 和 Fe 2. 11 。采用高温加热法制备改性 石英砂滤料， 步骤如下 石英砂表面的预处理 用自来水反复冲洗石英 砂， 洗净后置于110 ℃ 烘箱中烘干， 然后用 0. 1 mol/L 的盐酸浸泡 24 h 后， 再用蒸馏水冲洗， 直至 pH 为中 性， 最后在110 ℃ 烘箱中烘干， 放入有盖的瓶中储存。 取经过表面预处理的石英砂 80 g， 加入 30 mL、 3 mol/L的 FeCl3溶液， 搅拌均匀后置于110 ℃ 烘箱中 烘干大约 6 h， 每小时搅拌 1 次， 以防止颗粒相互粘 结， 然后放入马福炉中， 在600 ℃ 下煅烧 4 h 后， 置于 22 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 室温下冷却， 待涂层稳定后用去离子水将改性滤料表 面粘附不牢固的部分洗去， 烘干后制得涂铁石英砂， 待用。 1. 2试验装置及方法 为了研究改性石英砂对矿井水的净化效果， 本试 验采用高 1. 5 m， 内径 20 mm 的有机玻璃管 2 根， 内 装厚度为 800 mm 的双层滤料 400 mm 厚的石英砂， 400 mm 厚的无烟煤记为柱 1 号; 400 mm 厚的改性石 英砂， 400 mm 厚的无烟煤记为柱 2 号 ， 底部按粒径 由大到小填充厚度为 400 mm 的天然砾石作为承托 层， 并设有 30 目尼龙网。进水由恒流泵将矿井原水 经内径 8 mm 的硅胶管注入滤柱， 过滤后由内径8 mm 的硅胶管从底部引出， 反冲洗管的出水口高出滤层 50 mm， 以保证滤柱内水位。试验装置见图 1。 图 1过滤装置示意 一次性采集淮南谢一煤矿矿井水 50 L， 经混凝沉 淀处理后作为试验原水， 测定其初始指标为 浊度 8. 68NTU、 ρ COD 28. 0 mg/L、 ρ Fe 0. 62 mg/L、 ρ Mn 0. 30 mg/L。2 根滤柱在 8 m/h 的实际工艺 滤速下运行， 通过测试出水水质并与原水相比较， 可 反映出改性滤料的截污能力， 并得出改性滤料的过滤 周期和反冲洗强度。 2结果分析 2. 1浊度和有机物的去除 开启恒流泵， 分别在过滤 1， 2， 3， 4， 5， 6 h 时， 从 1 号和 2 号滤柱底部各取样 100 mL， 测定其浊度和 COD， 试验结果见图 2。 如图 2 所示， 未改性的石英砂与无烟煤截污能力 较低， 初始时浊度下降明显， 但过滤 3 h 时曲线变平 缓， 过滤 6h 出水浊度为 1. 20 NTU， 仍高于 GB5749 － 2006 生活饮用水标准 的 1. 00 NTU， 而 COD 的去除 效果也不理想， 6 h 后其去除率仅为 67. 9 ， 且矿井 水中仍有 9. 0 mg/L 的有机物污染物。这是由于传统 的石英砂 无烟煤表面带负电、 比表面积小、 空隙率 低等缺陷导致其吸附过滤能力低下 ［ 2］。 图 2双层滤料浊度和 COD 变化曲线 将改性双层石英砂滤料用于过滤， 其水质各项指 标均比未改性的有不同程度的改善， 见图 3。二者曲 线下降趋势明显， 6 h 后出水浊度和 COD 值分别为 0. 30 NTU 和 2. 5 mg/L， 均低于饮用水指标限值。经 放大观察， 可见到改性后的砂粒表面呈现更多的凹凸 不平， 构成较浅的多孔性状， 这有效地提高了滤料的 比表面和有机吸附能力， 有利于对水中颗粒的吸附， 改善了滤料的截污性能。 图 3改性双层滤料浊度和 COD 变化曲线 2. 2重金属元素的去除 依照同样的试验步骤测定滤后出水的 Fe、 Mn 元 素浓度， 试验结果见图 4、 图 5。 图 4双层滤料 Fe、 Mn 去除率变化曲线 32 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 图 5改性双层滤料 Fe、 Mn 去除率变化曲线 由于石英砂和无烟煤对于重金属离子只存在拦 截作用， 并不能产生强力的吸附力， 将 Fe、 Mn 从矿井 水中去除， 故过滤 6h 后， Fe、 Mn 的 去 除 率 均 低 于 50 ， 出水浓度为 ρ Fe 0. 31 mg/L， ρ Mn 0. 19 mg/L， 均高于 GB5749 － 2006 的限值 ρ Fe 0. 30 mg/L， ρ Mn 0. 1mg/L 。针对传统的石英砂和无 烟煤对金属的去除效能低的缺陷， 实际工艺中往往需 要增设活性炭柱或改性粉煤灰吸附塔来滤除矿井水 中高浓度的 Fe、 Mn 等重金属离子。 将石英砂颗粒表面用金属氧化物进行表面改性， 能够改变其表面电位和吸附官能团的数量 ［ 3］， 在提 高改性石英砂的磁化率的同时， 加大了滤料对矿井水 中 Fe、 Mn 等重金属的吸附能力。相比传统滤料， 改 性石英砂和无烟煤过滤 6 h 后的出水 ρ Fe 0. 07 mg/L， ρ Mn 0. 10 mg/L， 二者的去除率提高到了 88. 7 和 66. 7 ， 见图 5。出水水质中 Fe 已基本去 除， 而 Mn 仍等于饮用水标准限值， 故利用混合锰砂 的改性三层滤料提高其除锰效能， 有待进一步研究。 2. 3过滤周期和反冲洗强度 经过 6 h 的过滤后， 滤柱出水量锐减， 水头损失 已达极限， 为避免在水流冲刷力的作用下， 使已截留 的悬浮颗粒和污染物从滤料表面剥落下来影响出水 水质， 故停止过滤， 开始反冲洗， 反冲洗水 去离子 水 由恒流泵从滤柱底部的出水取样口注入， 自下而 上冲洗承托层和滤料层， 污水自反冲洗出水口排出。 记录反冲洗强度 q 分别在 10， 12， 14， 16， 18， 20 L/ m2s 的条件下滤料的膨胀率 e， 以及时间分别为 4， 6， 8， 10， 12， 14 min 时反冲洗出水的浊度值， 同时绘制 反冲洗强度与膨胀率、 反冲洗水浊度值与时间的关系 曲线， 如图 6， 图 7 所示。 如图 6 所示， 随着反冲洗强度的不断增大， 滤料 膨胀率随之增大。以双层滤料反冲洗的常用膨胀率 图 6反冲洗强度与滤料膨胀率变化曲线 图 7反冲洗时间与浊度变化曲线 e 50 为标准 ［ 4］， 确定反冲洗强度 q 16 L/ m2 s 。在该强度下反冲洗 10 min 后， 曲线变平缓， 如 图 7 所示， 且反冲洗出水浊度值已低于 1 NTU， 达净 水标准， 故从节省水量的角度， 确定反冲洗时间为 10 min。因此， 应用改性石英砂 无烟煤滤料的过滤周 期 T 360 10 370 min。 2. 4深度净化处理 针对高悬浮物、 高矿化度矿井水的净化处理， 往 往需要在常规混凝沉淀过滤消毒的基础上， 增 设淡化除盐设备。而常用的压力 － 膜法除盐对于进 水水质要求极高， 为防止难溶性杂质在膜表面结垢沉 淀， 通常需要在过滤步骤之后增加活性炭微滤等预处 理 ［ 5］。通过改善滤料表面性质， 制成具有优良吸附 性能和一定机械强度的改性石英砂滤料， 能有效的改 善滤水水质， 满足反渗透或纳滤除盐进水的基本要求 浊度 1 NTU、 ρ 总铁 0. 1 mg/L ［ 6］， 省去了预处 理步骤及其投资， 能在提高矿井水净化能力的同时简 化处理工艺， 具有广阔的应用前景。 3结论 1 采用高温加热法制备的涂铁石英砂和无烟煤 的双层改性滤料， 极大地增大了滤料的比表面积和吸 下转第 48 页 42 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 控制 浆 液 pH 值 约 6. 0 时， 脱 硫 率 可 达 70 以 上 ［ 5 － 6］。由此可见， 己二酸添加剂强化可有效提高脱 硫率和吸收剂的利用率， 从而进一步降低脱硫运行成 本。但这只是在实验中得知， 在实际的脱硫系统中尚 未有投用， 实际的脱硫运行中可以考虑在经过理论计 算的基础上进行一些摸索性试验。 3结论 综上所述， 在保证脱硫系统出口 SO2浓度在排放 浓度允许范围内， 采取将吸收塔浆液 pH 值控制在下 限运行、 提高石灰石来料纯度、 保证石灰石浆液磨制 合格、 向吸收塔浆液内加入添加剂等措施可以降低脱 硫石灰石耗量。针对盘电公司脱硫系统， 各项实际运 行参数进行了优化调整后指标如下 机 组 负 荷 为400MW;原 烟 气 流 量 为 1 050 000 m3/h; 入口二氧化硫质量浓度为1 200 ～ 1 250 mg/m3; 出 口 二 氧 化 硫 质 量 浓 度 为 50 ～ 55 mg/m3; 石灰石纯度为 94 ; 吸收塔内 pH 值为 5. 0 ～ 5. 05;温 度 为55℃ ;石 灰 石 供 浆 密 度 为 1 195 ～ 1 215 kg/m3 对应含固率为 28 左右 ; 石灰 石供浆 流 量 为 30 m3/h; 理 论 石 灰 石 平 均 耗 量 为 1. 78 ～ 1. 84 t/h; 实际石灰石平均耗量为 2. 15 t/h; 调 整前同等参数下的实际平均石灰石耗量为 2. 55 t/h; 脱硫率为 95. 6 ;节约成本为 3 120 元 /d。 运行实践证明， 在优化参数条件下运行， 不仅保 证了系统 95. 6 的脱硫率， 也降低了石灰石耗量， 每 日可节约成本3 120元， 保证了脱硫系统的经济运行。 参考文献 ［1 ］ DL/T986- 2005，湿法烟气脱硫工艺性能检测技术规范［S］ . ［2 ］ Farmer R W，Jarvis J B，Moser R. 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