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摘要:在煤礦產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中,會(huì)排出大量礦井水,并于水巖相互作用的影響下形成礦井污水。此類礦井污水氟含量相對較高,未經(jīng)除氟處理前被利用,或排入地下,會(huì)導(dǎo)致飲用主體患病,或造成地下水污染。因此,以礦井污水作為研究對象,探討與其相關(guān)的氟化物處理與分析問題。首先,概述了氟化物處理工藝。其次,結(jié)合某礦井污水氟化物處理項(xiàng)目,介紹了礦井污水處理工藝,剖析了新增除氟工藝。最后,在分析活性氧化鋁除氟濾池設(shè)計(jì)與濾料再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)后,對全文進(jìn)行了總結(jié)。
關(guān)鍵詞:礦井污水;氟化物處理;分析
在天然水體之中,氟化物的存在相對廣泛,當(dāng)該物質(zhì)濃度超標(biāo)后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的危害,根據(jù)飲用主體、使用對象的不同,其危害程度也存在差異。以礦井污水為例,它與礦區(qū)生產(chǎn)用水、生活用水相關(guān)聯(lián),一旦發(fā)生氟超標(biāo)現(xiàn)象,后果不堪設(shè)想。所以,在礦井污水處理方面,設(shè)置了相對嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn),需要使其滿足地表水三類標(biāo)準(zhǔn),同時(shí),要求氟化物的質(zhì)量濃度被嚴(yán)格控制1.0mg/L?,F(xiàn)階段,對礦井污水氟化物的檢測技術(shù)相對多元、處理方式比較多樣。本文以活性氧化鋁除氟工藝為主展開具體討論。
1氟化物處理工藝概述
1.1除氟方法
現(xiàn)階段,國際市場、本土市場的除氟方法基本處于同一發(fā)展水平。主要包括以下幾類:①化學(xué)法;②電化學(xué)法;③離子交換法;④反滲透法;⑤吸附法。而且,在不同的除氟方法下,又可以細(xì)分出不同的方法。以化學(xué)法為例,主要為混凝沉淀法。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看,礦井污水在不同的礦井類型下,水質(zhì)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的差異,而且,受到開采方案、礦井坑道所處狀態(tài)、地下巖層等多重因素影響。含氟污水流經(jīng)坑道、排放到自然環(huán)境后,可能對土壤、水體、植物、人體等產(chǎn)生較大危害。所以,通常根據(jù)含氟廢水的實(shí)際檢測情況,選擇相應(yīng)的除氟方法與工藝,并配套相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行全面處理。
1.2以吸附法和混凝法為例
1.2.1低濃度氟化物吸附法。吸附除氟方法因成本低、吸附容量大、技術(shù)相對成熟等比較優(yōu)勢,獲得了有效推廣及應(yīng)用。從應(yīng)用情況看,一方面,吸附劑種類相對較多,可以根據(jù)實(shí)際除氟需求選擇骨炭、活化沸石、活性氧化鎂、活性氧化鋁等不同類型。另一方面,吸附劑的應(yīng)用效果在各方面獲得了實(shí)證,適用于較大規(guī)模的除氟項(xiàng)目。例如,在美國的六種除氟方法中,就明確列舉了活性氧化鋁吸附劑,而且,在我國本土市場的科研成果方面,吸附氟化物容量相對較高的氧化鋯樹脂、羥基磷石灰等,也獲得了較大關(guān)注。從原理方面看,該方法主要是利用吸附劑過濾層,對含氟污水進(jìn)行過濾,并使其在相應(yīng)的pH范圍內(nèi)達(dá)到除氟目的。該方法的化學(xué)方程通常記為:R2SO4+2F-=R2F2+SO42-。1.2.2高濃度氟化物混凝法。在吸附法使用過程中,存在吸附劑使用失效、成本增加、高濃度氟化物除去的問題。所以,在實(shí)際使用中,為了化解此類問題,大部分企業(yè)會(huì)根據(jù)吸附劑的再生方案,延長其應(yīng)用時(shí)間、擴(kuò)增除氟效用。現(xiàn)階段,吸附法濾料再生環(huán)節(jié)使用的再生劑包括了氫氧化鈉、硫酸鋁、活性氧化鋁等。本次研究中,主要以活性氧化鋁濾料為準(zhǔn),對于再生過程中生成的高濃度氟化物,則主要采用石灰進(jìn)行處理。具體而言,在氟化物的除去過程中,吸附法適用于低濃度氟。為了有效化解高濃度氟條件下的除氟目標(biāo),通常會(huì)配套的使用化學(xué)處理方法中的混凝沉淀法(也稱混凝法),應(yīng)用中主要包括兩部分,一是通過氧化鋁濾料吸附低濃度含氟廢水,二是將脫附的高濃度含氟廢水(量少)經(jīng)藥劑混凝沉淀去除,出水回到原水再經(jīng)濾料吸附處理。
2礦井污水氟化物的處理與分析
2.1工程概況
以某礦井污水處理中,新建深度處理單元的處理能力為1000m3/d,深度處理單元的進(jìn)水為現(xiàn)有礦井水處理單元的出水,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),現(xiàn)有深度處理單元的進(jìn)水水質(zhì)在pH無量綱條件下:①COD≤20mg/L;②氟化物≤10.0mg/L。同時(shí),要求對礦井污水處理后,達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838—2002》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。其中要求在pH無量綱條件下:①COD≤20mg/L;②氟化物≤1.0mg/L;③總磷≤0.2mg/L;④石油類≤0.05mg/L;⑤pH控制在6~9。通過現(xiàn)有水質(zhì)與處理后的水質(zhì)指標(biāo)比較,需要將氟化物降低到1.0mg/L以下(含)。
2.2礦井污水氟化物處理工藝與分析
2.2.1礦井污水處理工藝。該煤礦礦井現(xiàn)有污水處理工藝主要以“預(yù)沉調(diào)節(jié)-絮凝沉淀-過濾-排放/回用”為準(zhǔn),正常情況下,其出水水質(zhì)可以滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838—2002》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)中的除氟以外其他物質(zhì)的處理要求,可是,為了保障出水氟化物在標(biāo)準(zhǔn)要求以內(nèi),該礦需要再配套的設(shè)置除氟裝置,并利用除氟工藝完成對氟化物的強(qiáng)化除去目的。2.2.2礦井污水除氟工藝。經(jīng)細(xì)致剖析該煤礦礦井污水處理方案,明確強(qiáng)化除氟目標(biāo)后,在原有的處理工藝基礎(chǔ)上,新增了除氟工藝。具體如下:①當(dāng)?shù)V井水經(jīng)原系統(tǒng)過濾處理后,進(jìn)入了吸附除氟處理環(huán)節(jié)。本次研究中選擇的吸附劑為活性氧化鋁。②吸附劑使用時(shí),達(dá)到飽和或失效時(shí),配套使用吸附劑再生工藝,確保吸附劑的有效利用。具體的再生工藝過程以“反沖—再生—二次反沖—中和”四個(gè)階段為準(zhǔn)。③對于脫水后的高濃度氟進(jìn)行處理,主要是在活性氧化鋁濾料基礎(chǔ)上應(yīng)用石灰,形成高效混凝劑,以此達(dá)到除氟目的。具體的工藝流程見圖1。2.2.3活性氧化鋁除氟分析。2.2.3.1影響因素。在活性氧化鋁除氟工藝中,會(huì)受到多重因素的影響,包括顆粒粒徑、原水pH、原水初始氟濃度、原水堿度、氯離子、硫酸根離子,以及砷的影響等。根據(jù)現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)分析:一方面,顆粒粒徑越大,其強(qiáng)度越高,吸附容量越低,使用壽命較長。反之,則容易發(fā)生失效或飽和現(xiàn)象。另一方面,原水pH越低(大于5)、初始氟濃度越高、堿度越小、其他離子越少,吸附容易越大,反之則越小。所以,通常在活性氧化鋁的除氟濾池設(shè)計(jì)參數(shù)的控制方面,通常會(huì)考慮到影響它的上述因素。同時(shí),從氟與吸附劑之間的新親和力、離子選擇行為等,對其進(jìn)行綜合考量、全面剖析、精準(zhǔn)控制。2.2.3.2活性氧化鋁除氟濾池設(shè)計(jì)。(1)確定濾池功能:去除水中的氟化物,使出水滿足地表水Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)。(2)從系統(tǒng)控制的角度出發(fā),將該除氟工藝方案,設(shè)計(jì)為一整套設(shè)備過濾器。并且,按照聯(lián)運(yùn)行方式,為了保障設(shè)備使用的有效性,配套設(shè)置備用設(shè)施。保障設(shè)備運(yùn)行中,當(dāng)某臺過濾器接近飽和后,將其離線,進(jìn)行氧化鋁濾料再生,并于再生操作完成后再次作為備用過濾器進(jìn)行使用。(3)備用過濾器投入使用過程中,其中的再生操作控制設(shè)計(jì),主要包括過濾器設(shè)置流量計(jì)控制過濾流速、設(shè)置電動(dòng)閥門組控制自動(dòng)反洗及再生操作、設(shè)置氟化物在線監(jiān)測儀用于監(jiān)控出水水質(zhì)等。(4)設(shè)計(jì)參數(shù)如下:運(yùn)行pH≤7.0,過濾器濾速6~8m/h。(5)配套設(shè)備如下:pH調(diào)節(jié)加藥裝置,2套,N=1.5kW;pH控制系統(tǒng),1套;成套過濾器,D3.5×4.5m,8座,7用1備,含活性氧化鋁濾料,粒徑為0.4~1.5mm,濾料厚度宜2.0m;電磁流量計(jì)8套;電動(dòng)閥組8套;氟化物在線檢測儀8套。需要注意的是,活性氧化鋁再生操作過程中應(yīng)該對首次反沖濾層中的膨脹率、反沖洗時(shí)間進(jìn)行有效控制,并實(shí)現(xiàn)對濾料粒徑?jīng)_洗強(qiáng)度的合理控制。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看,將強(qiáng)度控制在16L/(m2•s)到12L/(m2•s)效果相對較好,再生時(shí)間的控制宜以2h到1h。二次反沖洗強(qiáng)度則宜控制在5L/(m2•s)到3L/(m2•s),反沖洗時(shí)間宜控制在3h到1h。2.2.4混凝劑除氟分析在該煤礦礦井氟化物處理工藝中,對濾料再生過程中產(chǎn)生的廢水中氟化物濃度較高,所以本次設(shè)計(jì)中在濾料再生系統(tǒng)中,配套運(yùn)用了混凝沉淀法,利用混凝劑溶水后迅速水解并生成吸附氟離子沉淀物的基本原理,實(shí)現(xiàn)了對高深度氟物化的處理。一方面,在功能設(shè)定方面,吸附飽和濾料的再生,旨在提高吸附劑使用效率、降低成本。另一方面,在對再生過程生成的廢水二次處理時(shí),為了有效規(guī)避二次污染、去除高濃度氟,本次研究中設(shè)計(jì)了1座鋼砼水池(6.0×6.0×5.5m),可以借助該設(shè)備完成對再生藥劑的配制,以及對再生廢液的收納及除氟處理?;炷齽┦堑V井污水除氟中處理混凝效果的重要因素,由于PAC及PAM作為混凝劑和助凝劑有利于加快沉降速度,因此,本次研究中采用石灰及PAC和PAM配套應(yīng)用方案,可以生成氟化鈣,可實(shí)現(xiàn)對高濃度氟離子的強(qiáng)化去除效果。需要注意的是,一方面,由于混凝劑應(yīng)用時(shí)與pH存在密切關(guān)聯(lián),在PAC及PAM作為混凝劑和助凝劑時(shí),pH控制在6~8.4,可以增強(qiáng)礦井污水濁度去除效果。將氟化物含量控制到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi),保障處理效果。因而,在濾料再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,配套的設(shè)計(jì)了1套pH控制系統(tǒng)。另一方面,考慮到再生液循環(huán)中會(huì)生成腐蝕性物質(zhì),并對離心泵產(chǎn)生一定的腐蝕。因而,在加藥裝置、溶藥攪拌機(jī)、pH控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上,根據(jù)再生液循環(huán)、清洗、廢液提升、廢水處理等實(shí)際需求,配套設(shè)置了6臺(按照一備一用需求設(shè)計(jì))耐腐蝕離心泵與1套再生廢水處理裝置。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn),新增的除氟工藝中,應(yīng)該細(xì)致篩選活性氧化鋁,在保障其能夠?qū)Τに嚠a(chǎn)生積極影響的前提下,采用吸附為主、輔以混凝沉淀處理的方案,可以較好實(shí)現(xiàn)對礦井污水氟化物的處理目標(biāo)。
3結(jié)束語
在礦井污水處理與污水資源再利用方面,氟污染已經(jīng)成了一項(xiàng)阻礙因素。因此,需要從實(shí)際的需求出發(fā),化解該問題。通過以上初步分析可以看出,原來的礦井污水處理工藝僅能滿足煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn),對于氟化物的處理相對不足。所以,為了達(dá)到強(qiáng)化除氟目標(biāo),需要根據(jù)氟化物在低濃度、高濃度,選擇吸附法與混凝法相結(jié)合的方案。需要注意的是,在礦井污水氟化物處理過程中,應(yīng)該盡可能根據(jù)確定的工藝,設(shè)計(jì)相應(yīng)的處理設(shè)備(如活性氧化鋁除氟濾池、濾料再生系統(tǒng)的設(shè)備研發(fā)設(shè)計(jì)等),以此保障對整個(gè)除氟工藝的有效運(yùn)用。
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作者:李倩 單位:中電環(huán)保工程有限公司