多糖生物絮凝剂在酸性煤矿废水处理中的应用

Posted 2023-01-12 多糖

篇首语：富贵不淫贫贱乐，男儿到此是豪雄。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了多糖生物絮凝剂在酸性煤矿废水处理中的应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

研究了运用石灰中和沉淀法处理贵州某酸性煤矿废水的处理效果，使用多糖生物絮凝剂代替了传统的无机(聚氯化铝，PAC)和有机絮凝剂(聚丙烯酰胺，PAM)。在pH为9，以1∶10的气水比曝气10min，沉降时间为1min的条件下，单位废水石灰添加量为3kg/m3，多糖生物絮凝剂投加量为30g/m3，絮凝沉淀后的上清液中铁、锰含量均达到了《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)标准，可直接排放。
煤矿酸性废水是我国煤矿废水污染中对生态环境破坏最大的污染源之一，其对煤矿的排水设施、钢轨及其他机电设备均具有很强的腐蚀性，严重时危害矿工安全，影响井下采煤生产。若直接排放，将污染地表水和地下水资源及土地资源，危害农作物、水生生物和人类健康，还会使矿区地下水资源大面积疏干，造成地下水的浪费。综上所述，煤矿酸性废水因其量大、面广、污染严重、治理程度低而成为制约煤矿可持续发展的一大障碍。
煤矿酸性废水的形成过程非常复杂，是煤层中夹杂的硫铁矿经过一系列氧化、水解等反应后生成的，是一系列物理、化学和生物过程相互作用的结果。其形成机制为：①在氧和水存在的条件下，煤层或岩层中硫铁矿被氧化，生成硫酸和亚铁离子；②在酸性条件下，亚铁离子被进一步氧化为铁离子；③由于铁和锰离子的水解，增加了矿井水的酸度。
贵州省煤炭资源丰富，煤及煤化工是贵州的重要产业，但是在煤炭开采过程中对环境会产生较大的影响，特别是贵州省大量煤矿矿层含硫量较高，产生的煤矿废水呈酸性，且铁锰含量较高。目前，广泛应用的处理方法主要为石灰中和沉淀法，处理过程中由于使用了PAC、PAM，使Al 3+和PAM单体残留在水体中，排放到饮用水源地，对环境造成了二次污染[3，4]。
高分子生物絮凝剂具有絮凝活性高、无毒无害、无二次污染、易生物降解、应用范围广等优点[5，7]。研究采用威海汉邦生物环保科技有限公司利用生物酶法合成的多糖物质作为混凝剂，用以处理酸性煤矿废水，并分析影响多糖微生物絮凝剂絮凝能力的因素，包括pH、絮凝剂加入量、曝气强度、曝气时间。同时研究多糖生物絮凝剂处理酸性煤矿废水的系统集成，最大限度地提高混凝效果，以期为环保类混凝剂技术研究的推广提供参考。
1 试验材料和方法
1.1 试验材料
仪器：ZR4—4混凝试验搅拌机，增氧泵(山本8000)，电感耦合等离子光谱发生仪(ICP-OES PE2100DV)。
药品：多糖生物絮凝剂，工业用石灰，水样：贵州某酸性矿井废水，水体透明呈淡黄色，长时间暴露空气中后呈红褐色，其水质指标见表1。

1.2 试验方法
铁锰去除率的测定方法：向500mL烧杯中加入200mL待测水样，调节pH，向水样中滴加石灰乳直至水样不再出现绿色，同时曝气。加入多糖生物絮凝剂(15g/L，下同)，用ZR4—4混凝试验搅拌机以150r/min的转速搅拌30s后，静置1min，取水样的上清液，用电感耦合等离子光谱发生仪测定其中的铁和锰含量，其去除率(%)计算式分别见式
(1)、式
(2)。
铁去除率=[(AFe-BFe)/AFe]×100%
(1)
AFe———原水水样中的铁含量，mg/L；
BFe———处理后上清液中的铁含量，mg/L。锰去除率=[(AMn-BMn)/AMn]×100%
(2)
AMn———原水水样中的锰含量，mg/L；
BMn———处理后上清液中的锰含量，mg/L。
2.试验结果与讨论
2.1 pH对铁、锰去除率的影响
取200mL原水，向水样中滴加石灰乳直至水样不再出现绿色，继续添加石灰乳，分别调节pH为6、7、8、9、10、11、12，水气比1∶15，曝气10min后，加入0.4mL 15g/L多糖生物絮凝剂，以150r/min的转速搅拌30s，静置沉淀1min后取上清液测定金属含量，并计算出铁、锰的去除率，相关试验结果见图1。

由图1可知，pH对铁、锰去除率有较大影响，随着pH的升高，铁、锰去除率逐渐增大，这是由于pH的增高促进了氢氧化铁、氢氧化锰沉淀的生成及絮凝剂分子链上-OH和-COO-的水解，使分子链伸展，并通过改变絮凝剂分子和胶体颗粒的表面电荷，从而有效的对氢氧化铁、氢氧化锰颗粒进行吸附架桥。当pH达到8时，铁的去除率达到最大，为99.99%，此时锰的去除率为87.65%。可能由于氢氧化锰的溶度积较氢氧化铁的大，锰的去除率在pH为9时达到最大，为99.01%。当pH高于9时，铁去除率开始下降。由于该废水原水pH分别为3.1，需投加碱调节pH，且pH分别为9、10时锰去除率均为99%，低于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中锰含量小于0.1mg/L的标准，考虑到废水处理成本问题，确定最佳的pH为9，此时石灰添加量为0.6g，即单位废水添加量为3kg/m3。
2.2 多糖生物絮凝剂投加量对铁、锰去除率的影响
取200mL水样，调节pH为9，气水比1∶15的条件下曝气10min后，分别加入0.1mL、0.2mL、0.3mL、0.4mL、0.5mL、0.6mL多糖生物絮凝剂，废水中生物絮凝剂的相应浓度为7.5mg/L、15mg/L、22.5mg/L、30mg/L、37.5mg/L、45mg/L，以150r/min的转速搅拌30s，静置沉淀1min后取上清液测定金属含量，并计算相关试验结果，见图2。

由图2可知，随着絮凝剂投加量的增加，铁、锰去除率逐渐增加。多糖生物絮凝剂对该废水中铁、锰的去除效果极佳，极低的用量就可使铁浓度降至0.03mg/L以下，去除率高达99.9%，锰浓度降至0.1mg/L以下，去除率高达99%。在该试验条件下，当絮凝剂投加量为0.3mL时铁去除效果最好，上清液中剩余铁含量为0.023mg/L，去除率高于99.99%。当投加量高于此值时，去除率有所下降。锰残留量在投加量为0.4mL时达到最低值，而后随多糖生物絮凝剂的投加量增加，上清液中锰残留量开始增多。产生这种现象的原因主要为：当絮凝剂投加量较小时，可以用于颗粒间架桥的高分子数目过少，颗粒物未充分脱稳；随着投加量的增加，可用于架桥的高分子数增加，脱稳效果增强；而当投加量过多时，由于胶体颗粒被絮凝剂包围，阻碍了颗粒继续絮凝而导致的再稳现象[8，9]。因此，锰对环境影响较铁大，综合考虑铁去除率、锰去除率和对环境的影响，确定絮凝剂最佳投加量为0.4mL，即30mg/L，单位废水多糖生物絮凝剂投加量为30g。
2.3 气水比对铁、锰去除率的影响
取200mL水样，调节pH为9，分别在气水比分别为1∶5、1∶8、1∶10、1∶15、1∶20条件下曝气10min，加入0.4mL多糖生物絮凝剂，以150r/min的转速搅拌30s，静置沉淀1min后取上清液测定铁、锰含量，相关试验结果见图3。

由图3可知，在上述试验条件下，增大气水比可以提高金属去除率。气水比对铁的去除影响大于对锰去除率的影响。当气水比为1∶10时，铁去除率高于99.99%，锰去除率为98.91%，此时上清液中残留铁含量为0.022mg/L，锰含量为0.905mg/L，均已达到出水标准。之后随气水比的增大去除率保持稳定。当气水比大于1∶15时，随着气水比的增加，两种离子的去除率均出现了下降。气水比对铁的去除有很大影响是由于原水中的铁主要以二价铁的形式存在，曝气可促进将二价铁的羟基络合物氧化为三价铁的羟基络合物，三价铁的羟基络合物可不断形成多核络合物，直至形成稳定的氢氧化铁。随着气水比的增加，水中溶解氧含量增加，所形成的稳定的氢氧化铁的量增加，有利于铁与絮凝剂发生架桥作用从而从水中去除。曝气同时对絮体有一定的搅拌作用，随着气水比的增加，搅拌强度增加。初步判定气水比1∶15之后去除率的下降是由搅拌过度阻碍了大颗粒的形成，不利于与絮凝剂发生架桥作用。综合考虑曝气成本和去除率，确定最佳气水比为1∶10。
2.4 曝气时间对铁、锰去除率的影响
取200mL原水水样，加石灰乳，调节pH至9，气水比为1∶10，分别设曝气时间2min、5min、10min、15min、20min，曝气结束后加入0.4mL微生物絮凝剂，以150r/min的转速搅拌30s，静置沉淀1min后取上清液测定铁、锰含量，计算去除率，相关结果见图4。

由图4可知，在上述试验条件下，延长曝气时间可以提高铁、锰去除率。曝气时间对铁去除率的影响大于对锰去除率的影响。当曝气时间为10min时，上清液中铁含量为0.023mg/L，锰含量为0.087mg/L。当曝气时间大于10min时，随着曝气时间的增加，铁的去除率有略微的下降，锰的去除率不变。曝气时间影响水中氧含量，从而影响废水中还原态金属离子的羟基络合物向氧化态金属离子的羟基络合物转化，进而影响铁锰的去除率。其原理与曝气强度对铁锰去除率的影响基本相同。综合考虑曝气成本和去除率，确定最佳曝气时间为10min。
3.总结
本文通过研究由多糖生物絮凝剂对贵州某酸性煤矿废水中铁、锰的去除，得出以下结论：
(1)多糖生物混凝剂具有较高效率，短时间内即可取得显著地去除效果，还可解决传统的无机和有机絮凝剂产生的二次污染的问题。其应用范围广，在碱性范围内均有较强的絮凝能力。将其应用于酸性煤矿废水，对铁锰均有很好的去除效果。
(2)在pH为9，生物絮凝剂投加量为30mg/L，以1∶10的气水比曝气10min，沉降时间为1min的条件下，铁离子去除率即可高达99.99%，锰离子去除率高达99%，出水中残留铁锰含量远低于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)标准。