基于微絮凝的矸石渣深床过滤处理矿井废水试验研究

Posted 2023-01-12 絮凝

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采用微絮凝工艺，选取煤矸石渣为滤料，对微污染矿井废水进行过滤试验，研究了絮凝剂投加量、滤柱截污性能、反冲洗情况及出水效果。试验结果表明，基于微絮凝的矸石渣深床过滤工艺具有较好的去除浊度和总铁的功能。处理工艺简捷，可节省药剂费和运行管理费。
0 前言
煤矿矿井废水是一种既具有行业特征的污染源，又是一种宝贵的水资源。因此实现矿井废水的资源化，不仅能缓解矿区缺水的状况，又会带来一定的环境和经济效益[1，2]。
矿井废水治理与资源化按不同的水质采取不同的工艺和方法。对仅含悬浮物的矿井废水，采用混凝、沉淀、过滤、消毒处理工艺就可以满足一般工业回用水的要求，技术成熟。但此传统工艺具有絮凝剂用量大、占地面积大等缺点[3～5]。微絮凝—深床过滤工艺是处理低温低浊度水的有效方法，它是将原水经微絮凝后快速进入滤床进行接触过滤，使出水达标，而且投药量相对较少，占地面积较小。因此，对矿井废水采用该工艺具有良好的应用前景[6～13]。
1 试验装置
1.1 试验内容
试验装置如图1所示。装置采用内径140mm，高2m的有机玻璃柱。滤柱上设有进出水管、溢流管和反冲洗排水管，侧向每隔250mm设有取样口。原水经加药快速搅拌形成微絮凝后由泵直接送入滤柱顶端，滤后水由滤柱底部出水管排出。

1.2 测试项目及方法
按出水的考察指标，测试项目包括：浊度(SGZ—1A数显浊度仪，上海悦丰仪器仪表有限公司)；硬度(EDTA滴定法)；TDS(重量法)；总铁(邻菲啰啉分光光度法)。
1.3 试验水质与回用目标
试验用水采用某矿井废水，出水要求达到《污水再生利用工程设计规范》(GB 50335—2002)中的再生水用作冷却水水质控制指标，如表1所示。

1.4 滤料选取
试验所用煤矸石渣滤料取自于某煤矸石热电厂，矸石渣具有多孔结构，空隙率较高，比表面积较大，且有一定的吸附作用。该煤矸石渣有一定的机械强度，表面粗糙，密度约2.2g/cm3。由于该厂预先对煤矸石进行破碎处理，因此，该炉渣粒径较小且均匀，考虑到使用上的方便，使用前对矸石渣进行筛分，并按一定的级配装填，滤料筛分级配见表2。

2.试验结果与分析
2.1 最佳投药量的确定
为确定絮凝剂最佳投药量，进行了3组投药量试验，PAC(聚氯化铝)分别为20mg/L、10mg/L、5mg/L；PAM(聚丙烯酰胺)分别为2.5mg/L、1.25mg/L、0.625mg/L。每组投药量过滤5h，滤速为5～6m/h，处理水量为400L，每隔1h测出水浊度和总硬度。原水浊度16.9NTU，硬度421.6mg/L，试验结果见表3。

由表3可知，投药量对出水效果影响较大。前两组试验出水水质较好，5h内的出水浊度均小于1NTU，硬度去除率为30%左右，且第二组更优。第三组试验出水效果相对较差，因此确定本试验微絮凝PAC+PAM的最佳投药量为(10+1.25)mg/L。
2.2 污染物去除效果
试验对浊度、总硬度、溶解性总固体、总铁的去除效果见图2～图5。

由图2可知，试验过程中，进水浊度为18.9～25.8NTU，出水浊度0.4～4.5NTU，去除率为77.06%～98.39%，平均去除率为93.26%。工艺对浊度的去除效果较好且稳定。
图3中，进水总硬度475.6mg/L～520.8mg/L，出水总硬度339mg/L～427mg/L，去除率为11.48%～30.91%，去除效果较好。

从图4可以看出，进水溶解性总固体589mg/L～1 022mg/L，出水溶解性总固体538mg/L～912mg/L，去除率为3.46%～13.8%，平均去除率8.4%。由试验结果可知，微絮凝—过滤对TDS的去除效果一般。

图5中，进水总铁0.625mg/L～1.236mg/L，出水总铁0.037mg/L～0.159mg/L，去除率为84.32%～95.51%，平均去除率89.84%。进水中总铁有所起伏，但出水均小于0.2mg/L，去除效果较好。

2.3 不同高度滤层的截污能力
为了考察滤床的截污能力，定时在滤柱不同高度的取样口取水，测其浊度。随着过滤时间的延长，滤柱不同高度的浊度情况见图6。

由图6可知，滤柱上层发挥了主要的截污作用。在5h时，200mm高度滤层的出水浊度为11.55.9NTU，去除率达72%。随着过滤时间的延长，下层的滤料截污作用增强。当过滤时间为20h时，200mm高度出水浊度18.2NTU，去除率仅为15%；450mm高度出水浊度15.5NTU，去除率为27.5%；700mm高度时出水浊度10.2NTU，去除率52.3%；950mm高度出水7.2NTU，去除率66.35%。可见，以煤矸石渣为滤料的微絮凝工艺能很好的发挥滤层中滤料的截污能力，微絮凝体可以穿过滤料层表面，进入滤层中间，使较深层的滤料也能吸附、截留到微絮凝体。因而比一般过滤法增大了含污层厚度，即增大了滤层的截污能力。此外，试验滤料的选取为不均匀系数较大的不同粒径的不均匀搭配，为变孔隙过滤，有利于下层滤料充分发挥截污性能。
2.4 滤柱反冲洗
试验采用高速反冲洗，根据反冲洗出水浊度确定反冲洗时间为13min，反冲洗总用水量为138L，约为周期产水量的5%，滤床膨胀率e约为11%，反冲洗强度为11.5L/(m2.s)。
3 结论
(1)以煤矸石碴为滤料的微絮凝过滤工艺对浊度、总铁去除效果较好，但对总硬度和溶解性总固体的去除效率有限。
(2)以煤矸石碴为滤料的微絮凝过滤工艺具有出水效果好、投药量小、过滤周期较长的特点。
(3)煤矸石炉渣滤层空隙率大，纳污能力强，利于实现絮凝和沉淀过程的结合，滤床的表层截污能力强，同时深层滤料的截污能力也得到了一定发挥。经过处理后，出水可用作工业循环系统补充水。