疏干水深度處理工藝路線設(shè)計(jì)與分析

汪　嵐，蔡井剛，胡治平

(1 神華浙江國(guó)華寧海電廠，浙江　寧波　315612；2 神華國(guó)華電力研究院，北京　100025)

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疏干水深度處理工藝路線設(shè)計(jì)與分析

汪嵐1，蔡井剛2，胡治平2

(1 神華浙江國(guó)華寧海電廠，浙江寧波315612；2 神華國(guó)華電力研究院，北京100025)

通過(guò)介紹礦井疏干水的水質(zhì)特點(diǎn)，分析了污染物去除的化學(xué)機(jī)理；根據(jù)某處典型的疏干水水樣數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一套包含去除重金屬、硬度、硫酸根等污染物的水處理工藝路線，重點(diǎn)對(duì)工藝過(guò)程中的兩級(jí)軟化水質(zhì)變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，最后評(píng)估了該工藝路線對(duì)疏干水凈化處理的預(yù)期處理效果，并討論了工藝路線應(yīng)用實(shí)施的可行性。為礦井疏干水在火電廠的綜合利用提供了技術(shù)參考。

疏干水；重金屬；軟化；工藝路線

我國(guó)的西北部地區(qū)煤儲(chǔ)量豐富，為了充分利用地區(qū)資源優(yōu)勢(shì)，同時(shí)伴隨著輸變電技術(shù)的日新月異，越來(lái)越多的坑口電廠應(yīng)運(yùn)而生。然而發(fā)電生產(chǎn)是用水大戶，在該地區(qū)淡水資源相對(duì)匱乏的大背景下，礦井疏干水作為水源、回收使用具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。礦井疏干水的水質(zhì)受地質(zhì)構(gòu)造、各種煤系伴生礦物成分、水源特征以及所在地區(qū)環(huán)境條件的影響。在采煤、掘進(jìn)、開(kāi)拓生產(chǎn)過(guò)程中，清水中常常混入含有細(xì)菌的物質(zhì)，從而導(dǎo)致水質(zhì)較差。[1-4]因此，疏干水進(jìn)入火電廠后，必須進(jìn)行深度處理，以滿足發(fā)電生產(chǎn)的水質(zhì)要求。

1　疏干水的水質(zhì)特點(diǎn)

礦井疏干水普遍具有水源水質(zhì)復(fù)雜、多變，含鹽量、硬度(主要為永久硬度)、鐵、鋁、錳等的含量均較高的特征，表1是某一時(shí)間某礦井疏干水水質(zhì)情況。

表1　某礦井疏干水水質(zhì)情況Table 1　Water quality of drainage water in for sample

續(xù)表1

1/2Mn2+3.31mmol/L非碳酸鹽硬度58.22mmol/L全硅30.01mg/LH+1.12mmol/L碳酸鹽硬度0.00mmol/L非活性硅1.15mg/LF-0.55mmol/L負(fù)硬度0.00mmol/L鐵1568.2mg/LCl-7.98mmol/L甲基橙堿度0.00mmol/L鋁224.1mg/L1/2SO2-4153.27mmol/L酚酞堿度0.00mmol/L錳90.8mg/LHCO-30.00mmol/L酸度9.78mmol/L透明度橙黃色、不透明

礦井水樣具有的特點(diǎn)：含鹽量高；酸度高；硬度組成全部為非碳酸鹽硬度，且鈣離子和鎂離子濃度均高；COD含量高；氨氮、懸浮物、細(xì)菌等指標(biāo)也偏高；鐵、錳、Al含量極高；含有Ba，Sr等特殊元素。

2　污染物去除機(jī)理分析

2.1鐵的去除

水樣中鐵的含量極高，是主要的污染因素，其中離子態(tài)的鐵包括2價(jià)鐵和3價(jià)鐵。

由于氫氧化鐵的是不溶于水的，3價(jià)鐵離子與水中微量氫氧根反應(yīng)生成氫氧化鐵，沉淀析出。氫氧化鐵的溶度積1.1×10-36(18 ℃，數(shù)據(jù)來(lái)自蘭氏化學(xué)手冊(cè))[3]，根據(jù)溶度積推算，氫氧化鐵飽和溶液的pH為4.18，此時(shí)3價(jià)鐵離子的濃度為0.449×10-6mmol/L(2.56×10-5mg/L)。當(dāng)水溶液pH為2.8時(shí)，3價(jià)鐵離子的濃度0.0044 mmol/L(0.118 mg/L)。本水樣pH 2.95基本可以認(rèn)為基本不存在3價(jià)鐵離子。

在常溫條件下，水溶液中的2價(jià)鐵與水中的微量溶解氧反應(yīng)，生成3價(jià)鐵。反應(yīng)式如下：

4Fe2++O2+10H2O=4Fe(OH)3↓+8H+

當(dāng)水溶液pH大于7.0，為堿性環(huán)境時(shí)，2價(jià)鐵氧化、沉淀反應(yīng)如下：

4Fe2++8OH-+O2+2H2O=4Fe(OH)3↓

氫氧化亞鐵的溶度積為1.64×10-14(18 ℃，數(shù)據(jù)來(lái)自蘭氏化學(xué)手冊(cè))[3]，根據(jù)溶度積推算，氫氧化亞鐵的飽和溶液pH為9.5(18 ℃)，即當(dāng)pH升到9.5時(shí)，氫氧化亞鐵開(kāi)始飽和，產(chǎn)生沉淀析出，

此時(shí)二價(jià)鐵離子的濃度為0.016 mmol/L(0.896 mg/L)。根據(jù)上述分析，當(dāng)pH大于9.5時(shí)，大量的過(guò)飽和2價(jià)鐵形成氫氧化亞鐵沉淀析出，2價(jià)鐵的氧化、沉淀反應(yīng)變成如下：

4Fe(OH)2+2OH-+H2O+O2=4Fe(OH)3↓

2.2錳的去除

錳一般以2價(jià)狀態(tài)存在，對(duì)于2價(jià)錳離子的去除，可以通過(guò)加堿提高水溶液的pH，使2價(jià)錳以氫氧化錳的形式沉淀析出。

氫氧化錳的溶度積為4×10-14，(18 ℃，數(shù)據(jù)來(lái)自蘭氏化學(xué)手冊(cè))[3]，根據(jù)溶度積推算，氫氧化錳的飽和溶液pH為9.63(18 ℃)，即當(dāng)pH升到9.63時(shí)，氫氧化錳開(kāi)始過(guò)飽和，生成沉淀析出。此時(shí)二價(jià)錳離子的濃度為0.0215 mmol/L(1.183 mg/L)。當(dāng)溶液pH升10.0時(shí)，2價(jià)錳離子的濃度將降低到0.004 mmol/L(0.108 mg/L)。

2.3鋁的去除

鋁一般以3價(jià)離子存在于水溶液中，氫氧化鋁是不溶于水的，通過(guò)提升水溶液的pH，使3價(jià)鋁離子形成氫氧化鋁沉淀析出。

氫氧化鋁本身為兩性氫氧化物，其與酸和堿均發(fā)生反應(yīng)，其電離水解分為酸性水解和堿性水解兩種方向。氫氧化鋁堿性條件下電離時(shí)的溶度積為4.0×10-13(20 ℃，數(shù)據(jù)來(lái)自蘭氏化學(xué)手冊(cè))[2]，根據(jù)溶度積推算，氫氧化鋁酸性電離時(shí)飽和溶液的pH為9.47(20 ℃)，即當(dāng)pH升到9.47時(shí)，氫氧化鋁開(kāi)始過(guò)飽和生成沉淀析出，此時(shí)3價(jià)鋁離子的濃度為0.349 mmol/L(9.42 mg/L)。

2.4鎂的去除

鎂在水溶液中一般以2價(jià)離子狀態(tài)存在，是水中硬度的主要組成成分之一。由于氫氧化鎂是不溶于水的電解質(zhì)，對(duì)于2價(jià)鎂離子的去除，可以通過(guò)加堿提高水溶液的pH，使2價(jià)鎂離子以氫氧化鎂的形式沉淀析出。

氫氧化鎂的容度積為1.2×10-11(18 ℃，數(shù)據(jù)來(lái)自蘭氏化學(xué)手冊(cè))[3]，根據(jù)溶度積推算，氫氧化鎂的飽和溶液pH為10.46(18 ℃)，即當(dāng)pH升到10.46時(shí)，氫氧化錳開(kāi)始過(guò)飽和，生成沉淀析出，此時(shí)二價(jià)鎂離子的濃度為0.144 mmol/L(1.183 mg/L)。

2.5硫酸根的去除

硫酸根在水中一般是穩(wěn)定存在的的，通常不用去除，當(dāng)水溶液中硫酸根離子濃度過(guò)高時(shí)，可以通過(guò)過(guò)量投加鈣離子，使硫酸鈣過(guò)飽和，形成沉淀析出。

硫酸鈣的溶度積為6.1×10-5(25 ℃，數(shù)據(jù)來(lái)自蘭氏化學(xué)手冊(cè))[3]，根據(jù)溶度積推算，硫酸鈣飽和溶液中鈣離子和硫酸根離子的濃度相同，為7.81 mmol/L(Ca2+為312.4 mg/L，硫酸根為749.8 mg/L)。

2.6鈣的去除

鈣在水溶液中一般以2價(jià)離子狀態(tài)存在，是水中硬度的主要組成成分之一。由于碳酸鈣是不溶于水的電解質(zhì)，對(duì)于2價(jià)鈣離子的去除，可以通過(guò)加純堿使2價(jià)鈣離子以碳酸鈣的形式沉淀析出。

碳酸鈣的容度積為0.87×10-8(25 ℃，數(shù)據(jù)來(lái)自蘭氏化學(xué)手冊(cè))[3]，根據(jù)溶度積推算，碳酸鈣飽和溶液中鈣離子與碳酸根離子濃度相同，均為0.0938 mmol/L(18 ℃)，其中鈣離子的濃度為3.75 mg/L，碳酸根離子為5.628 mg/L。

3　疏干水處理工藝路線設(shè)計(jì)與分析

通過(guò)疏干水水質(zhì)特點(diǎn)和污染物去除機(jī)理分析，結(jié)合電廠實(shí)際用水要求，設(shè)計(jì)疏干水處理工藝路線，并進(jìn)行可行性分析。設(shè)計(jì)系統(tǒng)由曝氣堿中和除重金屬單元、軟化單元、出水調(diào)節(jié)單元組成。

工藝流程：原水→曝氣中和池→絮凝反應(yīng)池→澄清池→中間水池→軟化中和池→絮凝反應(yīng)池→澄清池→清水池→化學(xué)制水系統(tǒng)

3.1曝氣中和除重金屬單元

3.1.1設(shè)計(jì)工藝

除重金屬單元，通過(guò)投加氫氧化鈣(石灰乳)和曝氣，使pH上升到9.4，經(jīng)過(guò)混凝澄清后，上清液進(jìn)入后續(xù)處理單元，產(chǎn)生的沉淀輸送至污泥脫水系統(tǒng)。

3.1.2除重金屬單元去除量計(jì)算

(1)Al：水中溶解的鋁離子，以氫氧化鋁沉淀析出，使水中殘余鋁離子小于0.81 mg/L。原水鋁離子濃度：672.84 mg/L；鋁離子殘余濃度：小于0.82 mg/L；氫氧化鋁沉淀生成量：1941.3 mg/L；氫氧化鈣理論消耗量：2763.9 mg/L。

(2)Fe：水中溶解的二價(jià)鐵離子(原水pH 2.95，基本不存在三價(jià)鐵)通過(guò)曝氣氧化，以氫氧化鐵的形式沉淀析出，溶液中殘余鐵離子濃度小于0.118 mg/L。原水中二價(jià)鐵離子濃度：3385.2 mg/L；鐵離子殘余濃度：小于0.118 mg/L；氫氧化鐵沉淀生成量：6528 mg/L；氧氣的理論消耗量：483 mg/L；氫氧化鈣的理論消耗量：4473 mg/L。

(3)Mn：水中溶解的2價(jià)錳離子，以氫氧化錳的形式沉淀析出，根據(jù)氫氧化錳的溶度積推算，溶液中的2價(jià)錳離子濃度為3.5 mg/L。原水中二價(jià)錳離子濃度：90.02 mg/L；處理后殘余錳離子濃度：3.5 mg/L；氫氧化錳沉淀理論生成量：140 mg/L；氫氧化鈣的理論消耗量：116 mg/L。

(4)Mg：根據(jù)氫氧化鎂的溶度積推算，在溶液環(huán)境pH為9.4時(shí)，水溶液中2價(jià)鎂離子的飽和濃度為456.5 mg/L，因此水中溶解的2價(jià)鎂離子，在此過(guò)程中并不能形式沉淀析出處理后殘余鎂離子濃度為：403.3 mg/L。

(5) 硫酸根：當(dāng)水溶液中鈣濃度高時(shí)，硫酸根會(huì)因?yàn)樾纬闪蛩徕}，過(guò)飽和析出，根據(jù)前述反應(yīng)統(tǒng)計(jì)，氫氧化鈣累計(jì)投加量為7532 mg/L，鈣離子投加量為的摩爾濃度為99.35 mmol/L。當(dāng)水溶液環(huán)境pH為9.4時(shí)，根據(jù)硫酸鈣的溶度積計(jì)算：原水中硫酸根濃度為：7356.96 mg/L；反應(yīng)后硫酸根理論殘留濃度：159.6 mg/L；反應(yīng)前鈣離子濃度為：4466.2 mg/L；反應(yīng)后鈣離子理論殘留濃度：1466.2 mg/L：硫酸鈣沉淀理論生成量：10196.2 mg/L。

3.2軟化單元

3.2.1設(shè)計(jì)工藝

來(lái)自除重金屬單元的水，進(jìn)入軟化單元，通過(guò)投加氫氧化鈉和碳酸鈉，使溶液環(huán)境pH上升至10.5，降低硬度，去除水中殘余金屬離子，再經(jīng)過(guò)絮凝澄清后，上清液進(jìn)入下一處理單元。

3.2.2軟化單元去除量計(jì)算

(1)Mn：水溶液環(huán)境pH自9.4上升到10.5后，溶液中殘余的2價(jià)錳離子，以氫氧化錳的形式繼續(xù)沉淀析出。當(dāng)pH上升到10.5，根據(jù)氫氧化錳的溶度積推算，溶液中的2價(jià)錳離子殘留濃度0.022 mg/L。進(jìn)水二價(jià)錳離子濃度：3.5 mg/L；處理后殘余錳離子濃度：0.022 mg/L；氫氧化錳沉淀理論生成量：5.5 mg/L；氫氧化鈉的理論消耗量：2.47 mg/L。

(2)Mg：水溶液環(huán)境pH上升到10.5后，溶解的2價(jià)鎂離子，能夠以氫氧化鎂的形式沉淀析出，根據(jù)氫氧化鎂的溶度積推算，在溶液環(huán)境pH為10.5時(shí)，水溶液中2價(jià)鎂離子的飽和濃度為2.88 mg/L(0.12 mmol/L)。原水中2價(jià)鎂離子的濃度為：403.3 mg/L；處理后殘余鎂離子濃度為：2.88 mg/L；氫氧化鎂沉淀理論生成量：967.7 mg/L；氫氧化鈉理論消耗量：667.4 mg/L。

(3)Ca：來(lái)自除重金屬單元的上清液投加碳酸鈉去除水中的鈣硬度。溶液中的鈣離子與碳酸鈉反應(yīng)，碳酸鈣沉淀析出。根據(jù)碳酸鈣的溶度積推算，pH為10.5時(shí)，鈣離子濃度為3.75 mg/L(0.0938 mmol/L)。根據(jù)碳酸鈣的溶度積計(jì)算：反應(yīng)前中鈣離子濃度為：1466.2 mg/L(36.561 mmol/L)；反應(yīng)后鈣離子理論殘留濃度：3.75 mg/L(0.0938 mmol/L)；碳酸鈉的理論消耗量為：3875 mg/L(37.467 mmol/L)；碳酸鈣沉淀理論生成量：3656.1 mg/L(37.467 mmol/L)。

3.3水質(zhì)調(diào)節(jié)單元

經(jīng)過(guò)除重金屬和軟化處理后的礦井疏干水在位于末端的清水池中用酸將pH調(diào)節(jié)到7.5，儲(chǔ)存在清水池中，作為化學(xué)制水系統(tǒng)的入水。

pH從10.5下降至7.5的氫離子理論消耗量為：0.316 mmol/L。按100%純度鹽酸計(jì)算，酸理論消耗量為11.5 mg/L。

3.4處理效果分析

礦井疏干水按照按照以上設(shè)計(jì)的處理工藝處理后的理論效果分析：殘余硬度全部轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}硬度；重金屬基本去除；含鹽量大幅度下降；酸度得到調(diào)節(jié)；色度和懸浮物等也大幅度改善。

3.5藥品消耗量和污泥產(chǎn)量

核算處理每單位體積疏干水，各化學(xué)藥品消耗量及污泥生成量：空氣：8.38 Nm3/m3，氫氧化鈣7532 mg/L氫氧化鈉670 mg/L碳酸鈉3875 mg/L污泥產(chǎn)生量23649.8 mg/L。

其中：根據(jù)理論計(jì)算，氧氣消耗量約為483 mg/L，每標(biāo)方空氣中氧氣的質(zhì)量約為0.29 kg，氧氣利用效率一般為20%，推算出曝氣量為8.38 Nm3/m3疏干水。污泥生成量是氫氧化鋁、氫氧化鐵、硫酸鈣、氫氧化鎂、氫氧化錳、碳酸鈣沉淀量和原水中懸浮物之和。

4　結(jié)　論

工藝路線中除去了疏干水中大部分污染物，包括重金屬、硬度，極大的降低了水的含鹽量，水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到電廠用水的要求。

(1)利用石灰乳+純堿兩級(jí)軟化，高效的去除鐵、鋁、鈣、鎂等金屬元素，軟化混凝澄清集成工藝的應(yīng)用目前已較為成熟。

(2)利用了原水中硫酸根含量高的特點(diǎn)，在去除硫酸根的同時(shí)去除了大量的鈣，大大減少了純堿的消耗量。

(3)設(shè)計(jì)工藝較為成熟，工程應(yīng)用的可行性高，可作為疏干水深度處理工藝路線設(shè)計(jì)的理論參考。

[1]王天平,解建倉(cāng), 張建龍,等.基于突變理論的西王寨礦區(qū)礦井疏干水開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,26(4):417-418.

[2]高燕寧,張立軍,孫小軍,等.礦井疏干水回用于大型火力發(fā)電廠[J].中國(guó)給水排水，2013,29(16):61-62

[3]劉崗,馬光路.火電廠煤礦疏干水利用存在的問(wèn)題及應(yīng)用討論[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù),2010,28(z2):14.

[4]穆金霞,高午.礦井疏干水利用與處理技術(shù)研究[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2012(6):45.

[5]Dean J A. Lange’s Handbook of Chemistry[M].Mcgraw-hill Companies,Inc,1998:103-120.

Design and Analysis of Technical Route for Mine Dewatering Water Treatment

WANGLan1，CAIJing-gang2，HUZhi-ping2

(1 Shenghua Guohua Ninghai Power Plant, Zhejiang Ningbo 315612;2 Shenghua Guohua Electric Research Institute, Beijing 100025, China)

Through the mine drainage water quality characteristic, the chemical mechanism of pollutants removal was analyzed. According to somewhere typical drainage water sample data, a water treatment process for removal of heavy metal, hardness, the sulfate and other pollutants was designed, focus on process of two-stage softening water quality changes in the data analysis and calculation, the desired treatment effect of the sparse dry water purification by the process route was evaluated, and the feasibility of process route application was discussed. It provided a technical reference for the comprehensive utilization of mine drainage water in thermal power plant.

mine dewatering water; heavy metal; demineralize; process route

汪嵐( 1981-) ，男，本科，畢業(yè)于華東理工大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，工程師，主要從事火電廠化學(xué)及環(huán)保相關(guān)技術(shù)。

TQ110.9

A

1001-9677(2016)08-0174-03