聚丙烯酰胺殘留物在礦井水處理中的遷移規律

郭中權毛維東肖 艷馬 賽

(中煤科工杭州研究院有限公司,浙江杭州 311201)

礦井水是伴隨煤炭開采而排出的廢水,同時又是一種可利用的水資源[1-5]。近年來,我國在礦井水的處理技術與資源利用方面進行了大量試驗研究與工程應用[6-11]。對礦井水的處理通常采用混凝沉淀(澄清)+過濾的工藝[12],為提高處理效果,在處理過程中投加絮凝劑,聚丙烯酰胺(PAM)作為一種高效絮凝劑被廣泛應用于礦井水處理過程中[13]。

丙烯酰胺(AM)為聚丙烯酰胺的單體,作為聚丙烯酰胺殘留物存在于礦井水處理環節中。目前,在礦井水處理方面,對PAM 投加量、投加方式和優化條件的研究較多[14-19],但對其殘留物的研究較少。而AM 已被國家癌癥中心列為ⅡA 類致癌物,世界衛生組織及我國《生活飲用水標準》(GB5749—2006 )規定AM最高限量不超過0.000 5 mg/L,因此開展聚丙烯酰胺殘留物在礦井水水處理中的遷移規律研究具有重要意義。

筆者對10 個礦區礦井水處理中澄清(沉淀)和過濾出水中AM 進行檢測,研究其在礦井水處理中的遷移規律。同時,以冀中能源邢東礦井水為原水,實驗研究PAM 投加量、分子量、水解度、礦井水pH 值及含鹽量對AM 遷移規律的影響。

1 水樣采集與實驗

1.1 水樣采集檢測

在山西、陜西和河北的共10 個礦區進行礦井水采樣,樣品現場調研情況見表1。

AM 的分析檢測采用氣相色譜法ECD 檢測器國標法。濁度采用HACH2011Q 型便攜式濁度儀現場測定,電導率采用DDS-307 電導率儀測定,pH 值采用WTWMulti340i 多參數水質分析儀測定。

表1 現場采樣與調研情況Table 1 On-site sampling and investigation

1.2 實驗部分

1.2.1 實驗水樣

實驗水樣為邢臺邢東礦區礦井水。

1.2.2 實驗裝置及方法

針對PAM 的分子量、投加量、水解度、原水含鹽量與pH 值5 種因素分別進行混凝沉淀與過濾實驗。

混凝沉淀實驗裝置采用中潤ZR4-6 混凝試驗攪拌儀。實驗裝置控制參數為:混合時間為1 min,轉速為120 r/min;反應時間為10 min,轉速為60 r/min;沉淀時間為10 min。沉淀結束后,取其上清液進行有關指標的測定,其余處理水進入過濾裝置進行處理。

過濾實驗裝置為直徑100 mm 有機玻璃管,濾柱高2 000 mm,內部由上而下分別裝有600 mm 高的石英砂濾料和200 mm 高的礫石。

實驗過程主要監測AM 質量濃度和濁度。

2 結果與討論

2.1 采集水樣檢測分析

通過對水樣進行AM 質量濃度檢測以及相關水質指標的實驗測定,其結果見表2。

表2 采集水樣檢測與實驗結果Table 2 Test and experimental results of water sample collection

由表2可知,因礦井水原水水質、PAM 投加量與PAM 性能不同等,各礦井水AM 的質量濃度在澄清和過濾兩個處理環節中差別較大,以及過濾過程對AM 質量濃度的去除率也不盡相同,在調研的10 個礦井水處理中,有80%的澄清(沉淀)池出水AM 質量濃度＞0.000 5 mg/L,在0.001 7～0.087 5 mg/L,有60%的過濾出水AM 質量濃度＞0.000 5 mg/L,在0.001 1～0.076 7 mg/L,過濾過程對AM 的去除率在12.3%～99.1%,說明礦井水常規處理難以保證丙烯酰胺質量濃度滿足飲用水標準。而100%反滲透產水中AM 質量濃度<0.000 5 mg/L。

2.2 PAM 投加量對遷移規律的影響

根據各礦區礦井水處理的PAM 加藥量調研結果,其中投加量的最大值為2.5 mg/L,最小值為0.5 mg/L,確定本實驗采用PAM 投加量為0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 mg/L,分子量為1 200 萬,聚合氯化鋁(PAC)投加量為80 mg/L,然后進行混凝沉淀與過濾實驗。對實驗處理后的水樣進行監測,其結果如圖1所示。

圖1 PAM 投加量對AM 質量濃度與出水濁度的影響Fig.1 Effect of PAM dosage on AM content and effluent turbidity

由圖1可以看出,在出水濁度方面,礦井水經過混凝沉淀和過濾處理后,出水濁度均在3 NTU 以下,且在PAM 投加量為1.5 mg/L 時處理效果最好,出水濁度為1.53 NTU。2 個處理環節的出水濁度隨PAM投加量的增加均呈現先減少后增加的趨勢,這是因為初期隨著PAM 投加量的增加,PAM 較好的架橋和網捕作用能夠促進水中顆粒物的凝聚和沉降,使出水濁度降低,但當PAM 投加到一定量時,PAM 的這種作用達到平衡,繼續增加PAM 投加量,PAM 能夠吸附部分PAC 和膠粒,從而降低混凝沉淀作用,出水濁度升高[15]。出水AM 胺含量在2 個處理環節的變化趨勢均為先減后增,在PAM 投加量為1.0 mg/L 時達到最低,其在混凝沉淀后出水和過濾后出水分別為0.024 mg/L 和0.013 mg/L,同時隨著PAM 投加量增加,AM 質量濃度增長速率加快,當PAM 投加量為2.5 mg/L 時,AM 質量濃度已經達到0.12 mg/L。通過數據分析,在此實驗條件下,過濾過程對AM 的去除率介于35.6%～53.3%。

當PAM 投加量為1.0 mg/L 時濾池出水濁度為2.10 NTU,AM 含量最低,因此,此礦井水處理的PAM 最佳投加量為1.0 mg/L。

2.3 PAM 分子量對遷移規律的影響

據調研結果,各礦井水處理選用的PAM 分子量介于600 萬～1 800 萬,本實驗采用的PAM 分子量分別為500 萬、800 萬、1 000 萬、1 200 萬、1 500 萬,1 800 萬,投加量均為1.0 mg/L,PAC 投加量為80 mg/L,共進行6 組混凝沉淀與過濾實驗,其結果如圖2所示。

圖2 PAM 分子量對AM 質量濃度與出水濁度的影響Fig.2 Effect of molecular weight of PAM on AM content and effluent turbidity

由圖2可以看出,礦井水經混凝沉淀和過濾處理后的出水濁度與AM 質量濃度均隨PAM 分子量的升高呈現先降低后升高的趨勢。2 個指標在PAM 分子量為1 200 萬時達到最低,此時2 個處理環節的出水濁度分別為3.02 NTU 與1.53 NTU,AM 質量濃度分別為0.024 與0.014 mg/L;在不同PAM 分子量的處理條件下,過濾過程對AM 的去除率介于40.6%～53.8%。

綜上所述,從處理效果、處理效率以及經濟性角度來看,選用分子量為1 200 萬的PAM 處理效果最好。

2.4 PAM 水解度對遷移規律的影響

選用分子量為1 200 萬的不同水解度的PAM 進行實驗分析,水解度分別為5%(低水解度),22%(中水解度),30%(高水解度),投加量均為1.0 mg/L,PAC 投加量為80 mg/L,結果如圖3所示。

由圖3可以看出,兩項指標均在PAM 水解度為22%時最低,此時處理效果最好,兩個處理環節的出水濁度分別為3.29 NTU 與1.59 NTU,AM 質量濃度分別為0.01 與0.005 8 mg/L;PAM 水解度為5%時的處理效果較差。

圖3 PAM 水解度對AM 質量濃度與出水濁度的影響Fig.3 Effect of PAM hydrolysis degree on AM content and effluent turbidity

綜上所述,選用中水解度(20%～25%)的PAM處理礦井水效果最好。

2.5 原水pH 值對遷移規律的影響

通過對原水加酸或加堿進行pH 調節,使原水pH 值分別處于3,5,7,9 進行4 組混凝沉淀實驗與過濾實驗,實驗過程PAM 的投加量均為1.0 mg/L,分子量為1 200 萬,PAC 的投加量為80 mg/L,實驗結果如圖4所示。

圖4 原水pH 值對AM 質量濃度與出水濁度的影響Fig.4 Effect of pH value of raw water on AM content and effluent turbidity

由圖4可以看出pH 值為7 時混凝沉淀與過濾效果最佳,出水濁度與AM 質量濃度均達到最低,分別為0.002 6 和0.001 2 mg/L。當pH 值過低(原水呈酸性)時PAC 水解反應受到抑制,降低了混凝過程中的架橋作用,難以形成較大絮體,絮凝效果較差;當pH 過高(原水呈堿性)時PAC 溶解成絡合離子而降低混凝效果[20],堿性環境對濁度去除的影響不大,但明顯增加AM 質量濃度。在此條件下,過濾過程對AM 有32.4%～53.8%的去除率。

2.6 原水含鹽量對遷移規律的影響

通過礦井水原水與不同量的NaCl 溶液,CaCl2溶液、NaHCO3溶液、去離子水進行調配,使其具有不同含鹽量。含鹽量通過電導率表示,實驗控制水樣的電導率分別為1 000,2 000,3 000,4 000,5 000 μS/cm,進行5 組混凝沉淀實驗與過濾實驗,實驗過程PAM的投加量1.0 mg/L,分子量為1 200 萬,PAC 的投加量為80 mg/L,實驗結果如圖5所示。

圖5 含鹽量對AM 質量濃度與出水濁度的影響Fig.5 Effect of salt content on AM content and effluent turbidity

由圖5可知,2 個處理環節的出水濁度均隨含鹽量的增加逐漸降低,說明增加原水含鹽量對濁度的去除具有一定的促進作用,而2 個環節的出水AM 質量濃度隨著電導率的增加呈現先減小后增加的趨勢,其在電導率為2 000 μS/cm 時達到最低值,其值分別為0.015 與0.006 8 mg/L。由圖5還可以看出,不同含鹽量處理條件下的濾后出水濁度均在2 NTU 以下,均能很好滿足排放要求,同時過濾過程對AM 有42.1%～58.3%的去除率。

3 結 論

(1)礦井水原水水質、PAM 投加量與PAM 性能對澄清和過濾2 個處理環節AM 的質量濃度影響較大,在調研的10 個礦區的礦井水處理中,過濾過程對AM 的去除率在12.3%～99.1%。

(2)針對邢東礦井水,在PAM 投加量0.5～2.5 mg/L、分子量500 萬～1 800 萬、水解度5%～30%,PAC 投加量為80 mg/L 的試驗條件下,濾后出水濁度均能達到5 NTU 以下,出水AM 質量濃度均隨各因素水平的增加呈先減后增的變化趨勢。過濾過程對AM 去除率在30.0%～58.3%。

(3)當PAM 分子量為1 200 萬、水解度為22%,原水pH 值為7、電導率為2 000 μS/cm 時,出水AM質量濃度達到最低。

(4)礦井水常規處理難以保證出水AM 質量濃度滿足飲用水標準,出水作為飲用水時需考慮PAM 選型和投加量的優化,或采用反滲透等膜技術處理。