郭中權(quán)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(shù)與資源利用方面進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究與工程應(yīng)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(yīng)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(huán)節(jié)中。目前,在礦井水處理方面,對PAM 投加量、投加方式和優(yōu)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(wèi)生組織及我國《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006 )規(guī)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(guī)律研究具有重要意義。

筆者對10 個礦區(qū)礦井水處理中澄清(沉淀)和過濾出水中AM 進(jìn)行檢測,研究其在礦井水處理中的遷移規(guī)律。同時,以冀中能源邢東礦井水為原水,實(shí)驗(yàn)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(guī)律的影響。

1 水樣采集與實(shí)驗(yàn)

1.1 水樣采集檢測

在山西、陜西和河北的共10 個礦區(qū)進(jìn)行礦井水采樣,樣品現(xiàn)場調(diào)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(biāo)法。濁度采用HACH2011Q 型便攜式濁度儀現(xiàn)場測定,電導(dǎo)率采用DDS-307 電導(dǎo)率儀測定,pH 值采用WTWMulti340i 多參數(shù)水質(zhì)分析儀測定。

表1 現(xiàn)場采樣與調(diào)研情況Table 1 On-site sampling and investigation

1.2 實(shí)驗(yàn)部分

1.2.1 實(shí)驗(yàn)水樣

實(shí)驗(yàn)水樣為邢臺邢東礦區(qū)礦井水。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)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(jìn)行混凝沉淀與過濾實(shí)驗(yàn)。

混凝沉淀實(shí)驗(yàn)裝置采用中潤ZR4-6 混凝試驗(yàn)攪拌儀。實(shí)驗(yàn)裝置控制參數(shù)為:混合時間為1 min,轉(zhuǎn)速為120 r/min;反應(yīng)時間為10 min,轉(zhuǎn)速為60 r/min;沉淀時間為10 min。沉淀結(jié)束后,取其上清液進(jìn)行有關(guān)指標(biāo)的測定,其余處理水進(jìn)入過濾裝置進(jìn)行處理。

過濾實(shí)驗(yàn)裝置為直徑100 mm 有機(jī)玻璃管,濾柱高2 000 mm,內(nèi)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(shí)驗(yàn)過程主要監(jiān)測AM 質(zhì)量濃度和濁度。

2 結(jié)果與討論

2.1 采集水樣檢測分析

通過對水樣進(jìn)行AM 質(zhì)量濃度檢測以及相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)測定,其結(jié)果見表2。

表2 采集水樣檢測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test and experimental results of water sample collection

由表2可知,因礦井水原水水質(zhì)、PAM 投加量與PAM 性能不同等,各礦井水AM 的質(zhì)量濃度在澄清和過濾兩個處理環(huán)節(jié)中差別較大,以及過濾過程對AM 質(zhì)量濃度的去除率也不盡相同,在調(diào)研的10 個礦井水處理中,有80%的澄清(沉淀)池出水AM 質(zhì)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(zhì)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(guī)處理難以保證丙烯酰胺質(zhì)量濃度滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)。而100%反滲透產(chǎn)水中AM 質(zhì)量濃度<0.000 5 mg/L。

2.2 PAM 投加量對遷移規(guī)律的影響

根據(jù)各礦區(qū)礦井水處理的PAM 加藥量調(diào)研結(jié)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行混凝沉淀與過濾實(shí)驗(yàn)。對實(shí)驗(yàn)處理后的水樣進(jìn)行監(jiān)測,其結(jié)果如圖1所示。

圖1 PAM 投加量對AM 質(zhì)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(jīng)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(huán)節(jié)的出水濁度隨PAM投加量的增加均呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢,這是因?yàn)槌跗陔S著PAM 投加量的增加,PAM 較好的架橋和網(wǎng)捕作用能夠促進(jìn)水中顆粒物的凝聚和沉降,使出水濁度降低,但當(dāng)PAM 投加到一定量時,PAM 的這種作用達(dá)到平衡,繼續(xù)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(huán)節(jié)的變化趨勢均為先減后增,在PAM 投加量為1.0 mg/L 時達(dá)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(zhì)量濃度增長速率加快,當(dāng)PAM 投加量為2.5 mg/L 時,AM 質(zhì)量濃度已經(jīng)達(dá)到0.12 mg/L。通過數(shù)據(jù)分析,在此實(shí)驗(yàn)條件下,過濾過程對AM 的去除率介于35.6%～53.3%。

當(dāng)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(guī)律的影響

據(jù)調(diào)研結(jié)果,各礦井水處理選用的PAM 分子量介于600 萬～1 800 萬,本實(shí)驗(yàn)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(jìn)行6 組混凝沉淀與過濾實(shí)驗(yàn),其結(jié)果如圖2所示。

圖2 PAM 分子量對AM 質(zhì)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(jīng)混凝沉淀和過濾處理后的出水濁度與AM 質(zhì)量濃度均隨PAM 分子量的升高呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。2 個指標(biāo)在PAM 分子量為1 200 萬時達(dá)到最低,此時2 個處理環(huán)節(jié)的出水濁度分別為3.02 NTU 與1.53 NTU,AM 質(zhì)量濃度分別為0.024 與0.014 mg/L;在不同PAM 分子量的處理?xiàng)l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(jīng)濟(jì)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(guī)律的影響

選用分子量為1 200 萬的不同水解度的PAM 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出,兩項(xiàng)指標(biāo)均在PAM 水解度為22%時最低,此時處理效果最好,兩個處理環(huán)節(jié)的出水濁度分別為3.29 NTU 與1.59 NTU,AM 質(zhì)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(zhì)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(guī)律的影響

通過對原水加酸或加堿進(jìn)行pH 調(diào)節(jié),使原水pH 值分別處于3,5,7,9 進(jìn)行4 組混凝沉淀實(shí)驗(yàn)與過濾實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 原水pH 值對AM 質(zhì)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(zhì)量濃度均達(dá)到最低,分別為0.002 6 和0.001 2 mg/L。當(dāng)pH 值過低(原水呈酸性)時PAC 水解反應(yīng)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(dāng)pH 過高(原水呈堿性)時PAC 溶解成絡(luò)合離子而降低混凝效果[20],堿性環(huán)境對濁度去除的影響不大,但明顯增加AM 質(zhì)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(guī)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(jìn)行調(diào)配,使其具有不同含鹽量。含鹽量通過電導(dǎo)率表示,實(shí)驗(yàn)控制水樣的電導(dǎo)率分別為1 000,2 000,3 000,4 000,5 000 μS/cm,進(jìn)行5 組混凝沉淀實(shí)驗(yàn)與過濾實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 含鹽量對AM 質(zhì)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(huán)節(jié)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(jìn)作用,而2 個環(huán)節(jié)的出水AM 質(zhì)量濃度隨著電導(dǎo)率的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢,其在電導(dǎo)率為2 000 μS/cm 時達(dá)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?xiàng)l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(jié) 論

(1)礦井水原水水質(zhì)、PAM 投加量與PAM 性能對澄清和過濾2 個處理環(huán)節(jié)AM 的質(zhì)量濃度影響較大,在調(diào)研的10 個礦區(qū)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(yàn)條件下,濾后出水濁度均能達(dá)到5 NTU 以下,出水AM 質(zhì)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(dāng)PAM 分子量為1 200 萬、水解度為22%,原水pH 值為7、電導(dǎo)率為2 000 μS/cm 時,出水AM質(zhì)量濃度達(dá)到最低。

(4)礦井水常規(guī)處理難以保證出水AM 質(zhì)量濃度滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn),出水作為飲用水時需考慮PAM 選型和投加量的優(yōu)化,或采用反滲透等膜技術(shù)處理。