改性粉煤灰處理高鐵高錳酸性礦井水資源化研究

摘 要：治理酸性礦井水是礦山環境保護的重要內容，粉煤灰以其獨有的特性對酸性礦井水有一定的處理效果。粉煤灰處理酸性高鐵高錳礦井水是實現資源化利用的關鍵途徑，同時可以達到以廢治廢的效果。該文利用GENESIS XM260SX-射線能譜儀（EDS）分析粉煤灰化學組分，通過NaOH、CaO、Na2CO3、NaCl、HCl、H2SO4等改性劑改性粉煤灰，以此來提高粉煤灰對酸性礦井水的處理性能，實驗確定Na2CO3為最佳改性劑，出水水質達到并優于GB50335-2002《污水再生利用工程設計規范》水質指標。

關鍵詞：酸性礦井水 高鐵高錳 粉煤灰 化學組分Na2CO3 改性 沉降性能

中圖分類號：C02F 9/04 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-00-02

煤炭是我國重要的基礎能源和原料，在國民經濟中具有重要的戰略地位。2009年，我國煤炭產量超過30億 t，礦井水排放量為65.1億 t，利用率僅為45%，其中酸性礦井水10%左右。目前礦井水資源綜合利用率低，大部分礦井水未經處理直接排放[1]。粉煤灰是燃煤電廠排放的固體廢物，這些粉煤灰一方面占用大量的耕地，另一方面產生的二次揚塵對生態環境造成巨大危害。粉煤灰含有堿性氧化物，并具有一定吸附性，這些特性使它在處理酸性礦井水上有一定的效果。

1 酸性礦井水與粉煤灰處理現狀

1.1 礦井水的產生、危害及處理現狀

酸性礦井水約占礦井水總量的10%[1]。酸性礦井水侵蝕混凝土，降低砌碹強度；腐蝕金屬材料及設備，縮短材料和設備的使用壽命；排向地表，污染環境[2-3]。為此，國家發改委明確要求，在2010年前礦井水利用率必須提高到60%以上，并作為煤礦地區重要的第二水源，未達標的一律不得再批準新建項目。因此，礦井水的資源化利用既是解決制約未來煤礦企業可持續發展“瓶頸”問題的關鍵，也是其可持續發展的必然選擇。

1.2 粉煤灰產生、處理現狀

粉煤灰具有多孔玻璃體、多孔碳粒、呈多孔性蜂窩狀組織，故有較大的比表面積，一般在2500～5000 cm2/g，且有一定活性基團因而具有很好的吸附性。粉煤灰和污染因子間通過分子間的引力產生物理吸附，這一性能由粉煤灰的比表面積和多孔性決定。粉煤灰內部存在大量硅、鐵、鋁等活性位點，能與吸附質通過化學鍵結合，形成離子交換或者離子對的化學吸附。粉煤灰對酸性水既具有一定的中和能力，又具有吸附有機污染物、懸浮固體（SS）、除臭脫色、去除重金屬離子及其他有毒物質如Cr3+、Hg2+、Pb2+、F、酚類等的能力[4]。

2 粉煤灰改性

2.1 粉煤灰化學組分分析

實驗用粉煤灰取自北京市某火力發電廠，采用GENESIS XM260SX-射線能譜儀（EDS）分析其化學成分結果如表1所示。粉煤灰采用1 mol/L的Na2CO3溶液按灰液比1g：10 mL進行改性，烘干、碾碎、過篩后備用。

2.2 粉煤灰改性方法

分別取一定量的NaOH、CaO、Na2CO3、NaCl、HCl、H2SO4等改性劑配成濃度為1 mol/L的溶液，按灰液比（未改性粉煤灰與溶液體積比）1g：10 mL混合，攪拌反應后烘干、碾碎、過篩備用。

2.3 粉煤灰最佳改性劑確定

試驗方法：根據實際酸性礦井水水質范圍，試驗用酸性高鐵高錳礦井水采用分析純FeCl3·6H2O和MnSO4·H2O調節鐵的濃度為40 mg/L，錳的濃度為2.5 mg/L，

用HCl調節水樣PH值為2.5左右。調節轉速350 r/min，攪拌30 min，靜置30 min，測定上清液中總鐵、錳濃度，試驗結果如圖1和圖2所示。

由試驗結果圖1可知不同改性劑改性的粉煤灰對總鐵的去除效果由高到低依次為Na2CO3> CaO >NaOH> NaCl> H2SO4>HCl>未改性，其中Na2CO3和CaO對鐵的去除率高達98.5%。由試驗結果圖2可知對錳的去除效果依次為Na2CO3> CaO >NaOH> H2SO4 >HCl> NaCl>未改性，其中Na2CO3和 CaO對錳的去除率依次為98%、82%。綜合考慮對總鐵、錳的去除效果，確定Na2CO3為最佳改性劑。

2.4 改性前后粉煤灰沉降性能比較

試驗方法：將改性前和Na2CO3改性的粉煤灰各取0.9 g于500 mL配制的高鐵高錳酸性礦井水中。調節轉速350轉/min，攪拌30 min，分別按沉降10 min、20 min、30 min、40 min、50 min和60 min 時取50 mL上清液，濾紙過濾烘干稱重，試驗結果如圖3

所示。

由試驗結果圖3可知改性后粉煤灰的沉降性能明顯優于改性之前，改性后粉煤灰在沉降30 min時基本沉降完全，出水SS濃度為0.074 mg/L，改性前粉煤灰在沉降40 min時才基本沉降完全，出水SS濃度為0.261 mg/L，降幅達72%。由此可見，改性后的粉煤灰無論從沉降時間還是從出水SS的平衡濃度比較，都比改性前的粉煤灰的沉降性能得到大大改善。

3 改性粉煤灰連續動態處理酸性高鐵高錳礦井水效果

試驗條件：在確定試驗條件灰水比0.9 g/500 mL，攪拌時間30 min，攪拌強度350 r/min、反應溫度35 ℃的條件下，進行連續動態處理，試驗結果如圖4所示。

由圖4試驗結果可知，在最佳試驗操作參數下，Na2CO3改性粉煤灰連續動態處理后的高鐵高錳酸性礦井水其出水總鐵濃度范圍為0.18～0.28 mg/L、出水錳濃度范圍為0.08～0.17 mg/L、出水濁度范圍為3.1～4.2NTU、出水pH范圍為8.12～8.51，出水水質達到并優于GB50335-2002《污水再生利用工程設計規范》中的再生水用冷卻水水質控制指標，酸性礦井水實現資源化綜合利用，同時粉煤灰得到處理，達到以廢治廢的作用。

4 結語

（1）試驗表明粉煤灰最佳改性方法為：將改性劑配成濃度為1 mol/L的溶液，按灰液比（未改性粉煤灰與溶液體積比）1 g：10 mL混合，攪拌反應后烘干、碾碎、過篩制成；

（2）Na2CO3改性粉煤灰處理高鐵高錳酸性礦井水效果好，改性后粉煤灰沉降性能大大提高；

（3）在最佳試驗條件下連續動態處理后出水水質達到GB50335-2002《污水再生利用工程設計規范》中的再生水用冷卻水水質控制指標。

參考文獻

[1]何緒文，賈建麗.礦井水處理及資源化的理論與實踐[M].北京：煤炭工業出版社，2009.

[2]尹紀海，張昌春，丁毅，等.用復合中和劑處理酸性礦井水的研究[J].江蘇環境科技，1995，4：5-7.

[3]Akcil，A.Acid Mine Drainage（AMD）：causes，treatment and case studies.Journal of Cleaner Production，2006，14（12-13）：1139-45.

[4]劉心中，姚得，董風芝.粉煤灰處理煤礦酸性廢水的研究[J].環境污染與防治，2003，25（2）：98-100.