井下水過濾階段濾料制備實驗研究

孟憲慧

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南250014）

過濾是以粒狀濾料層截留水中懸浮雜質，進而使水獲得澄清的工藝過程。過濾的功效不僅在于進一步降低水的濁度，而且水中有機物、細菌乃至病毒等將隨水的濁度降低而被部分去除。至于殘留于濾后水中的細菌、病毒等在失去混濁度的保護或依附時，在濾后消毒過程中將容易被殺滅，這就為濾后消毒創造了條件。 在飲用水的凈化工藝中過濾是不合缺少的，它是保證飲用水衛生安全的重要措施。 在此試驗中，過濾主要是為了降低水的硬度及高錳酸鹽指數。

1 濾料的選擇依據

濾池中的濾料是承擔過濾功能的主要部分，質量的好壞直接決定著出水水質。 給水處理所用的濾料，必須符合三個要求：

（1）具有足夠的機械強度，以防沖洗時產生濾料磨損和破碎現象。

（2）具有足夠的化學穩定性，以免濾料與水產生化學反應而惡化水質，尤其不（能含有對人類健康有害的物質。

（3）具有一定的顆粒級配和適當的空隙率。 此外濾料應盡量就地取材，貨源充足，價廉。

根據此三點，選擇石英、天然濾石和改型后的濾石為原料進行實驗研究。

2 過濾試驗方法及裝置

試驗所用過濾裝置是由兩根內徑為20mm、 長為2m 的有機玻璃柱、儲水瓶、轉子流量計等組成的自制的試驗裝置，分別取一定量的石英砂濾料或沸石濾料裝柱，經過混凝沉淀后的水從進水口通過重力自流自上而下流過過濾柱，流量的大小由轉子流量計控制，過濾后的水由出水口排出，出水500ml 后取水樣進行分析。 過濾試驗裝置如圖1所示，過濾試驗用水為原水樣混凝沉淀1 小時后的出水，水質參數如表1 所示。

表1 過濾用水水質Tab.1 Quality of the water using for filtration

3 實驗結果與討論

3.1 石英砂濾料的制取

將石英原礦破碎、篩分后，取粒徑為0.5mm～1.25mm。 將所選石英砂濾料烘干，從中稱出400g，用一系列不同孔徑的標準篩進行篩析，稱量留在各篩上的砂樣質量，計算出過篩百分率，石英砂粒度組成如圖2 所示。

圖1 過濾試驗裝置Fig.1 Filtration tester

圖2 石英砂粒度組成Fig.2 Granularity curve of quartz

由圖2 可知所選石英濾料的不均系數K80 為：

所以，所選石英砂濾料符合常規濾料的要求。

3.2 天然沸石濾料的制取

本試驗所用沸石為承德蘑菇峪產斜發沸石原礦。 經巖礦鑒定、X 射線衍射（XRD）和差熱等手段綜合分析，此沸石原礦主要由斜發沸石、蒙脫石和石英等組成。 與制備石英砂濾料相似，將沸石原礦破碎、篩分后，取粒徑為0.5mm～1.25mm。 稱取天然沸石濾料450g，用一系列不同孔徑的標準篩進行篩析，稱量留在各篩上的沸石質量，計算出過篩百分率，沸石濾料粒度組成如圖3 所示。

圖3 沸石粒度組成Fig.3 Granularity curve of zeolite

由圖3 可知所選沸石濾料的不均系數K80 為：

所選沸石濾料也符合常規濾料的要求。

3.3 改型沸石濾料的制取

沸石孔穴和通道中存在許多脫附自由的沸石水， 沸石水的多少，可隨外界的溫度和濕度變化而變化，脫水沸石具有極空曠而又相互連通的孔道結構，有更大的內表面積；而且經過焙燒既可以提高其機械強度又可以加大孔容，增加比表面積，還可以增加陽離子的運動活性，使離子交換進行得更充分。 為增大其吸附量，提高沸石的離子交換性能，將破碎、篩分后的沸石原礦作以下處理：用10%的鹽酸浸泡12 小時，然后用10%的NaCO3溶液中和，清洗，煮沸40 分鐘，烘干后在400℃下焙燒1.5 小時。

3.4 天然沸石、改型沸石、與石英砂過濾對比試驗

經過測定所選斜發沸石原礦的密度為2.57， 與石英砂密度相當，可代替石英砂做第二層濾料。首先進行沸石與石英砂單層濾料對比試驗。 在石英砂、未處理沸石與焙燒后的沸石的裝填高度均為300mm、濾速為10m/h 的條件下進行過濾試驗， 對出水色度、CODMn及硬度進行測定，分析各濾料對各個指標的去除效果，試驗結果如表2 所示。

表2 沸石與石英砂過濾對比試驗結果Tab.2 Contrast filtration result between quartz and zeolite

由試驗結果可以看出石英砂、未處理沸石及焙燒后的沸石三者對要處理水色度的去除效果相當， 對CODMn及硬度的去除率依次增大；焙燒后的沸石對CODMn及硬度的處理效果最好， 去除率可分別達到72.42%和9.75%，兩者均滿足飲用水要求。 這是由于沸石經過無機酸處理和高溫焙燒等活化后，清除了沸石孔道內的雜質，疏通了孔道并重建孔道間的連通，大大提高了天然沸石對CODMn及硬度的去除率。

天然斜發沸石焙燒前后的掃描電子顯微鏡SEM 照片如圖4 所示。通過對比其顯微結構可知天然斜發沸石焙燒前后的表面結構有很大的變化，觀察其微觀結構的變化，可以看出，經過活化后的沸石顆粒表面的微孔更大，數量更多，且分布更加均勻，吸附量增大，離子交換能力增強，故處理效果更好。 因此過濾試驗采用焙燒后的沸石作為濾料。

圖4 天然斜發沸石焙燒前后的SEM 照片（2000 倍）Fig.4 SEM photographs of natural clinoptilolite and baked clinoptilolite (2000 times)

4 結論

過濾階段是煤礦井下水生產飲用水的關鍵階段，要求濾料有足夠的機械強度、化學穩定性、具有一定的顆粒級配和適當的空隙率，以及對環境無污染。 對粒徑0.5mm～1.25mm 的石英濾料、天然沸石濾料以及改性沸石濾料進行過濾試驗研究， 在填料高度均為300mm、 濾速均為10m/h 的條件下，三者對要處理水色度的去除效果相當，對CODMn及硬度的去除率依次增大；焙燒后的沸石對CODMn及硬度的處理效果最好，去除率可分別達到72.42%和9.75%，兩者均滿足飲用水要求。

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