石灰純堿法耦合聚合氯化鋁預(yù)處理高礦化度礦井水的實驗研究

趙軍利，李 珊，陳國勝，張 旭，郭 璐，程愛華*

（1.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 韓城 715400；2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司象山礦井，陜西 韓城 715400）

煤炭開采過程中有時會產(chǎn)生高礦化度礦井水，其含鹽量大于1 000 mg/L，水中含有SO42-、Cl-、Ca2+、K+、Na+、HCO3-等離子，水質(zhì)大多呈中性和偏堿性[1]。高礦化度礦井水主要分布在中國北方礦區(qū)、西部高原、黃淮海平原及華東沿海地區(qū)[2]。若不經(jīng)處理直接排放會造成河流含鹽量增加，土壤鹽漬化嚴(yán)重及農(nóng)作物產(chǎn)量減少[3]。高礦化度礦井水經(jīng)脫鹽處理后可回用于煤化工生產(chǎn)、防塵灑水及農(nóng)業(yè)灌溉等方面，膜技術(shù)廣泛應(yīng)用于高礦化度礦井水脫鹽處理，但在實際應(yīng)用過程中會產(chǎn)生膜污染現(xiàn)象，造成運行成本增加[4]。因此強(qiáng)化預(yù)處理，對減輕膜污染、提高出水水質(zhì)，降低運行費用起著重要的作用。

本文擬采用石灰純堿法除硬耦合聚合氯化鋁除濁工藝，對實際礦井水進(jìn)行處理，考察該工藝的最佳運行條件，為實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗部分

1.1 試驗水質(zhì)

試驗用水取自陜西某礦井水倉，礦井水水質(zhì)如表1所示。

表1 原水水質(zhì)

1.2 試驗儀器及試劑

儀器設(shè)備：WGZ-2000 型濁度儀，上海精密科學(xué)儀器有限公司；DHG-9145A 型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；JJ-4 型六聯(lián)攪拌機(jī)，國華電器有限公司；ME204/02 型精密電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

試劑：氫氧化鈣、碳酸鈉、聚合氯化鋁，工業(yè)級PAC。

1.3 實驗方法

選用六聯(lián)攪拌機(jī)對礦井水進(jìn)行混凝實驗，每次取1 000 mL 原水放置于1 L 的燒杯中，分別投加不同劑量的氫氧化鈣、碳酸鈉及聚合氯化鋁，混凝沉淀后取上清液，測定濁度、硬度等指標(biāo)，根據(jù)測得的指標(biāo)數(shù)據(jù)，分析得出最佳藥劑投加量，進(jìn)而確定最佳工藝條件。

1.4 試驗方法

總硬度采用EDTA 滴定法測定；濁度采用WGZ-2000 型濁度儀測定。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 投加比的影響

加入投加比分別為0.25、0.5、0.75、1、1.25 的氫氧化鈣和碳酸鈉，常溫下，先快攪1 min，后在150 r/min的轉(zhuǎn)速下反應(yīng)10 min，靜置10 min 后取上清液測其總硬度，并計算總硬度去除率，結(jié)果見圖1。

圖1 投加比對總硬度去除效果的影響

由圖1 可知，當(dāng)投加比從0.25 增加到1.25 時，上清液的總硬度先從101.09 mg/L 減少到65.41 mg/L 后增加到69.38 mg/L，總硬度去除率從3.77%升高到37.74%后下降到33.96%，當(dāng)投加比為1.0 時，總硬度去除率最大為37.74%。所以選擇投加比1.0 為最佳試驗條件進(jìn)行后續(xù)試驗。

Ca（OH）2首先去除暫時硬度，當(dāng)加入80 mg/L Ca（OH）2和8 mg/L Na2CO3，上清液pH 為8.65 時，發(fā)生如式（1）—式（5）反應(yīng)，產(chǎn)生CaCO3沉淀，此時Na2CO3能有效去除鈣硬，但由于MgCO3溶解度較大，不能有效去除鎂硬度[5]。

2.2 投加量的影響

加入投加量分別為30、50、80、100、150 mg/L氫氧化鈣和3、5、8、10、15 mg/L 碳酸鈉，常溫下，先快攪1 min，后在150 r/min 的轉(zhuǎn)速下反應(yīng)10 min，靜置10 min 后取上清液測其總硬度，并計算總硬度去除率，結(jié)果見圖2。

圖2 氫氧化鈉投加量對總硬度去除效果的影響

由圖2 可知，當(dāng)氫氧化鈣投加量從30 mg/L 增加到150 mg/L 時，溶液的總硬度從93.162 mg/L 減少到52.528 mg/L，總硬度去除率從11.32%上升到50%。綜合經(jīng)濟(jì)考慮，選擇100 mg/L 的氫氧化鈣和10 mg/L 的碳酸鈉為最佳試驗條件進(jìn)行后續(xù)試驗。

2.3 反應(yīng)時間的影響

加入100 mg/L 的氫氧化鈣和10 mg/L 的碳酸鈉，常溫下，先快攪1 min，后在150 r/min 的轉(zhuǎn)速下反應(yīng)不同時間，靜置10 min 后取上清液測其總硬度，并計算總硬度去除率，結(jié)果見圖3。

圖3 總硬度去除效果隨反應(yīng)時間的變化

由圖3 可知，在反應(yīng)時間為30 min 時，總硬度最少，總硬度去除率最高。分析認(rèn)為，30 min 之前隨著反應(yīng)進(jìn)行，氫氧化鈣和碳酸鈉與溶液中的鈣離子反應(yīng)，首先去除暫時硬度，產(chǎn)生CaCO3沉淀，溶液的總硬度逐漸下降，30 min 之后氫氧化鈣和碳酸鈉不再和溶液中的鈣鎂離子反應(yīng)，溶液的總硬度穩(wěn)定不再變化。所以選擇反應(yīng)30 min 為最佳試驗條件進(jìn)行后續(xù)試驗。

2.4 沉淀時間的影響

加入100 mg/L 的氫氧化鈣和10 mg/L 的碳酸鈉，常溫下，先快攪1 min，后在150 r/min 的轉(zhuǎn)速下反應(yīng)30 min，靜置不同時間后取上清液測其總硬度，并計算總硬度去除率，結(jié)果見圖4。

圖4 沉淀時間對總硬度去除效果的影響

由圖4 可知，當(dāng)沉淀時間從5 min 增加到25 min時，溶液的總硬度先從55.50 mg/L 增加到58.47 mg/L，再減少到51.54 mg/L 后增加到52.53 mg/L。當(dāng)沉淀時間為15 min 時，總硬度最少，總硬度去除率最高。15 min 之前，沉淀不完全，導(dǎo)致上清液鈣鎂離子濃度較高，總硬度增大，15 min 后沉淀趨于完全，上清液的鈣鎂離子濃度減少，總硬度降低。選擇沉淀15min 為最佳試驗條件進(jìn)行后續(xù)試驗。

2.5 PAC 投加量的影響

加入100 mg/L 的氫氧化鈣和10 mg/L 的碳酸鈉，同時加入不同濃度的PAC，常溫下，先快攪1 min，后在150 r/min 的轉(zhuǎn)速下反應(yīng)30 min，靜置15 min，取上清液測其濁度、硬度，并計算濁度和硬度去除率，結(jié)果見圖5 和圖6。

圖5 PAC 投加量對濁度去除效果的影響

圖6 PAC 投加量對總硬度去除效果的影響

由圖5 可知，當(dāng)PAC 投加量從20 mg/L 增加到200 mg/L，溶液的濁度從18.80 NTU 下降到4.19 NTU，濁度去除率從98.13%上升到99.58%。加入PAC 后溶液的濁度明顯降低。PAC 通過吸附、凝聚和沉淀作用，將上清液中的懸浮物、膠體等物質(zhì)去除，從而使溶液濁度降低，提高了濁度去除率。

由圖6 可知，PAC 投加量從20 mg/L 增加到200 mg/L，溶液的總硬度從54.510 mg/L 增大到87.216 mg/L，總硬度去除率從48.11%下降到16.98%。隨著PAC 投加量的增加，水樣的pH 下降，導(dǎo)致部分CaCO3溶解，水中Ca2+、Mg2+的濃度增加，使水的硬度增大。

綜合考慮，當(dāng)PAC 投加量為20 mg/L 時，上清液總硬度最小，總硬度去除率最大，分別為54.51 mg/L和48.11%。所以選擇20 mg/L 的PAC 為最佳試驗條件進(jìn)行后續(xù)試驗。工業(yè)用氫氧化鈣價格為24 元/kg，碳酸鈉為19 元/kg，PAC 為24 元/kg，PAM為60 元/kg，若處理1 t 高礦化度礦井水，約需要用0.1 kg 氫氧化鈣、0.01 kg碳酸鈉和0.02 kgPAC，約花費3.07 元。

3 結(jié)論

本文采用石灰純堿法耦合PAC 去除礦井水的硬度及濁度，采用單因素試驗考察了藥劑投加量、反應(yīng)時間、沉淀時間對去除效果的影響。

石灰-純堿法去除高礦化度礦井水總硬度，最佳條件為：投加100 mg/L 氫氧化鈣、10 mg/L 碳酸鈉及20 mg/L PAC，反應(yīng)30 min，沉淀15 min，此時水樣的總硬度為51.537 mg/L，總硬度去除率為48.11%，濁度去除率為98.13%。噸水藥劑費用3.07 元。

本文為高礦化度礦井水預(yù)處理的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，可有效減緩膜污染，對高礦化度礦井水的回用起到了積極作用。