（环境工程专业论文）“k2feo4tio2”法处理矿井水工艺研究.pdf

摘要 煤矿矿井水是煤炭行业特有的种外排废水，由于其成分复杂，污染物浓度高， 生物降解性差，传统的水处理技术和工艺，对于含多元相水混合物的矿井水处理效 果不佳。研究矿井水的处理工艺方法，寻求先进而又经济可行的工艺和技术处理矿 井水作为生产和生活用水，有利于加速矿井水资源的开发和利用，鳃决矿区水资源 短缺状况，实现煤炭行业的可持续发展。 本工艺设计针对淮南矿区潘三矿矿井水净化处珲工程，通过仔细调研相关资料 和取样实验，详细分析矿并水的产生来源、水量和水质特征，结合现有矿井水净化 处理厂的技术条件和设施，以及综合对比国内外矿井水处理工程采用的相关技术， 采用两段处理，即：第一段预处理以改进型悬浮澄清池投加水处理剂高铁酸钾 ( k 2 f e 0 4 ) 混凝澄清，辅以普通快滤池过滤；第二段深度处理，结合第一阶段出水水 质以及深度处理的出水要求，对于经高铁酸钾处理后的矿芽水中可能残留的有机或 高分子污染物，再利用纳米t i 仉光催化氧化技术进行降解。 高铁酸钾是一种新型多功效水处理剂，它具有电好的氧化除污功效、优异的混 凝与助凝作用、优良的杀菌作用以及高效脱味除臭功能。本研究自制出高纯度高铁 酸钾，并进行了矿井水处理的烧杯实验。分析处理结果表明，处理后的矿井水c o o 。 总大肠菌群、浊度二项水质指标接近生活饮用水标准，利用高铁酸钾取代传统絮凝 剂对矿井水进行预处理是可行的。 用溶胶凝胶法制备出纳米w 0 3 - ： t i 0 2 复合粉末，并对其进行了表征。利用烧 杯进行光催化反应，在多种实验条件下进行了处理矿井水多项水质指标的实验。结 果证明在实验条件下，纳米w 伤- - t i 0 2 复合粉末光催化降解对矿井水c o d o ，、石油 类去除率较高，且具有非常优良的杀菌效果，但对氯化物去除效果不佳。 自行设计制作了改进型的斜管式悬浮澄清池和普通快滤池，结合矿井水净化厂 原有设备，在不同的实验环境下，本研究两次在矿井水净化厂实地进行了整套工艺 装置的中试。实验结果表明：“k f e o 厂- t i 0 2 ”法处理潘三矿矿井水，出水水质基本 达到生活应用水标准，部分指标达到直饮水标准，具有良好的环境效益和经济效益。 图【3 6 】表f 1o 】参f 1 1o 】 关键词：矿并水：纳米二氧化钛；高铁酸钾：斜管式悬浮澄清池 分类号：x 7 0 3 1 a b s t r a c t c o a lm i n ew a t e ri sau n i q u ew a s t e w a t e rd i s c h a r g e df r o mt h ec o a li n d u s t r y b e c a u s e o fi t si n g r e d i e n tc o m p l e x , h i g hc o n c e n t r a t i o n so fp o l l u t a n t sa n dp o o rb i o d e g r a d a t i o n ，t h e t r a d i t i o n a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g ya n dp r o c e s s e s w i t ht h em u l t i - p h a s em i x t u r e so fm i n e w a t e rt r e a t m e n ti si n e f i r e c t i v e r e s e a r c h i n gm i n ew a t e rt r e a t m e n tm e t h o d s s e e k i n g a d v a n c e db u te c o n o m i c a l l yv i a b l et e c h n o l o g ya n dt r e a t i n go fm i n ew a t e ra sw a t e r , m i n e w a t e rh e l p st os p e e du pt h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e si nt h em i n i n g a r e aa n dr e s o l v et h es i t u a t i o no fs h o r t a g e ，r e a l i z i n go ft h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f c o a li n d u s t r y p r o c e s sd e s i g na i m e da tt h ep a n s a nm i n em i n ew a t e rp u r i f i c a t i o np r o j e c t t h r o u g h c a g e f u ls t u d yo fr e l e v a n ti n f o r m a t i o na n ds a m p l et e s t s w eh a v ed e t a i l e da n a l y s i so ft h e m i n ew a t e rs o u g e e t h eq u a n t i t ya n dq u a l i t yo fw a t e rf e a t u r e s i nl i n ew i t it h ee x i s t i n g c o n d i t i o n sa n dt h et e c h n i c a lf a c i l i t i e so f 也em i n ew a t e rp u r i f i c a t i o n p l a n t , a n d c o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s et ot h ec o r r e s p o n d i n gt e c h n i q u eo fm i n ew a t e rt r e a t m e n t w o r k i n ga th o m ea n da b r o a d ，w ea d o p tt w op a r o g r a p h ：i m p r o v e dp r e s u s p e n s i o nt ot h e f i r s tp a r a g r a p ht oc l a r i f yp o o lw a t e rt r e a t m e n ta g e n ta d d e dp o t a s s i u mf e r r a t e ( k 2 f e 0 4 ) c o a g u l a t i o n ，s u p p l e m e n t e db yt h eg e n e r a ls o o nf i l t e r ；, s e c o n dd e p t h ，t h ef i r s ts t a g e c o m b i n e de f f l u e n tq u a i l t ya n dd e p t ho ft h ew a t e r , a sf o rt h eh a n d l i n go fp o t a s s i u m f e r r a t em i n ew a t e ro ra l l o r g a n i cp o l y m e rr e s i d u e sm a yp o l l u t a n t sn a n ot i 0 2 p h o t o c a t a l y t i co x i d a t i o nt e c h n o l o g yu s e dd e g r a d a t i o n k 2 f e 0 4a g e n ti san e wa n dm o r ee f f e c t i v et r e a t m e n t 。i th a sag o o do x i d a t i o n d e c o n t a m i n a t i o ne f f e c t i v e n e s so ft h ec o a g u l a t i o na n de x c e l l e n tc o a g u l a n t , e x c e l l e n t f l a v o rd e o d o r a n tf r o mt h es t e r i l i z a t i o na n de f f i c i e n tf u n c t i o n t h eh o m e - m a d eh i g h p u r i t y p o t a s s i u mf e r r a t e ，a n dt h em i n e 。sw a t e rb e a k e re x p e r i m e n la n a l y s i so f t h er e s u l t ss h o w e d t l a tt h em i n ew a t e rt r e a t m e n tc o d c rt o t a lc o l i f o r m t h t e et u r b i d i t ys t a n d a r d sf o r d r i n k i n gw a t e rq u a l i t yi n d i e e s t or e p l a c et h et r a d i t i o n a if l o e c u l a n tu s i n go fp o t a s s i u m f e r r a t ep r e t r e a t m e n tm i n ew a t e ri sf e a s i b l e p r e p a r a e dn a n ow 侥t i 0 2c o m p o s i t ep o w d e rw i t hs 0 1 g e lm e t h o d p h o t o c a t a t y t i c r e a c t i o nb e a k e rf o ru s i n gi nav a r i e t yo f e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sf o rt h et r e a t m e n to f 。m i n e w a t e ran u m b e ro f q u a l i t yi n d i c a t o r s r e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s 。 n a n o - c o m p o s i t ep o w d e r sw 0 3 t i 0 2p h o t o c a t a l y t i ed e g r a d a t i o no ft h em i n ew a t e r c o d e r h i g h e ro i lr e m o v a l a n dh a sv e r yg o o db a c t e r i c i d a le f f e c t , b u tt h ee f f e c to f c h l o r i d er e m o v a lo f t h ep o o r i m p r o v e dd e s i g no ft h ep r o d u c t i o nr a m p t u b cs u s p e n s i o nc l a r i f rp o o lf i l t e ra n dt h e g e n e r a lf a s t , o r i g i n a le q u i p m e n tl i g h to fm i n ew a t e rp u r i f i c a t i o np l a n t s 1 n d i f f e r e n t e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s , t h et w os t u d i e sc o n d u c t e di nt h em i n es i t ew a t e rp u r i f i c a t i o n p l a n tt o g e t h e rw i t ht h ee n t i r e p a r a t u so ft h et e s t t h er e s u l t ss h o w ：t h et h i r dp a n c o m b i n e dp r o c e s so fm i n ew a t e r e 用u e n tw a t e ra p p l i c a t i o nb a s i c a l l yl i v i n gs t a n d a r d s s o m ei n d i c a t o r sh a v er e a c h e dd r i n k i n gw a t e rs m n d a r d s g o o de n v i r o n m e n t a la n d e c o n o m i cb e n e f i t s 1 i t f i g u r e 【3 6 】t a b l e 【l0 1r e 。f e r e n c e i t l k e y w o r d s ：c o a lm i n ew a t e r ；l l a n ot i o ：k 2 f e 0 4 ；r a m p - t u b es u s p e n s i o nc l a r i f yp o o l f i l t e r c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：x 7 0 3 1 i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞堂垄三左堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意 学位论文作者挠粒吼廿j 月嘶 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞筮堡王态堂有保留、使用学位论文 的规定，印：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徽垄王盘堂学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阕本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 惦 巾 肌 年 磐 吼 辩 鲰 1 前言 1 1 问题的提出 1 前言 1 1 1 我国煤矿矿区水资源利用的现状 我国是世界上最大的煤炭牛产国和消费国，也是世界少数几个以煤炭为丰要能 源的国家之一【i 】。煤炭是我国的分布最广，储量最多，价格最廉的能源，占一次能 源探明储量的9 0 。预计到2 0 0 6 年底，我国的原煤产量将很有可能超过2 2 亿t 。 随着国民经济的高速发展，对煤炭的需求量将进一步增长。在一次能源消费构成中， 煤炭占7 0 左右，而且预计这个局面在今后二三十年内不会有根本性的改变。目前 全国约7 5 的工业燃料和动力，7 6 的发电能源、8 0 的民用商品能源以及6 0 的 化工原料依靠煤炭【2 1 因此，在煤炭开采与利用过程中带来的环境问题是不容忽视 的，其中煤炭大规模开采和利用造成的水污染是一个突出的环境问题。 水资源紧缺和水污染已经成为中国最丰要的水环境问题。我国是个淡水资源贫 乏的国家，人均拥有水量仅为2 7 0 0 m 3 ，是世界人均水量的i 4 ，而且水资源地区分 布极不均匀。北方地区煤炭资源丰富占全国煤炭总储量的8 0 以上，水资源仅占 全国总量的2 0 ，矿区缺水十分严重。据调查，全国约有7 0 的矿区面临缺水，有 4 0 的煤矿严重缺水，国有煤矿缺水达6 9 8 6 万m 3 ，d ，其中乍活用水缺3 3 0 6 万m 3 d ， 严重制约了矿山牟产和影响煤次职l ：的日常辞三活i 孙。据不完全调查统计，在全国矿 区中约有5 0 以上的乍活饮用水水质放射性等指标不合洛或严重超过国家牛活饮 用水1 1 牛标准( g b 5 7 4 9 - - - 1 9 8 5 ) 规定的要求。而且许多矿区还将污染严重的矿 安黻理工大学硕士论文 井水与生活用水一起排入河流，污染地表水，从而造成矿业城市水资源短缺程度的 日益加剧，水环境问题越来越突出。 煤矿矿井水是煤炭行业特有的外排废水，主要来源于地下。全国每年外排矿井 水基本稳定在2 2 亿m 3 。最大值可达到2 7 亿m 3 ，最小值为1 7 亿m 3 ，其中国有重 点煤矿达1 7 2 4 亿m 3 ，相当于吨煤排放3 m 3 矿井水。在外排矿井水中约有8 4 7 达 到排放标准( 丰要衡量指标c o d 。按上清液测定) 经处理后全国综合利用量，1 9 9 7 年为4 4 亿m 3 ，只占总量的2 0 左右 4 】 在我国煤矿每年外排的矿井水中，肴相当一部分是仅含煤粉和岩粉污染物的矿 井水，这些矿井水污染程度轻，处理容易，成本低，经混凝、沉淀，过滤消毒处理 后可用作煤矿职工生产、生活用水。t u 是，长期以来，由于资金和认识等方面的原 因，、矿并水回用率仍维持在一个相当低的水平，这不仅造成水资源的浪费，而且这 些含污染物的矿井水外排造成环境污染，煤矿企业必需缴纳排污费和水资源损失费 【3 1 。因此，加速矿井水资源的开发秘利用，寻求先进而又经滂可行的工艺和技术处 理矿井水作为生产和生活用水，已成为保证煤矿正常生产经营，实现可持续发展的 必由之路。 1 1 2 淮南矿区矿井水资源的利用情况 1 1 2 1 淮南矿区矿井水资源的利用现状 淮南市是一个典型的矿业城市，是华东地区的重要煤炭基地，煤炭开发及与煤 炭开采、运输、加工利用有关的企业是淮南市国民经济支柱产业。全市面积1 0 5 0 k m 2 ， 煤分布区占一半左右。淮南煤田共分为淮河以南、淮河以北两大矿区，生产矿井1 5 对，煤产量2 0 0 5 年突破四千万t ，到2 0 1 0 年淮南的煤炭产量有望达到一亿t f 2 1 。 2 1 前言 淮南矿区矿并水主要来源于地下含水层，但是煤矿开采过程中，矿井水流经采 掘工作面、巷道以及采空区时，受到人为的影响，混入了岩届、煤耪，以及在煤矿生产 过程中机械操作形成的少量油污，使得矿井水的水质变得复杂多样。 据测算，淮南矿区本地水资源人均占有量4 4 0m 3 ，仅占全国人均占有量的五分 之一。总体上看，目前淮南矿区矿井水的利用率( 包括工业用水和生活用水) 还比较低 ( 见表1 ) ，老矿区的利用牢仅有3 2 8 。虽然新矿区己重视并加大了对矿井水的利用， 但是利用率还比较低，为5 4 4 t 5 1 2 0 0 5 年淮南矿区煤电生产、建设总用水量4 5 1 3 万m 3 。矿井水总量2 7 2 8 万m 3 ，总利用量1 2 4 2 万r l r l 3 矿井水利用率4 6 ，占当年 矿区煤电生产、建设用水量的2 7 5 2 。 表1 淮南矿区矿井水利用率情况统计表( 2 0 0 3 年) 蜘 l 老区新区 谢一新庄孜谢李孔拿潘潘东潘三张集鲥侨 l 利用率( ) 2 6 36 1 24 3 806 5 23 0 34 3 26 3 47 2 5 i 平均( )3 2 85 4 5 应该说矿井水综合利用在矿区发挥了一定的效应，但矿井水资源化利用率效果 不甚理想，淮河以南矿区只有部分矿井水在井下实行清污分流，清水利用。淮河以 北新矿区各矿均建有矿井水处理j ，但原设计的矿井水处理工艺只能满足达标摊放 水质，不能满足水质要求较高的其他用水，而且处理水利用设施不完善，造成丈部 分矿井水处理后直接排放。 1 1 2 2 矿井水资源化的主要问题 造成目前的淮南矿区矿井水综合利用现状的原闵，不外乎以下四个方面： 首先，对矿井水作为资源化利用的认识尚待提高。淮南矿区当前用水矛盾尚未 突出是备单位对矿并水的综合利用意识不强的 闽。h 前，单一采煤的煤矿溉念已 安鬟理工大学硕士论文 经打破，煤矿同时是地下水矿、谋层气矿和非煤矿产矿已经成为共识并得以充分开 发和利用，要强化对矿井水资源作为与煤炭资源共存的自然资源的意识，决不能厚 煤薄水，更不能要煤弃水 其次，资源化的开发尚无统一规划。目前，淮南矿区水资源开发，保护还没有 统一的规划，管理没有统一的管理办法，涉及水资源的开发利用没有统一的审批管 理，造成水资源的开发利用随意性大，只利用不保护，只用不管节水措施和提高 水资源利用率的目标得不到落实，给水资源的管理带来很大的困难，也必将给水资 源的可持续利用带来严重的隐患。地下水的开发箭理缺少科学规划，多数矿的水源 井设置在城镇、村庄附近和工业广场内，局部水源井密度高、超采形成抽水漏斗造 成地面沉降，危及地面建筑物，甚至造成地下水污染个别矿水源井抽水时影响周 围农村取水，加剃了与地方农民的矛盾。 第三，符理基础薄弱。耳前，多数单位对水资源管理还没有引起足够有重视， 管理制度、组织机构不健全，管理人员不到位，业务素质不高，管理粗放，镑理基础 薄弱。 第四，政策、法规的不利影响。 利用率低，造成了水资源的浪费：矿井水的直接外排必然对环境造成污染或危害， 因此，对矿井水进一步处理，实现矿井水资源化势在必行。 4 1 前言 1 2 国内外矿井水处理技术研究现状 1 2 1 矿井水水质特征及其分类 1 2 1 1 矿井水的主要污染物 矿并水是煤炭开采过程中，从矿坑所排出的工业废水，水的感官性( 色、味， 嗅、浊) 、物理化学性能( 温度、酸碱度、导电率等) 、化学成分( 无机，有机) 、牛 物组成( 种类、数量、形态等) 及底质情况等产生了恶化吲。煤矿矿井水本身的水 质主要受当地地质年代、地质构造、各种煤系伴生矿物成分、所在地区的环境条件 等因素的影响，所以不同煤矿的矿井水的水质有很大的差异f 3 1 。造成矿井水污染的 污染物来源主要有【2 】： ( 1 ) 井下粪便的污染。主要是井下工作人员的排泄物，这些来经任何处理的粪便 混入水体，造成矿井水的污染。 ( 2 ) 煤，砂尘的污染。主要是由于煤炭在开采及并下运输过程中，大量的细煤屑、 砂尘进入矿井中的水体，使矿井水的悬浮物a 高，并使水混浊呈炭黑色。此 外，煤尘中的硫、苯，酚、磷、焦油等杂质混入水体，也使矿井的有害物质 含量升高。 。 ( 3 ) 废坑木的腐烂污染。废坑木在巷道内腐烂，使细菌，霉菌大量繁殖，致使细 菌指数大大升高：有机氮的分解造成亚硝酸盐含量的增高，并敞发出少量的 腥臭味。 ( 4 ) 废饥油、废酸液的污染。井下矿车每天都要消耗一定数量的机油，而凌机油 常常进入矿井水，致使水体袁面出现油膜。另外，井下电机车修理间、充电 及整流硐室洗电瓶等废水摊入水沟，常使水体受到壤酸液的污染。 安徽理工大学硕士论文 ( 5 ) 并下洒水及防火灌浆水的污染。并下洒水及防火灌浆水，进一步加剧了矿井 水的污染。 对全国煤矿矿井水检测分析表明，我国矿井水水质成分是丰要以煤粉、岩粉为 主的悬浮物和可溶性无机盐类，有机污染物较少。矿井水中一般不含有毒物质。汞、 镉、六价铬、砷、铅等很少检出或检出含量低于标准。放射性指标属于低放水平， 但有的已超过生活饮用水卫牛标准。矿井水大多呈中性，北方矿区的矿井水多为p h 值7 9 的中性或弱碱性，碱性水不多见；南方地区存在有一定数量的酸性矿井水， 多见于高硫矿区 1 2 1 2 矿井水的分类 从矿并水净化及资源化( 辛要指利用矿并水作为生活饮用水) 的角度来说，根 据其物理化学性质，通常将我国煤矿矿井水划分为以下几种类型： ( 1 ) 洁净矿井水 这类矿井水水质较好，p h 值为中性，低矿化度，不含有毒、有害离予( 或者其 含量低于牛活饮用水标准值) ，低浊度，基本不含悬浮物，它的各项水质指标均符合 国家牛活饮用水卫生标准( g b5 7 4 9 - - 1 9 8 5 ) 。只要在源头妥善截流，通过并下单 独布置的排水管道将其排出，稍加处理或消毒，即可回收利用。 ( 2 ) 含悬浮物矿井水 这里所指的含悬浮物矿井水系指除感官性指标和细菌学指标外，其余各项指标 均符合牛活饮用水卫生标准的矿井水含悬浮物矿井水的主要污染物来自矿井水流 经采掘工作面时带入的煤粒、煤粉、岩粒、岩粉等悬浮物( s s ) ，所以这类水中含有 较多固体悬浮物。由于悬浮物中煤粉多呈黑色，故这类矿井水多显灰黑色，并有一 前言 定的异味，混浊度也比较高，景观性和感官性都较差。矿井水在井下水仓中自然沉 淀了一段时间，较粗的煤、岩颗粒都已被沉淀下来，因而在正常情况下，矿井水中 的悬浮物颗粒都是比较细的。矿井水中s s 以煤粉为主，颗粒物的平均密度约为1 3 1 5 9 c m 3 ，仅为泥砂类密度的1 2 。而且煤属于有机物质，具有一定的疏水性，不 容易彼水包覆，均为导致值难以自然沉淀的原因。 含悬浮物矿井水的另一个水质特征是细菌含量较多，丰耍来自井下工人的生活、 牛产活动，所以消毒杀菌在矿井水处理中是非常必要的。 ( 3 ) 高矿化度矿井水( 亦称含盐矿井水或苦咸水) 。 高矿化度矿井水是指溶解性总固体( 含盐量) 大于1 0 0 0 m g l 的矿井水。这一类 水主要分布在西北地区、黄淮海平原和东北、华北部分地区，水中含盐量高而不宣 饮用。这类矿井水的含盐丰要来源于c 矿、m g 、n a * 、k + ，s o ，、h c o 。 、c 1 等离予， 其硬度往往较高，有些矿井水硬度含c a o 可达1 0 0 0 m g l 。这类矿井水还含有较高的 煤、岩粉等悬浮物，浊度大。因高矿化度矿井水盐含量高，处理工艺除包括混凝、 沉淀等工序外，其关键工作是脱盐。 ( 4 ) 酸性矿井水 据研究，煤系地层和煤中的硫铁矿是形成酸性矿井水的物质摹础，硫铁矿在空 气和水的共同作用下，经化学和牛物氧化作用产生so i 以及以f e 为聿的各种金属 离了，矿井水酸性的强弱，取决于乍物氧化作用产牟硫酸，以及以黄铁矿为丰的各 种煤层和嗣岩中含硫量，及围岩的化学组成。煤矿酸性水的p h 值一股在3 5 5 0 之间，我 q 南方煤矿常见酸性矿井水，据不完全统计显示，硝值介于2 3 j 7 。 酸性矿井水可以认为是硫铁矿在有氧、有水的条件下氧化彤成的，主要含有f e 、 f e 。、c a 。、g 。，s o ，以及其他金属离了，如a 1 ”，z n m n + ，c u 等。游离的硫酸极 7 安璧理工太学硕士论文 少，可以忽略不计。酸性矿井水的主要指标是p h 值、酸度、f 矿等。 ( 5 ) 含特殊污染物矿井水 系指水中放射性指标或毒理学指标( 如重金属、氟、砷等) 超过国家饮用水卫 牛标准的矿井水。 地球上多数水体中都有放射性，地下水中放射性普遍高于地表水。地下水中天 然放射性核素其衰变产物与其母体达到放射性平衡状态，其浓度一般较低，属于低 放水平 耳前，我国的东北、华北北部、淮南等矿区有些矿井的矿芳水含铁、锰离子较 多，同时还含有少量的重金属离予，大部分均超过我国生活饮用水所规定标准值。 重金属不能被生物降解为无害物，无论采用何种方法处理重金属废水，都不能分解 破坏重金属，而只能转移其存在的未知、物理和化学形态。 我国绝大部分煤矿矿井水中均含有一定量的氟，但含量一般比较低，很少超过 我国工业废水所允许最高排放浓度( 1 0 r a g l ) 的矿若水。产生含氟矿井水的条件比 较复杂，通常认为主要受地理环境、地质构造等因素的影响。考虑到处理技术和成 本，目前对含氟矿井水处理一般是处理到符合排放标准即可，很少将含氟矿井水用 作生活水源。 需要指出的是，除了洁净矿井水以外，其余类型矿井水都同时含有一定数量的 悬浮物。由于水文地质等复杂的自然条件，在各个矿区往往存在着以某种类型为主 的混合型矿井水 i 前言 1 2 2 矿井水常规处理工艺综述 i 2 2 1 含悬浮物矿井水处理技术 含悬浮物矿井水的污染物主要是煤、岩粉悬浮物和细菌。这类矿井水又经常被 用作生活饮用水水源加以处理利用。所以左除矿井水中悬浮物和杀菌消毒是处理的 关键。图l ( a ) 和( b ) 是含悬浮物矿井水处理经常采用的2 种工艺。图l ( a ) 工 艺中，矿井水与混凝剂混合后直接进入澄清池进行澄清处理，上清液进入滤池过滤； 两在图l ( b ) 工艺中，矿井水与混凝剂混合后，现在反应池中进行充分混合反应， 再经沉淀池沉淀处理后，上清液才进入滤池过滤处理。所以，图i ( a ) 工艺优点是 流程相对简单，节省基建投资；而图l ( b ) 优点则是混凝反应充分，效果好。在选 择流程时，可根据当地具体情况进行选择确定。 ( a ) ( b ) 图l 含悬浮物矿井水处理工艺流程 f i g lt e c h n i c s f l o wo f s u s p e n d i n gs u b s t a n c e m i n e w a t e r n t a r n l e m 安敬理工大学硕士论文 1 2 2 ，2 高矿化度矿并水处理技术 高矿化度矿井水盐含量高，处理工艺除包括混凝、沉淀等工序外，其关键工作 是脱盐。高矿化度矿井水处理一般分成两个部分：第一部分是预处理，主要去除矿 井水中的悬浮物，采用常规混凝沉淀技术；第二部分是脱盐处理，是处理后出水含 盐量符合我国生活饮用水要求。其工艺流程如图2 所示。 高旷他度 图2 高矿化度矿井水处理工艺流程 f i 9 2t e c h n i c ef l o wo f h i g hm i n e r a l i z i n gm i n ew a t g * rt r e a t m e n t 1 2 2 3 酸性矿并水处理技术 茸前，国内煤矿酸性矿井水处理方法主要是中和法。中和剂是各种碱性物质， 其中苛性钠和纯碱价格太高。现已不用。一般是采用价格低廉两来源广泛的石灰石 或石灰作中和剂进行中和处理。处理设备有中和反应池、中和滚筒和升流式膨胀中 和塔等，为了除f e 2 + 和反应中产生的c 如，以充分中和酸性水，要增设曝气和沉淀处 理工艺过程 此外，生物化学处理含铁酸性矿井水是目前国内外研究比较活跃的处理方法。 湿地生态工程处理法是近年来迅速发展起来的一种技术，引起人们的极大兴趣囝 酸性矿井水水质一般比较复杂，若将其处理成生活用水，吨水处理成本必然相 当高。所以，目前酸性矿井水一般处理后达标排放或回用于一些对水质要求较低的 工业用水 1 0 1 前言 1 2 2 4 含特殊污染物矿井水 目前重金属废水的处理方法可分为两大类：第一类是使呈溶解状态的重金属转 交为不溶的重金属沉淀物，经沉淀从废水中去除，具体方法有中和法，硫化法、还 原法、氧化法、离子交换法，活性炭吸附法、电解法和隔膜电解等。第二类是浓缩 和分离，具体方法有反渗透法、电渗析法、蒸发浓缩法等。 含放射性废水的基本处理方法有化学沉淀法、离予交换法、蒸发法3 种。化学 沉淀法可处理高含盐量溶液，仳是当含有油质洗涤剂、络合剂时，可能有不利影响。 离子交换法适宜于处理悬浮固体量低、含盐量低、无非离予型放射性物质的矿井水。 而蒸发法适宜预处理洗涤剂含量低的废水。 含氟矿井水的处理丰要采用锡盐沉淀法、石灰乳沉淀法、离子交换一吸黠法和 电渗析法等。其中石灰乳沉淀法运行费用较低，处理后出水能够满足排放标准的要 求，所以目前煤矿经常采用此法来除氟。 1 2 3 国内外矿井水处理技术研究现状 1 2 3 1 国外煤矿矿井水处理技术现状 从目前矿井水的处理现状来看，西方工业发达国家由于水资源丰富，加之其煤 炭开采的工艺和方法与我国有一定的差别，矿井水资源化般不作为主要目的，外 排的矿井水普遍采用工艺简单的无害化处理后，直接排入地表水体，以避免地表水 体受到污染为最终日标。 世界上开展矿并水治理和开发利嘲工作比较早的国家有美国和前苏联。前苏联 煤炭工业的规模、开采技术及煤炭资源状况与我国柑似。前苏联煤矿矿井水排放鼍 犬近2 0 亿t a ，污染严秀在矿蚌水处理及其利用方面的研究起步较早，处 世 1 l 安整理工夫学硕士论文 界领先水平。为消除矿并废水对水体和土壤的污染。并合理希j 用矿井水资源作为生 产和生活用水，他们作的研究工作有：( 1 ) 将矿井水进行简单澄清和消毒后再排入 水体：( 2 ) 悬浮物矿井水净化处理后作为洗煤厂和井下防尘等工业用水；( 3 ) 高矿 化度矿井水净化和淡化处理后作为生活用水或工业用水。 前苏联对悬浮物矿井水的处理主要采用澄清和过滤处理工艺，大多数处理构筑 物属于利用重力沉降原理工作的机械式净水构筑物，即不同类型、尺寸、容量的沉 淀池；还有一部分是可进行物理化学反应的净水构筑物( 如混凝反应池、澄清池等) 。 处理用的混凝药剂多为硫酸铝和聚丙烯酰胺，个别情况下也有采用氯化铁和石灰。 悬浮物矿井水污泥采用干化场、离心机、压滤机三种方式脱水，成型固化。俄罗斯 北方矿区的矿井水均采用加入高效有机絮凝剂进行混凝、澄清处理，达到俄罗斯煤 炭工业企业规定的废水极限排放标准后，直接排放到地表水体。 对矿井水中盐类的去除，因前苏联存在最多的是氯化钠型矿井水，丰要采用的 脱盐方法有：( 1 ) 以改变水的聚集状态为基础的热处理方法，包括蒸馏、凝结等；( 2 ) 膜处理法，即反渗透、电渗析法；( 3 ) 化学试剂法，包括盐的沉淀、离予交换等。 实际使用经验表明，蒸馏淡化法适用于大规模水淡化站，其水的矿化度必须大 于1 5 9 l 才经济，这一方法对水中悬浮物和重金属盐离子的浓度没有严格要求。用 膜处理法( 电渗析、反渗透法) 可淡化矿化度在l 1 5 9 l 范围内的矿井水，并可得 到比蒸馏法便宜得多的淡水。试剂淡化法适用于处理矿化度小于2 9 l 的水。 在前苏联使用热处理方法淡化的含盐矿井水占1 5 ，其余均采用膜处理方法， 其中反渗透法淡化占7 ，电渗析法淡化占9 1 5 。在淡化工艺中除了淡化处理阶段 外，又分别进行了预处理( 去除悬浮物、软化、沉淀处理) 和高浓度盐水处理，从 而保证了按现行事态标准全部排除矿井水的污染 1 前言 对于酸性矿井水的处理，美国等西方国家与我国一样，主要是采用碱性物质中 和，再排入地表水体的方法。除采用中和法外，西方一些国家还采取人工湿地等技 术处理。同时，在美国也进行过在煤的开采巷道中喷洒有关的药剂，抑制煤中硫氧 化杆菌等微生物的生长和繁殖，以防止酸性矿井水产生的研究。 综合上述情况，俄罗斯和美国等西方国家耳前主要是进行矿井水的无害化处理 排放，其处理原理，基本工艺和方法与国内进行矿井水达标排放处理工艺基本相似， 但在煤矿专用的高分子有机絮凝剂和处理过程中的自动检测和控制技术方面比国内 先进。 1 2 3 2 国内煤矿矿井水处理技术现状 我国的矿井水处理的目标是选煤、除尘等煤炭牛，产的回用，并且应有相当比侈 l 的处理水达到饮用水的处理标准。我国矿井水处理和利用起始于7 0 年代，经过多年 的研究和实践已取得了一定的成果国内各类矿并水处理的原理与国外目前的水平 相近，目前国内矿井水的处理根据远水水质和出水用途的不同丰要采用一下工艺路 线： ( 1 ) 采用混凝( 絮凝) 、沉淀( 澄清) 工艺，实现矿井水无害化处理后，达标 排放； ( 2 ) 采用混凝( 絮凝) 、沉淀( 澄清) 、过滤，杀菌处理工艺，将矿井水净化后 做工业或牛活用水： ( 3 ) 经净化处理后的含盐矿井水采用电渗析、反渗透等膜处理技术进行脱盐 淡化，使其达到工业和牛活用水标准后叫用： ( 4 ) 对于含低放射性矿井水的处理目前缺乏使用与t ：业性应用的成熟工艺技 安欺理工大学硕士论文 术，一般采用电渗折、反渗透或离子交换等； ( j ) 采用加碱性物质中和的方法处理酸性矿井水，达标排放。 由此可见，关于矿井水的处理，国内外普遍采用的方法是“跌暴一絮凝一沉淀 - # 1 - 排”技术和工艺 8 - 9 1 ，有的工艺在外排前增加“过滤”环节，但r h - t - - , 成本较高、 过滤器易堵塞，因而通常不起用过滤设备( 如淮南潘三矿8 台过滤器长期闲置) 【l m 。”。 需要注意的是，从本世纪初开始，煤矿开采多数使用机械化、重型化，乳化液、废 机油等油类用量较大，矿井水油污染程度成倍加重，而目前的矿井水处理工艺技术 对于有机污染物，尤其是浊类污染物，处理效果不佳。 n # i - 在2 0 世纪8 0 年代起采用膜技术高级氧化处理各种废水1 5 】，特别是有毒、 难降解的废水。膜技术是利用过滤性膜的选择性透过分离杂质的方法，膜技术价廉、 。效率高和工艺简单，但膜污损问题影响它的广泛应用。湿空气氧化技术( w a o ) 是最 基本的一种高级氧化技术，湿空气氧化技术用于炼焦、化工、石油和轻工等废水， 但是它需要在高温( 1 2 5 3 2 0 ) 、高压( o 5 2 0 m p a ) 下工作。另外，其它技术，包 括超临界水氧化技术，电化学技术、光催化技术，超卢技术、微波技术以及各种技 术的组合均在研究、试用。但由于矿井水与普通地表水的水质特性差异较大。这些 水处理技术和工艺，对于含多元相水混合物的矿井水处理，有待进一步开发研究。 最近几年中在矿井水净化处理领域研究深入、有成果的为我国煤炭科学研究总 院杭州环境保护研究所在大屯煤电公司所开展的研究，他们提出了降低沉淀表面负 荷，通过水力循环澄清池投加聚合氯化铝或聚丙烯酰胺混凝澄清，再经重力式无阀 滤池或普通快滤池过滤去除矿井水中悬浮物的工艺，并在此工艺原理基础上开发出 了组合式装置，这对盲目套用市政通用的反应絮凝沉淀过滤工艺来处 理矿井水是一个有意义的改进。在一定程度上能解决原有设施反应时间短、二次加 1 4 1 前言 药工艺不合理、乳化油影响过滤效果的问题，但其本身仍属于传统工艺范畴，只是 较大限度地降低了负荷( 为原负荷的0 3 o 7 倍) 而改善了处理效果，其后续消毒 工艺也是传统的。去除放射性也需另投放射性处理剂。 目前，我国煤矿矿井水开发利用过程中需解决的主要问题有： ( 1 ) 由于受井下开采过程中人为活动的影响，含有以煤泥为丰的悬浮物是一般 矿井水所具有的共性。一些煤矿已相继建成了矿井水净化站( 厂) ，采用常规的混凝、 沉淀和过滤工艺，将悬浮物去除后做工业和生活用水。但由于不同矿并水悬浮物( 主 ， 要为煤粉) 的特性不同，所能匹配的混凝剂也不尽相同，因此在悬浮物处理方面， 目前主要存在的问题是如何优化混凝剂的选择。 ( 2 ) 目前煤矿矿井水处理所选用的净水设备多为市政水处理通用设施，由于矿 井水与普通地表水的水质特性差异很大，一般净水设施的处理量只能达到其原设计 水处理量的4 0 6 0 ，为此，在研究开发矿并水资源化技术的同时，研究开发适 应矿井水水质特征的成套水处理工艺和设备，不仅是对矿井水净化资源化技术的完 。 善，更重要的是可建立具有煤矿特色的环保产业，对煤炭行业的技术进步和环保产 业发展具有重要的意义【】。 1 3 课题研究的目的和意义 1 3 1 研究的目的 针对矿井水这种特殊类型的污废水，本研究提出以悬浮澄清池投加多阶段多效 水处理剂高铁酸钾( k ：f e o 。) 涩凝澄清，结合过滤池过滤；对于经高铁酸钾处理后的 矿井水中可能残留的有机或高分了污染物，再利用纳米t i o ：光倦化技术进行降解 安赞理工大学碰士论文 直至达到饮用水【直接饮用水) 标准的新工艺及其组合装置。研究的主要目的如下： 利用改性的方法，研制出改性纳米二氧化钛，使二氧化钛光谱响应范围扩展 至可见光波段，提高其量子产率和对可见光利用率，增强其光催化活性，使其更加 具有实际应用价值。并且测试其在各种环境条件下运用于矿井水实际处理的工艺参 数和应用效果。 高催化效碍罨、具可放大性的光催化反应器的设计，是二氧化钛光催化技术在 水处理中实际应用的关键点。找到适宜的固定负载技术，设计出高效实用的光催化 反应器进行矿井水深度处理。 研制出高效的高铁酸钾水处理剂，从实际应用出发，研究高铁酸钾在各种环 境条件下矿井水处理方面的最佳工艺参数。 以资源化利用为目标，对现有的矿井水处理工艺进行改造，合理的运用先进 的矿井水净化处理工艺，设计出投资少、效果好的成套矿井水深度净化处理k 。f e 仉一 纳米t i 如联用工艺进行中试，馒处理过的矿井水可以达到生活饮用水的标准，从i f i i 对矿区矿井水的资源化利用，实现矿区的可持续发展进行有意义的尝试。 1 3 2 研究的意义 高铁酸钾是2 0 世纪7 0 年代以来开发的新型水处理剂。它正以其独特的水处理 功能吸引越来越多的学者研究其制备及应用开发陋1 5 1 ，制备工艺不断优化，产品纯 度和产率逐渐提高，应用领域逐步拓宽目前已有工，。实现工业化牛产，具有十分 广阔的开发前景。 试验证明，高铁酸钾比高锰酸钾和重铬酸钾具有更强的氧化性【幡”，在水处理 中的应用【2 5 】十分广泛，m u r m a n n 与r o b i n s o ( 1 9 7 4 ) 首次发现高铁酸钾具有明显的 6 1 前言 灭菌作用，高铁酸钾的灭活效率优于h o c l 和0 c 1 一。而且能有效杀死藻类、有选择性 地氧化水中的有机物、能有效地去除生物污泥中的h 2 s 、c h 3 s h 和n h 。等恶臭物质，有 利于废物资源化。因此，高铁酸钾在矿井水可饮用化研究中，具有重要的理论和实 践意义。 虽然高铁酸钾具有强氧化性，但也是有选择性的。经高铁酸钾前期处理后的矿 井水中，可能残留有机或高分予污染物，对此，再利用纳米t i 0 ：光催化降解。