中和助凝法处理含铁煤矿酸性废水研究

Study on Treatment of Acidic Wastewater from Iron-Bearing Coal Mines by Neutralization and Coagulation Aid Method

摘要: 针对含铁煤矿酸性废水，采用中和助凝法去除其中的铁离子及SS。理论分析了溶液的pH值、水温及助凝剂量跟铁离子及SS去除率之间的关系。通过实验研究了pH值、水温及助凝剂量的最佳值。实验表明，在温度在18℃~25℃之间，pH值在7~8之间，PAM投加量在5 mg/L附近，对于铁离子及SS去除率较好。

Abstract: Aiming at acid wastewater from iron-containing coal mines, neutralization Coagulation-aid method was used for the removal of iron ions and SS. The relationship between the pH value, water temperature and coagulation dose of the solution and the removal rate of iron ion and SS was an-alyzed theoretically. The optimum values of pH value, water temperature and coagulation aid dose were studied through experiments. The results show that the removal rate of iron ion and SS is better when the temperature is between 18˚C - 25˚C, the pH value is between 7 and 8, and the dos-age of PAM is around 5 mg/L.

1. 前言

煤矿废水中水溶物质主要有硫酸亚铁和硫酸钙，其它物质是钾钠镁等微量盐类。其主要特点是酸度大，浊度高，固体悬浮物粒度细，颗粒表面带有较强的负电荷，在水体中保持分散状态 [1] 。这类废水经沉淀后上清液仍带有大量煤泥等悬浮物，如不经治理加以排放，将会造成严重的地表水和地下水污染。目前国内外的中和处理法，一般采用石灰石及石灰乳法，出水中钙离子及硫酸根离子含量排放超标，且对含铁酸性废水处理技术研究较少 [2] [3] 。本研究在中和法处理酸性废水的原理基础上 [4] [5] ，依据铁钙等离子水解PH值的差异，及硫酸亚铁本身可作为混凝剂的特性 [6] [7] ，增加助凝剂可显著提高混凝沉淀效果，故本研究采用中和助凝法处理的工艺方案，取得废水排放达到国家标准和废水再利用的目的。

2. 材料与方法

2.1. 实验材料

实验所用废水取自湘潭TJS煤矿的矿井涌水，其主要水质指标如表1所示。

Table 1. Main water quality indicators of wastewater

表1. 废水的主要水质指标

2.2. 实验仪器

电子天平(FA1004N，上海精密)、精密酸度计(PHS-3B，上海精密)、紫外分光光度计(TV-1901，北京普析)、原子吸收分光光度计(AA-7000，北京三雄)、六联六温搅拌器(JJ-6S，常州金坛精达仪器)等。

2.3. 分析方法

用PHS-3B精密酸度计测定；Fe²⁺、 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 浓度由紫外分光光度计及原子吸收分光光度计测定；SS采用重量法测定。取量筒量取1 L实验用废水于烧杯中，加入不同量的Ca(OH)₂及助凝剂PAM，用搅拌器混合絮凝，在各种温度及沉淀时间下，提取上清液进行分析。

3. 结果与讨论

3.1. pH值对铁离子沉淀和SS的影响

在水温为18℃时，通过改变Ca(OH)₂试剂的投加量，设定混合阶段搅拌器转速为300 r/min，为时1 min，絮凝搅拌器转速先为100 r/min，为时5 min，再调整转速为20 r/min，为时10 min，沉淀时间取30 min，然后取上清液测定Fe、SS的含量。得出不同pH值(或Ca(OH)₂量) [8] 与Fe²⁺、SS的浓度关系，如图1所示。

Figure 1. Relationship between pH value and removal rate of Fe and SS

图1. pH值与Fe、SS去除率关系图

从图1结果可以得出：

1) 随着pH值增大，上清液中Fe离子、SS浓度下降明显，去除率变大；当pH大于7.5后，pH值对Fe离子、SS的去除率影响不大。这是因为随着Fe(OH)₃的沉淀，水中Fe离子浓度减少；随着Fe(OH)₃及CaSO₄的沉淀，SS减少。

2) 当pH > 5.8时，Fe离子去除率大于SS去除率；pH < 5.8时，Fe离子去除率小于SS去除率。当pH > 7时，Fe离子去除率远远大于SS去除率。分析其原因为：开始投加Ca(OH)₂时，主要消耗水中的酸度，Fe(OH)₃沉淀较少，而有跟CO₂反应生成的CaCO₃及微溶于水的CaSO₄沉淀；随着投加量增加，以Fe(OH)₃沉淀为主。

3.2. 水温与铁离子和SS去除效果的关系

改变水温，调整pH = 7.5，其他条件同3.1，取上清液测定Fe、SS的含量。得出不同温度下Fe、SS的去除率，如图2所示。

Figure 2. Relationship between T value and removal rate of Fe and SS and removal rate of Fe and SS

图2. T与Fe、SS去除率关系图

从图2结果可以得出：当水温T < 22℃，随着温度增加，上清液中Fe离子、SS去除率变大；当水温T > 22℃，随着温度增加，上清液中Fe离子、SS去除率反而变小。这是因为起初温度较低，化学反应难以进行；低温水粘度大，胶体颗粒难以脱稳凝聚。温度过高，造成废水中氧含量减少，Fe²⁺难以氧化成Fe³⁺，从而使Fe(OH)₃的沉淀减少 [9] ；温度过高也使水体中的絮凝体难以聚集沉淀。

3.3. 助凝剂对铁离子和SS去除效果的影响

水温为18℃，调整pH至7.5，其他条件同3.1，投加不同量助凝剂PAM，取上清液测定Fe²⁺、SS的含量。得出不同温度下Fe、SS的去除率，如图3所示。

Figure 3. Relationship between PAM value and removal rate of Fe and SS

图3. PAM投加量与Fe、SS去除率关系图

与图1 pH = 7.5时比较，当PAM投加量低于5 mg/L时，Fe离子去除率变化不大，当投加量大于5Fe离子去除率反而变小；这是因为Fe(OH)₃浓度积很小，是多孔凝胶体，比较容易沉淀，当投加量过多时，PAM水解的羧基带负电，不利于Fe(OH)₃沉淀。SS去除率随着PAM投加量增加而变大，当投加量达到5.2 mg/L时，SS去除率达到最高，随后投加量增大SS去除率反而变小。因为PAM是一种高分子物质，对胶体有强烈的吸附作用，随着投加量增加SS去除率增加，当投加量过多时，PAM水解的羧基带负电，产生静电斥力，不利于颗粒脱稳凝聚。

4. 结论

通过对含铁煤矿酸性废水中Fe、SS去除率的分析研究，主要获得如下认识：

1) pH值决定于Ca(OH)₂试剂的投加量，是去除Fe、SS的关键因素。确定合适的pH值，有利于实际运用时的经济性以及废水处理后水质达标排放。

2) 温度不同，废水中空气的溶解度不同，对二价铁氧化影响较大。针对冬夏季，在实际应用时，Ca(OH)₂的投加一般采用熟石灰，其形式为液体投加亦或粉末投加可进一步研究。不同温度絮凝沉淀效果也不一样。

3) 助凝剂的使用有利于SS去除，对二价铁氧化影响较大。针对冬夏季，在实际应用时，Ca(OH)₂的投加一般采用熟石灰，其形式为液体投加亦或粉末投加可进一步研究 [10] 。不同温度絮凝沉淀效果也不一样。

基金项目

湖南省教育厅资助科研项目(10C0705)、湖南省教育厅资助科研项目(10C0669)。