汪　嵐，蔡井剛，胡治平

(1 神華浙江國華寧海電廠，浙江　寧波　315612；2 神華國華電力研究院，北京　100025)

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疏干水深度處理工藝路線設計與分析

汪嵐1，蔡井剛2，胡治平2

(1 神華浙江國華寧海電廠，浙江寧波315612；2 神華國華電力研究院，北京100025)

通過介紹礦井疏干水的水質特點，分析了污染物去除的化學機理；根據(jù)某處典型的疏干水水樣數(shù)據(jù)，設計一套包含去除重金屬、硬度、硫酸根等污染物的水處理工藝路線，重點對工藝過程中的兩級軟化水質變化數(shù)據(jù)進行分析和計算，最后評估了該工藝路線對疏干水凈化處理的預期處理效果，并討論了工藝路線應用實施的可行性。為礦井疏干水在火電廠的綜合利用提供了技術參考。

疏干水；重金屬；軟化；工藝路線

我國的西北部地區(qū)煤儲量豐富，為了充分利用地區(qū)資源優(yōu)勢，同時伴隨著輸變電技術的日新月異，越來越多的坑口電廠應運而生。然而發(fā)電生產是用水大戶，在該地區(qū)淡水資源相對匱乏的大背景下，礦井疏干水作為水源、回收使用具有重大的經濟效益和環(huán)境效益。礦井疏干水的水質受地質構造、各種煤系伴生礦物成分、水源特征以及所在地區(qū)環(huán)境條件的影響。在采煤、掘進、開拓生產過程中，清水中常?；烊牒屑毦奈镔|，從而導致水質較差。[1-4]因此，疏干水進入火電廠后，必須進行深度處理，以滿足發(fā)電生產的水質要求。

1　疏干水的水質特點

礦井疏干水普遍具有水源水質復雜、多變，含鹽量、硬度(主要為永久硬度)、鐵、鋁、錳等的含量均較高的特征，表1是某一時間某礦井疏干水水質情況。

表1　某礦井疏干水水質情況Table 1　Water quality of drainage water in for sample

續(xù)表1

1/2Mn2+3.31mmol/L非碳酸鹽硬度58.22mmol/L全硅30.01mg/LH+1.12mmol/L碳酸鹽硬度0.00mmol/L非活性硅1.15mg/LF-0.55mmol/L負硬度0.00mmol/L鐵1568.2mg/LCl-7.98mmol/L甲基橙堿度0.00mmol/L鋁224.1mg/L1/2SO2-4153.27mmol/L酚酞堿度0.00mmol/L錳90.8mg/LHCO-30.00mmol/L酸度9.78mmol/L透明度橙黃色、不透明

礦井水樣具有的特點：含鹽量高；酸度高；硬度組成全部為非碳酸鹽硬度，且鈣離子和鎂離子濃度均高；COD含量高；氨氮、懸浮物、細菌等指標也偏高；鐵、錳、Al含量極高；含有Ba，Sr等特殊元素。

2　污染物去除機理分析

2.1鐵的去除

水樣中鐵的含量極高，是主要的污染因素，其中離子態(tài)的鐵包括2價鐵和3價鐵。

由于氫氧化鐵的是不溶于水的，3價鐵離子與水中微量氫氧根反應生成氫氧化鐵，沉淀析出。氫氧化鐵的溶度積1.1×10-36(18 ℃，數(shù)據(jù)來自蘭氏化學手冊)[3]，根據(jù)溶度積推算，氫氧化鐵飽和溶液的pH為4.18，此時3價鐵離子的濃度為0.449×10-6mmol/L(2.56×10-5mg/L)。當水溶液pH為2.8時，3價鐵離子的濃度0.0044 mmol/L(0.118 mg/L)。本水樣pH 2.95基本可以認為基本不存在3價鐵離子。

在常溫條件下，水溶液中的2價鐵與水中的微量溶解氧反應，生成3價鐵。反應式如下：

4Fe2++O2+10H2O=4Fe(OH)3↓+8H+

當水溶液pH大于7.0，為堿性環(huán)境時，2價鐵氧化、沉淀反應如下：

4Fe2++8OH-+O2+2H2O=4Fe(OH)3↓

氫氧化亞鐵的溶度積為1.64×10-14(18 ℃，數(shù)據(jù)來自蘭氏化學手冊)[3]，根據(jù)溶度積推算，氫氧化亞鐵的飽和溶液pH為9.5(18 ℃)，即當pH升到9.5時，氫氧化亞鐵開始飽和，產生沉淀析出，

此時二價鐵離子的濃度為0.016 mmol/L(0.896 mg/L)。根據(jù)上述分析，當pH大于9.5時，大量的過飽和2價鐵形成氫氧化亞鐵沉淀析出，2價鐵的氧化、沉淀反應變成如下：

4Fe(OH)2+2OH-+H2O+O2=4Fe(OH)3↓

2.2錳的去除

錳一般以2價狀態(tài)存在，對于2價錳離子的去除，可以通過加堿提高水溶液的pH，使2價錳以氫氧化錳的形式沉淀析出。

氫氧化錳的溶度積為4×10-14，(18 ℃，數(shù)據(jù)來自蘭氏化學手冊)[3]，根據(jù)溶度積推算，氫氧化錳的飽和溶液pH為9.63(18 ℃)，即當pH升到9.63時，氫氧化錳開始過飽和，生成沉淀析出。此時二價錳離子的濃度為0.0215 mmol/L(1.183 mg/L)。當溶液pH升10.0時，2價錳離子的濃度將降低到0.004 mmol/L(0.108 mg/L)。

2.3鋁的去除

鋁一般以3價離子存在于水溶液中，氫氧化鋁是不溶于水的，通過提升水溶液的pH，使3價鋁離子形成氫氧化鋁沉淀析出。

氫氧化鋁本身為兩性氫氧化物，其與酸和堿均發(fā)生反應，其電離水解分為酸性水解和堿性水解兩種方向。氫氧化鋁堿性條件下電離時的溶度積為4.0×10-13(20 ℃，數(shù)據(jù)來自蘭氏化學手冊)[2]，根據(jù)溶度積推算，氫氧化鋁酸性電離時飽和溶液的pH為9.47(20 ℃)，即當pH升到9.47時，氫氧化鋁開始過飽和生成沉淀析出，此時3價鋁離子的濃度為0.349 mmol/L(9.42 mg/L)。

2.4鎂的去除

鎂在水溶液中一般以2價離子狀態(tài)存在，是水中硬度的主要組成成分之一。由于氫氧化鎂是不溶于水的電解質，對于2價鎂離子的去除，可以通過加堿提高水溶液的pH，使2價鎂離子以氫氧化鎂的形式沉淀析出。

氫氧化鎂的容度積為1.2×10-11(18 ℃，數(shù)據(jù)來自蘭氏化學手冊)[3]，根據(jù)溶度積推算，氫氧化鎂的飽和溶液pH為10.46(18 ℃)，即當pH升到10.46時，氫氧化錳開始過飽和，生成沉淀析出，此時二價鎂離子的濃度為0.144 mmol/L(1.183 mg/L)。

2.5硫酸根的去除

硫酸根在水中一般是穩(wěn)定存在的的，通常不用去除，當水溶液中硫酸根離子濃度過高時，可以通過過量投加鈣離子，使硫酸鈣過飽和，形成沉淀析出。

硫酸鈣的溶度積為6.1×10-5(25 ℃，數(shù)據(jù)來自蘭氏化學手冊)[3]，根據(jù)溶度積推算，硫酸鈣飽和溶液中鈣離子和硫酸根離子的濃度相同，為7.81 mmol/L(Ca2+為312.4 mg/L，硫酸根為749.8 mg/L)。

2.6鈣的去除

鈣在水溶液中一般以2價離子狀態(tài)存在，是水中硬度的主要組成成分之一。由于碳酸鈣是不溶于水的電解質，對于2價鈣離子的去除，可以通過加純堿使2價鈣離子以碳酸鈣的形式沉淀析出。

碳酸鈣的容度積為0.87×10-8(25 ℃，數(shù)據(jù)來自蘭氏化學手冊)[3]，根據(jù)溶度積推算，碳酸鈣飽和溶液中鈣離子與碳酸根離子濃度相同，均為0.0938 mmol/L(18 ℃)，其中鈣離子的濃度為3.75 mg/L，碳酸根離子為5.628 mg/L。

3　疏干水處理工藝路線設計與分析

通過疏干水水質特點和污染物去除機理分析，結合電廠實際用水要求，設計疏干水處理工藝路線，并進行可行性分析。設計系統(tǒng)由曝氣堿中和除重金屬單元、軟化單元、出水調節(jié)單元組成。

工藝流程：原水→曝氣中和池→絮凝反應池→澄清池→中間水池→軟化中和池→絮凝反應池→澄清池→清水池→化學制水系統(tǒng)

3.1曝氣中和除重金屬單元

3.1.1設計工藝

除重金屬單元，通過投加氫氧化鈣(石灰乳)和曝氣，使pH上升到9.4，經過混凝澄清后，上清液進入后續(xù)處理單元，產生的沉淀輸送至污泥脫水系統(tǒng)。

3.1.2除重金屬單元去除量計算

(1)Al：水中溶解的鋁離子，以氫氧化鋁沉淀析出，使水中殘余鋁離子小于0.81 mg/L。原水鋁離子濃度：672.84 mg/L；鋁離子殘余濃度：小于0.82 mg/L；氫氧化鋁沉淀生成量：1941.3 mg/L；氫氧化鈣理論消耗量：2763.9 mg/L。

(2)Fe：水中溶解的二價鐵離子(原水pH 2.95，基本不存在三價鐵)通過曝氣氧化，以氫氧化鐵的形式沉淀析出，溶液中殘余鐵離子濃度小于0.118 mg/L。原水中二價鐵離子濃度：3385.2 mg/L；鐵離子殘余濃度：小于0.118 mg/L；氫氧化鐵沉淀生成量：6528 mg/L；氧氣的理論消耗量：483 mg/L；氫氧化鈣的理論消耗量：4473 mg/L。

(3)Mn：水中溶解的2價錳離子，以氫氧化錳的形式沉淀析出，根據(jù)氫氧化錳的溶度積推算，溶液中的2價錳離子濃度為3.5 mg/L。原水中二價錳離子濃度：90.02 mg/L；處理后殘余錳離子濃度：3.5 mg/L；氫氧化錳沉淀理論生成量：140 mg/L；氫氧化鈣的理論消耗量：116 mg/L。

(4)Mg：根據(jù)氫氧化鎂的溶度積推算，在溶液環(huán)境pH為9.4時，水溶液中2價鎂離子的飽和濃度為456.5 mg/L，因此水中溶解的2價鎂離子，在此過程中并不能形式沉淀析出處理后殘余鎂離子濃度為：403.3 mg/L。

(5) 硫酸根：當水溶液中鈣濃度高時，硫酸根會因為形成硫酸鈣，過飽和析出，根據(jù)前述反應統(tǒng)計，氫氧化鈣累計投加量為7532 mg/L，鈣離子投加量為的摩爾濃度為99.35 mmol/L。當水溶液環(huán)境pH為9.4時，根據(jù)硫酸鈣的溶度積計算：原水中硫酸根濃度為：7356.96 mg/L；反應后硫酸根理論殘留濃度：159.6 mg/L；反應前鈣離子濃度為：4466.2 mg/L；反應后鈣離子理論殘留濃度：1466.2 mg/L：硫酸鈣沉淀理論生成量：10196.2 mg/L。

3.2軟化單元

3.2.1設計工藝

來自除重金屬單元的水，進入軟化單元，通過投加氫氧化鈉和碳酸鈉，使溶液環(huán)境pH上升至10.5，降低硬度，去除水中殘余金屬離子，再經過絮凝澄清后，上清液進入下一處理單元。

3.2.2軟化單元去除量計算

(1)Mn：水溶液環(huán)境pH自9.4上升到10.5后，溶液中殘余的2價錳離子，以氫氧化錳的形式繼續(xù)沉淀析出。當pH上升到10.5，根據(jù)氫氧化錳的溶度積推算，溶液中的2價錳離子殘留濃度0.022 mg/L。進水二價錳離子濃度：3.5 mg/L；處理后殘余錳離子濃度：0.022 mg/L；氫氧化錳沉淀理論生成量：5.5 mg/L；氫氧化鈉的理論消耗量：2.47 mg/L。

(2)Mg：水溶液環(huán)境pH上升到10.5后，溶解的2價鎂離子，能夠以氫氧化鎂的形式沉淀析出，根據(jù)氫氧化鎂的溶度積推算，在溶液環(huán)境pH為10.5時，水溶液中2價鎂離子的飽和濃度為2.88 mg/L(0.12 mmol/L)。原水中2價鎂離子的濃度為：403.3 mg/L；處理后殘余鎂離子濃度為：2.88 mg/L；氫氧化鎂沉淀理論生成量：967.7 mg/L；氫氧化鈉理論消耗量：667.4 mg/L。

(3)Ca：來自除重金屬單元的上清液投加碳酸鈉去除水中的鈣硬度。溶液中的鈣離子與碳酸鈉反應，碳酸鈣沉淀析出。根據(jù)碳酸鈣的溶度積推算，pH為10.5時，鈣離子濃度為3.75 mg/L(0.0938 mmol/L)。根據(jù)碳酸鈣的溶度積計算：反應前中鈣離子濃度為：1466.2 mg/L(36.561 mmol/L)；反應后鈣離子理論殘留濃度：3.75 mg/L(0.0938 mmol/L)；碳酸鈉的理論消耗量為：3875 mg/L(37.467 mmol/L)；碳酸鈣沉淀理論生成量：3656.1 mg/L(37.467 mmol/L)。

3.3水質調節(jié)單元

經過除重金屬和軟化處理后的礦井疏干水在位于末端的清水池中用酸將pH調節(jié)到7.5，儲存在清水池中，作為化學制水系統(tǒng)的入水。

pH從10.5下降至7.5的氫離子理論消耗量為：0.316 mmol/L。按100%純度鹽酸計算，酸理論消耗量為11.5 mg/L。

3.4處理效果分析

礦井疏干水按照按照以上設計的處理工藝處理后的理論效果分析：殘余硬度全部轉變?yōu)樘妓猁}硬度；重金屬基本去除；含鹽量大幅度下降；酸度得到調節(jié)；色度和懸浮物等也大幅度改善。

3.5藥品消耗量和污泥產量

核算處理每單位體積疏干水，各化學藥品消耗量及污泥生成量：空氣：8.38 Nm3/m3，氫氧化鈣7532 mg/L氫氧化鈉670 mg/L碳酸鈉3875 mg/L污泥產生量23649.8 mg/L。

其中：根據(jù)理論計算，氧氣消耗量約為483 mg/L，每標方空氣中氧氣的質量約為0.29 kg，氧氣利用效率一般為20%，推算出曝氣量為8.38 Nm3/m3疏干水。污泥生成量是氫氧化鋁、氫氧化鐵、硫酸鈣、氫氧化鎂、氫氧化錳、碳酸鈣沉淀量和原水中懸浮物之和。

4　結　論

工藝路線中除去了疏干水中大部分污染物，包括重金屬、硬度，極大的降低了水的含鹽量，水質指標達到電廠用水的要求。

(1)利用石灰乳+純堿兩級軟化，高效的去除鐵、鋁、鈣、鎂等金屬元素，軟化混凝澄清集成工藝的應用目前已較為成熟。

(2)利用了原水中硫酸根含量高的特點，在去除硫酸根的同時去除了大量的鈣，大大減少了純堿的消耗量。

(3)設計工藝較為成熟，工程應用的可行性高，可作為疏干水深度處理工藝路線設計的理論參考。

[1]王天平,解建倉, 張建龍,等.基于突變理論的西王寨礦區(qū)礦井疏干水開發(fā)利用風險評價[J].西安理工大學學報,2010,26(4):417-418.

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[3]劉崗,馬光路.火電廠煤礦疏干水利用存在的問題及應用討論[J].內蒙古電力技術,2010,28(z2):14.

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Design and Analysis of Technical Route for Mine Dewatering Water Treatment

WANGLan1，CAIJing-gang2，HUZhi-ping2

(1 Shenghua Guohua Ninghai Power Plant, Zhejiang Ningbo 315612;2 Shenghua Guohua Electric Research Institute, Beijing 100025, China)

Through the mine drainage water quality characteristic, the chemical mechanism of pollutants removal was analyzed. According to somewhere typical drainage water sample data, a water treatment process for removal of heavy metal, hardness, the sulfate and other pollutants was designed, focus on process of two-stage softening water quality changes in the data analysis and calculation, the desired treatment effect of the sparse dry water purification by the process route was evaluated, and the feasibility of process route application was discussed. It provided a technical reference for the comprehensive utilization of mine drainage water in thermal power plant.

mine dewatering water; heavy metal; demineralize; process route

汪嵐( 1981-) ，男，本科，畢業(yè)于華東理工大學化學工程與工藝專業(yè)，工程師，主要從事火電廠化學及環(huán)保相關技術。

TQ110.9

A

1001-9677(2016)08-0174-03