礦井污水氟化物處理分析

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摘要：在煤礦產品生產制造過程中，會排出大量礦井水，并于水巖相互作用的影響下形成礦井污水。此類礦井污水氟含量相對較高，未經除氟處理前被利用，或排入地下，會導致飲用主體患病，或造成地下水污染。因此，以礦井污水作為研究對象，探討與其相關的氟化物處理與分析問題。首先，概述了氟化物處理工藝。其次，結合某礦井污水氟化物處理項目，介紹了礦井污水處理工藝，剖析了新增除氟工藝。最后，在分析活性氧化鋁除氟濾池設計與濾料再生系統設計后，對全文進行了總結。

關鍵詞：礦井污水；氟化物處理；分析

在天然水體之中，氟化物的存在相對廣泛，當該物質濃度超標后會產生相應的危害，根據飲用主體、使用對象的不同，其危害程度也存在差異。以礦井污水為例，它與礦區生產用水、生活用水相關聯，一旦發生氟超標現象，后果不堪設想。所以，在礦井污水處理方面，設置了相對嚴格的標準，需要使其滿足地表水三類標準，同時，要求氟化物的質量濃度被嚴格控制1.0mg/L。現階段，對礦井污水氟化物的檢測技術相對多元、處理方式比較多樣。本文以活性氧化鋁除氟工藝為主展開具體討論。

1氟化物處理工藝概述

1.1除氟方法

現階段，國際市場、本土市場的除氟方法基本處于同一發展水平。主要包括以下幾類：①化學法；②電化學法；③離子交換法；④反滲透法；⑤吸附法。而且，在不同的除氟方法下，又可以細分出不同的方法。以化學法為例，主要為混凝沉淀法。從實踐經驗看，礦井污水在不同的礦井類型下，水質會出現相應的差異，而且，受到開采方案、礦井坑道所處狀態、地下巖層等多重因素影響。含氟污水流經坑道、排放到自然環境后，可能對土壤、水體、植物、人體等產生較大危害。所以，通常根據含氟廢水的實際檢測情況，選擇相應的除氟方法與工藝，并配套相應的設備進行全面處理。

1.2以吸附法和混凝法為例

1.2.1低濃度氟化物吸附法。吸附除氟方法因成本低、吸附容量大、技術相對成熟等比較優勢，獲得了有效推廣及應用。從應用情況看，一方面，吸附劑種類相對較多，可以根據實際除氟需求選擇骨炭、活化沸石、活性氧化鎂、活性氧化鋁等不同類型。另一方面，吸附劑的應用效果在各方面獲得了實證，適用于較大規模的除氟項目。例如，在美國的六種除氟方法中，就明確列舉了活性氧化鋁吸附劑，而且，在我國本土市場的科研成果方面，吸附氟化物容量相對較高的氧化鋯樹脂、羥基磷石灰等，也獲得了較大關注。從原理方面看，該方法主要是利用吸附劑過濾層，對含氟污水進行過濾，并使其在相應的pH范圍內達到除氟目的。該方法的化學方程通常記為：R2SO4+2F-=R2F2+SO42-。1.2.2高濃度氟化物混凝法。在吸附法使用過程中，存在吸附劑使用失效、成本增加、高濃度氟化物除去的問題。所以，在實際使用中，為了化解此類問題，大部分企業會根據吸附劑的再生方案，延長其應用時間、擴增除氟效用。現階段，吸附法濾料再生環節使用的再生劑包括了氫氧化鈉、硫酸鋁、活性氧化鋁等。本次研究中，主要以活性氧化鋁濾料為準，對于再生過程中生成的高濃度氟化物，則主要采用石灰進行處理。具體而言，在氟化物的除去過程中，吸附法適用于低濃度氟。為了有效化解高濃度氟條件下的除氟目標，通常會配套的使用化學處理方法中的混凝沉淀法（也稱混凝法），應用中主要包括兩部分，一是通過氧化鋁濾料吸附低濃度含氟廢水，二是將脫附的高濃度含氟廢水（量少）經藥劑混凝沉淀去除，出水回到原水再經濾料吸附處理。

2礦井污水氟化物的處理與分析

2.1工程概況

以某礦井污水處理中，新建深度處理單元的處理能力為1000m3/d，深度處理單元的進水為現有礦井水處理單元的出水，根據監測數據，現有深度處理單元的進水水質在pH無量綱條件下：①COD≤20mg/L；②氟化物≤10.0mg/L。同時，要求對礦井污水處理后，達到《地表水環境質量標準GB3838—2002》Ⅲ類水標準。其中要求在pH無量綱條件下：①COD≤20mg/L；②氟化物≤1.0mg/L；③總磷≤0.2mg/L；④石油類≤0.05mg/L；⑤pH控制在6~9。通過現有水質與處理后的水質指標比較，需要將氟化物降低到1.0mg/L以下（含）。

2.2礦井污水氟化物處理工藝與分析

2.2.1礦井污水處理工藝。該煤礦礦井現有污水處理工藝主要以“預沉調節-絮凝沉淀-過濾-排放/回用”為準，正常情況下，其出水水質可以滿足《地表水環境質量標準GB3838—2002》Ⅲ類水標準中的除氟以外其他物質的處理要求，可是，為了保障出水氟化物在標準要求以內，該礦需要再配套的設置除氟裝置，并利用除氟工藝完成對氟化物的強化除去目的。2.2.2礦井污水除氟工藝。經細致剖析該煤礦礦井污水處理方案，明確強化除氟目標后，在原有的處理工藝基礎上，新增了除氟工藝。具體如下：①當礦井水經原系統過濾處理后，進入了吸附除氟處理環節。本次研究中選擇的吸附劑為活性氧化鋁。②吸附劑使用時，達到飽和或失效時，配套使用吸附劑再生工藝，確保吸附劑的有效利用。具體的再生工藝過程以“反沖—再生—二次反沖—中和”四個階段為準。③對于脫水后的高濃度氟進行處理，主要是在活性氧化鋁濾料基礎上應用石灰，形成高效混凝劑，以此達到除氟目的。具體的工藝流程見圖1。2.2.3活性氧化鋁除氟分析。2.2.3.1影響因素。在活性氧化鋁除氟工藝中，會受到多重因素的影響，包括顆粒粒徑、原水pH、原水初始氟濃度、原水堿度、氯離子、硫酸根離子，以及砷的影響等。根據現階段的實驗驗證及應用經驗分析：一方面，顆粒粒徑越大，其強度越高，吸附容量越低，使用壽命較長。反之，則容易發生失效或飽和現象。另一方面，原水pH越低（大于5）、初始氟濃度越高、堿度越小、其他離子越少，吸附容易越大，反之則越小。所以，通常在活性氧化鋁的除氟濾池設計參數的控制方面，通常會考慮到影響它的上述因素。同時，從氟與吸附劑之間的新親和力、離子選擇行為等，對其進行綜合考量、全面剖析、精準控制。2.2.3.2活性氧化鋁除氟濾池設計。（1）確定濾池功能：去除水中的氟化物，使出水滿足地表水Ⅲ標準。（2）從系統控制的角度出發，將該除氟工藝方案，設計為一整套設備過濾器。并且，按照聯運行方式，為了保障設備使用的有效性，配套設置備用設施。保障設備運行中，當某臺過濾器接近飽和后，將其離線，進行氧化鋁濾料再生，并于再生操作完成后再次作為備用過濾器進行使用。（3）備用過濾器投入使用過程中，其中的再生操作控制設計，主要包括過濾器設置流量計控制過濾流速、設置電動閥門組控制自動反洗及再生操作、設置氟化物在線監測儀用于監控出水水質等。（4）設計參數如下：運行pH≤7.0，過濾器濾速6~8m/h。（5）配套設備如下：pH調節加藥裝置，2套，N=1.5kW；pH控制系統，1套；成套過濾器，D3.5×4.5m，8座，7用1備，含活性氧化鋁濾料，粒徑為0.4~1.5mm，濾料厚度宜2.0m；電磁流量計8套；電動閥組8套；氟化物在線檢測儀8套。需要注意的是，活性氧化鋁再生操作過程中應該對首次反沖濾層中的膨脹率、反沖洗時間進行有效控制，并實現對濾料粒徑沖洗強度的合理控制。根據實踐經驗看，將強度控制在16L/（m2•s）到12L/（m2•s）效果相對較好，再生時間的控制宜以2h到1h。二次反沖洗強度則宜控制在5L/（m2•s）到3L/（m2•s），反沖洗時間宜控制在3h到1h。2.2.4混凝劑除氟分析在該煤礦礦井氟化物處理工藝中，對濾料再生過程中產生的廢水中氟化物濃度較高，所以本次設計中在濾料再生系統中，配套運用了混凝沉淀法，利用混凝劑溶水后迅速水解并生成吸附氟離子沉淀物的基本原理，實現了對高深度氟物化的處理。一方面，在功能設定方面，吸附飽和濾料的再生，旨在提高吸附劑使用效率、降低成本。另一方面，在對再生過程生成的廢水二次處理時，為了有效規避二次污染、去除高濃度氟，本次研究中設計了1座鋼砼水池（6.0×6.0×5.5m），可以借助該設備完成對再生藥劑的配制，以及對再生廢液的收納及除氟處理。混凝劑是礦井污水除氟中處理混凝效果的重要因素，由于PAC及PAM作為混凝劑和助凝劑有利于加快沉降速度，因此，本次研究中采用石灰及PAC和PAM配套應用方案，可以生成氟化鈣，可實現對高濃度氟離子的強化去除效果。需要注意的是，一方面，由于混凝劑應用時與pH存在密切關聯，在PAC及PAM作為混凝劑和助凝劑時，pH控制在6~8.4，可以增強礦井污水濁度去除效果。將氟化物含量控制到地表水Ⅲ類標準范圍以內，保障處理效果。因而，在濾料再生系統設計過程中，配套的設計了1套pH控制系統。另一方面，考慮到再生液循環中會生成腐蝕性物質，并對離心泵產生一定的腐蝕。因而，在加藥裝置、溶藥攪拌機、pH控制系統基礎上，根據再生液循環、清洗、廢液提升、廢水處理等實際需求，配套設置了6臺（按照一備一用需求設計）耐腐蝕離心泵與1套再生廢水處理裝置。經實際應用發現，新增的除氟工藝中，應該細致篩選活性氧化鋁，在保障其能夠對除氟工藝產生積極影響的前提下，采用吸附為主、輔以混凝沉淀處理的方案，可以較好實現對礦井污水氟化物的處理目標。

3結束語

在礦井污水處理與污水資源再利用方面，氟污染已經成了一項阻礙因素。因此，需要從實際的需求出發，化解該問題。通過以上初步分析可以看出，原來的礦井污水處理工藝僅能滿足煤炭工業污染物排放標準，對于氟化物的處理相對不足。所以，為了達到強化除氟目標，需要根據氟化物在低濃度、高濃度，選擇吸附法與混凝法相結合的方案。需要注意的是，在礦井污水氟化物處理過程中，應該盡可能根據確定的工藝，設計相應的處理設備（如活性氧化鋁除氟濾池、濾料再生系統的設備研發設計等），以此保障對整個除氟工藝的有效運用。

參考文獻

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作者:李倩 單位:中電環保工程有限公司