矿井水是伴随煤炭开采而排出的废水,同时又是一种可利用的水资源[1-5]。近年来,我国在矿井水的处理技术与资源利用方面进行了大量试验研究与工程应用[6-11]。对矿井水的处理通常采用混凝沉淀(澄清)+过滤的工艺[12],为提高处理效果,在处理过程中投加絮凝剂,聚丙烯酰胺(PAM)作为一种高效絮凝剂被广泛应用于矿井水处理过程中[13]。
丙烯酰胺(AM)为聚丙烯酰胺的单体,作为聚丙烯酰胺残留物存在于矿井水处理环节中。目前,在矿井水处理方面,对PAM 投加量、投加方式和优化条件的研究较多[14-19],但对其残留物的研究较少。而AM 已被国家癌症中心列为ⅡA 类致癌物,世界卫生组织及我国《生活饮用水标准》(GB5749—2006 )规定AM最高限量不超过0.000 5 mg/L,因此开展聚丙烯酰胺残留物在矿井水水处理中的迁移规律研究具有重要意义。
笔者对10 个矿区矿井水处理中澄清(沉淀)和过滤出水中AM 进行检测,研究其在矿井水处理中的迁移规律。同时,以冀中能源邢东矿井水为原水,实验研究PAM 投加量、分子量、水解度、矿井水pH 值及含盐量对AM 迁移规律的影响。
1 水样采集与实验
1.1 水样采集检测
在山西、陕西和河北的共10 个矿区进行矿井水采样,样品现场调研情况见表1。
AM 的分析检测采用气相色谱法ECD 检测器国标法。浊度采用HACH2011Q 型便携式浊度仪现场测定,电导率采用DDS-307 电导率仪测定,pH 值采用WTWMulti340i 多参数水质分析仪测定。
表1 现场采样与调研情况
Table 1 On-site sampling and investigation
序号 采样地点浓度/NTU原水 澄清(沉淀)池出水 滤池出水PAM 投加量/(mg·L-1)聚合氯化铝投加量/(mg·L-1)1 峰峰集团大淑村矿 360.0 3.190 4.670 1.20 120.0～180.0 2冀中能源邢东矿 241.0 1.550 0.705 0.75～1.00 80.0 3冀中能源东庞矿 118.0 1.370 1.210 1.33 80.0 4邯矿集团陶二矿 37.5 3.550 1.730 0.50～1.00 50.0 5 陕煤集团小保当矿 888.0 54.200 42.600 0.50～0.80 72.0～75.0 6汾西集团正珠矿 111.0 2.420 1.830 0.50～1.00 50.0 7潞安集团常村矿 115.0 6.360 1.610 2.00 156.0 8潞安集团郭庄矿 853.0 0.284 0.238 1.00 50.0 9晋煤集团成庄矿 20.9 0.579 0.319 2.00～2.50 20.0 10 晋煤集团坪上矿 124.0 0.899 2.040 0.29 58.8
1.2 实验部分
1.2.1 实验水样
实验水样为邢台邢东矿区矿井水。
1.2.2 实验装置及方法
针对PAM 的分子量、投加量、水解度、原水含盐量与pH 值5 种因素分别进行混凝沉淀与过滤实验。
混凝沉淀实验装置采用中润ZR4-6 混凝试验搅拌仪。实验装置控制参数为:混合时间为1 min,转速为120 r/min;反应时间为10 min,转速为60 r/min;沉淀时间为10 min。沉淀结束后,取其上清液进行有关指标的测定,其余处理水进入过滤装置进行处理。
过滤实验装置为直径100 mm 有机玻璃管,滤柱高2 000 mm,内部由上而下分别装有600 mm 高的石英砂滤料和200 mm 高的砾石。
实验过程主要监测AM 质量浓度和浊度。
2 结果与讨论
2.1 采集水样检测分析
通过对水样进行AM 质量浓度检测以及相关水质指标的实验测定,其结果见表2。
表2 采集水样检测与实验结果
Table 2 Test and experimental results of water sample collection
注:括号内数据为实验室反渗透实验产水。
序号 采样地点 AM 质量浓度/(mg·L-1)澄清(沉淀)池出水 滤池出水 反渗透产水过滤过程AM去除率/%电导率/(μS·cm-1)硬度/(mmol·L-1)pH 1 峰峰集团大淑村矿 <0.000 5 <0.000 5 <0.000 5 — 2 010 1.35 7.80 2 冀中能源邢东矿 0.019 35 0.005 29 (<0.000 5)72.7 3 440 1.20 9.02 3 冀中能源东庞矿 0.032 02 0.023 29 (<0.000 5)27.3 1 630 4.03 8.32 4 邯矿集团陶二矿 0.008 7 0.006 9 <0.000 5 20.7 1 980 3.83 7.36 5 陕煤集团小保当矿 0.001 7 <0.000 5 — 70.6 1 910 0.76 7.87 6 汾西集团正珠矿 0.004 3 0.001 1 — 74.4 2 230 9.34 6.81 7 潞安集团常村矿 0.059 6 <0.000 5 (<0.000 5)99.1 1 730 0.59 8.06 8 潞安集团郭庄矿 0.035 5 0.024 2 <0.000 5 31.8 1 320 0.84 7.70 9 晋煤集团成庄矿 <0.000 5 <0.000 5 <0.000 5 — 1 280 3.94 7.63 10 晋煤集团坪上矿 0.087 5 0.076 7 <0.000 5 12.3 906 1.82 7.88
由表2可知,因矿井水原水水质、PAM 投加量与PAM 性能不同等,各矿井水AM 的质量浓度在澄清和过滤两个处理环节中差别较大,以及过滤过程对AM 质量浓度的去除率也不尽相同,在调研的10 个矿井水处理中,有80%的澄清(沉淀)池出水AM 质量浓度＞0.000 5 mg/L,在0.001 7～0.087 5 mg/L,有60%的过滤出水AM 质量浓度＞0.000 5 mg/L,在0.001 1～0.076 7 mg/L,过滤过程对AM 的去除率在12.3%～99.1%,说明矿井水常规处理难以保证丙烯酰胺质量浓度满足饮用水标准。而100%反渗透产水中AM 质量浓度<0.000 5 mg/L。
2.2 PAM 投加量对迁移规律的影响
根据各矿区矿井水处理的PAM 加药量调研结果,其中投加量的最大值为2.5 mg/L,最小值为0.5 mg/L,确定本实验采用PAM 投加量为0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 mg/L,分子量为1 200 万,聚合氯化铝(PAC)投加量为80 mg/L,然后进行混凝沉淀与过滤实验。对实验处理后的水样进行监测,其结果如图1所示。
图1 PAM 投加量对AM 质量浓度与出水浊度的影响Fig.1 Effect of PAM dosage on AM content and effluent turbidity
由图1可以看出,在出水浊度方面,矿井水经过混凝沉淀和过滤处理后,出水浊度均在3 NTU 以下,且在PAM 投加量为1.5 mg/L 时处理效果最好,出水浊度为1.53 NTU。2 个处理环节的出水浊度随PAM投加量的增加均呈现先减少后增加的趋势,这是因为初期随着PAM 投加量的增加,PAM 较好的架桥和网捕作用能够促进水中颗粒物的凝聚和沉降,使出水浊度降低,但当PAM 投加到一定量时,PAM 的这种作用达到平衡,继续增加PAM 投加量,PAM 能够吸附部分PAC 和胶粒,从而降低混凝沉淀作用,出水浊度升高[15]。出水AM 胺含量在2 个处理环节的变化趋势均为先减后增,在PAM 投加量为1.0 mg/L 时达到最低,其在混凝沉淀后出水和过滤后出水分别为0.024 mg/L 和0.013 mg/L,同时随着PAM 投加量增加,AM 质量浓度增长速率加快,当PAM 投加量为2.5 mg/L 时,AM 质量浓度已经达到0.12 mg/L。通过数据分析,在此实验条件下,过滤过程对AM 的去除率介于35.6%～53.3%。
当PAM 投加量为1.0 mg/L 时滤池出水浊度为2.10 NTU,AM 含量最低,因此,此矿井水处理的PAM 最佳投加量为1.0 mg/L。
2.3 PAM 分子量对迁移规律的影响
据调研结果,各矿井水处理选用的PAM 分子量介于600 万～1 800 万,本实验采用的PAM 分子量分别为500 万、800 万、1 000 万、1 200 万、1 500 万,1 800 万,投加量均为1.0 mg/L,PAC 投加量为80 mg/L,共进行6 组混凝沉淀与过滤实验,其结果如图2所示。
图2 PAM 分子量对AM 质量浓度与出水浊度的影响
Fig.2 Effect of molecular weight of PAM on AM content and effluent turbidity
由图2可以看出,矿井水经混凝沉淀和过滤处理后的出水浊度与AM 质量浓度均随PAM 分子量的升高呈现先降低后升高的趋势。2 个指标在PAM 分子量为1 200 万时达到最低,此时2 个处理环节的出水浊度分别为3.02 NTU 与1.53 NTU,AM 质量浓度分别为0.024 与0.014 mg/L;在不同PAM 分子量的处理条件下,过滤过程对AM 的去除率介于40.6%～53.8%。
综上所述,从处理效果、处理效率以及经济性角度来看,选用分子量为1 200 万的PAM 处理效果最好。
2.4 PAM 水解度对迁移规律的影响
选用分子量为1 200 万的不同水解度的PAM 进行实验分析,水解度分别为5%(低水解度),22%(中水解度),30%(高水解度),投加量均为1.0 mg/L,PAC 投加量为80 mg/L,结果如图3所示。
由图3可以看出,两项指标均在PAM 水解度为22%时最低,此时处理效果最好,两个处理环节的出水浊度分别为3.29 NTU 与1.59 NTU,AM 质量浓度分别为0.01 与0.005 8 mg/L;PAM 水解度为5%时的处理效果较差。
图3 PAM 水解度对AM 质量浓度与出水浊度的影响
Fig.3 Effect of PAM hydrolysis degree on AM content and effluent turbidity
综上所述,选用中水解度(20%～25%)的PAM处理矿井水效果最好。
2.5 原水pH 值对迁移规律的影响
通过对原水加酸或加碱进行pH 调节,使原水pH 值分别处于3,5,7,9 进行4 组混凝沉淀实验与过滤实验,实验过程PAM 的投加量均为1.0 mg/L,分子量为1 200 万,PAC 的投加量为80 mg/L,实验结果如图4所示。
图4 原水pH 值对AM 质量浓度与出水浊度的影响
Fig.4 Effect of pH value of raw water on AM content and effluent turbidity
由图4可以看出pH 值为7 时混凝沉淀与过滤效果最佳,出水浊度与AM 质量浓度均达到最低,分别为0.002 6 和0.001 2 mg/L。当pH 值过低(原水呈酸性)时PAC 水解反应受到抑制,降低了混凝过程中的架桥作用,难以形成较大絮体,絮凝效果较差;当pH 过高(原水呈碱性)时PAC 溶解成络合离子而降低混凝效果[20],碱性环境对浊度去除的影响不大,但明显增加AM 质量浓度。在此条件下,过滤过程对AM 有32.4%～53.8%的去除率。
2.6 原水含盐量对迁移规律的影响
通过矿井水原水与不同量的NaCl 溶液,CaCl2 溶液、NaHCO3 溶液、去离子水进行调配,使其具有不同含盐量。含盐量通过电导率表示,实验控制水样的电导率分别为1 000,2 000,3 000,4 000,5 000 μS/cm,进行5 组混凝沉淀实验与过滤实验,实验过程PAM的投加量1.0 mg/L,分子量为1 200 万,PAC 的投加量为80 mg/L,实验结果如图5所示。
图5 含盐量对AM 质量浓度与出水浊度的影响
Fig.5 Effect of salt content on AM content and effluent turbidity
由图5可知,2 个处理环节的出水浊度均随含盐量的增加逐渐降低,说明增加原水含盐量对浊度的去除具有一定的促进作用,而2 个环节的出水AM 质量浓度随着电导率的增加呈现先减小后增加的趋势,其在电导率为2 000 μS/cm 时达到最低值,其值分别为0.015 与0.006 8 mg/L。由图5还可以看出,不同含盐量处理条件下的滤后出水浊度均在2 NTU 以下,均能很好满足排放要求,同时过滤过程对AM 有42.1%～58.3%的去除率。
3 结 论
(1)矿井水原水水质、PAM 投加量与PAM 性能对澄清和过滤2 个处理环节AM 的质量浓度影响较大,在调研的10 个矿区的矿井水处理中,过滤过程对AM 的去除率在12.3%～99.1%。
(2)针对邢东矿井水,在PAM 投加量0.5～2.5 mg/L、分子量500 万～1 800 万、水解度5%～30%,PAC 投加量为80 mg/L 的试验条件下,滤后出水浊度均能达到5 NTU 以下,出水AM 质量浓度均随各因素水平的增加呈先减后增的变化趋势。过滤过程对AM 去除率在30.0%～58.3%。
(3)当PAM 分子量为1 200 万、水解度为22%,原水pH 值为7、电导率为2 000 μS/cm 时,出水AM质量浓度达到最低。
(4)矿井水常规处理难以保证出水AM 质量浓度满足饮用水标准,出水作为饮用水时需考虑PAM 选型和投加量的优化,或采用反渗透等膜技术处理。
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