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太原理i 。人学硕十研究生学位论文 矿井水中硫酸根及总硬度去除效果的试验研究 摘要 煤炭矿井水是由于煤炭开采过程中，所有渗入井下采煤空问的水。这种 水经井下各巷道集中至井下水仓后排至地面。这种与煤层伴生的矿井排水， 原本属于地下水的性质，但在采煤过程中由于煤粉和岩尘的混入，同时会 受到人为的污染等，因此它己失去其原来地下水的物理性状，研究表明： 矿井废水经絮凝、吸附、沉淀一套组合工艺能够有效地降低废水中的硫酸 根和总硬度，并使之达到国家生活饮用水水质标准。 本课题试验研究采用单因素试验以及正交试验分析的方法，确定了低 分子无机絮凝剂( 氯化铝、氯化铁) 、高分子无机絮凝剂( 聚合氯化铝、聚 合氯化铁、聚合铁铝、m 18 0 ) 、吸附剂( 粉煤灰、硅藻土) 在最佳去除效 果下的反应条件。研究结果如下： ( 1 ) 利用单因素分析方法对低分子无机絮凝剂氯化铝、氯化铁进行试 验，确定去除效果最优时两种絮凝剂的投加量均为2 0 0 0 m g l ；p h 值氯化 铝为8 ，氯化铁为6 ；温度氯化铝为2 5 ，氯化铁为2 0 ；助凝剂p a m 投 加量均为5 m g l ，搅拌条件均为高速搅拌( 0 1 = 3 0 0r m i nh = l m i n ，中速搅 拌0 3 2 = 2 0 0 r m i nt 2 = l m i n ，低速搅拌( 1 ) 3 = 8 0 r m i nt 3 = 8 m i n ，静沉t 4 = 2 0 m i n ； c a ( o h ) 2 的投加量均为10 9 l 。试验结果表明：氯化铝处理效果要比氯化铁 稍微强一些，两者对硫酸根离子的去除率在9 0 左右，总硬度的去除率在 8 0 左右，试验所得出水水质能够满足生活饮用水水质标准，硫酸根 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 5 2 5 0 m g l ，总硬度_ 4 5 0 m g l ，但是低分子无机絮凝剂用量较大，成本太高， 经济上极不合算。 ( 2 ) 利用正交试验设计的方法找出高分子无机絮凝剂聚合氯化铝、聚 合氯化铁、聚合铁铝二絮凝剂、m 18 0 在处理矿井废水中的最佳絮凝剂投加 量、水样p h 值和温度，并分别分析了影响因素的显著性，结果表明c a ( o h ) 2 + p a c + p a m 的药剂组合在四种絮凝剂中处理效果最好，该药剂组合在p a c 的投加量为0 4 9 l ，c a ( o h ) 2 的投加量为3 9 e l ，助凝剂p a m 的投加量为 5 m g l 时，以及在投加条件为温度t = 2 0 ，p h = 8 嘞撒嘲麟，硫酸根 去除率为8 7 1 2 ，总硬度去除率为8 6 6 3 。 ( 3 ) 利用单因素分析方法分别对粉煤灰和硅藻土进行对比试验，结果 表明这两种吸附剂的处理效果并不能达到生活饮用水水质标准，出水水 质不能达标。 ( 4 ) 动态试验是在静态试验的基础上，通过优选出的药剂组合来进行。 通过装置运行，得出装置运行的参数。具体参数为：调节沉淀池水力停留 时间8 h ，澄清池上升流速为0 6 6 m m s ，双层过滤滤速为5 2 r n h ，过滤周期 为5 0 h ，反冲洗时间为1 0 m i n ，反冲洗强度为1 5 9 8 l s m 2 。 关键词：矿井废水，吸附，絮凝，工艺组合 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nr e m o v a le f f e c to f s u l r 町er a d i c a la n dh a r d n e s si n n n e 、入，a s t e 7 = a t e r a b s t r a c t m i n ew a s t e w a t e rw a sp r o d u c e di nt h ec o a l m i n i n gp r o c e s sw h i c h p e r m e a t i n gi n t ot h em i n es h a f t t h i sk i n do fw a t e ri sd i s c h a r g e dt ot h eg r u n d f r o mt h em i n es h a f t t h i sk i n do fw a t e ri sd i s c h a r g e dw h i c hi sa s s o c i a t t e dw i t h t h ec o a la n di tb e l o n g st ot h en a t u r eo fg r o u n dw a t e ro r i g i n a l l y b u tb e c a u s eo f p u l v e r i z e dc o a ld u s ta n dr o c km i xa n da r t i f i c i a l l yp o l l u t i o na tt h es a m et i m e ，i t h a sl o s ti t so r i g i n a lp h y s i c a lp r o p e r t i e so fg r o u n d w a t e ra n di ti si n c l u d e di nt h e a r e a so fs e w a g ea n dw a s t e i th a db e e nd e m o n s t r a t e dt h a t a d o p t i n gt h e a s s e m b l e dp r o c e s s e si n c l u d e df l o c c u l a t i o n ，a d s o r p t i o na n dp r e c i p i t a t i o nc o u l d e f f e c t i v e l yr e d u c es u l f a t er a d i c a la n dh a r d n e s so fm i n ew a s t e w a t e re f f l u e n t ，a n d m a d ei tr e a c ht h ep o t a b l ew a t e rs t a n d a r d i n t h i s r e s e a r c h ，m e t h o d s o f s i n g l e f a c t o ra n d p e r p e n d i c u l a r i t y e x p e r i m e n t a la n a l y s i s w e r eu s e dt oa c e r t a i nt h er e a c t i o nc o n d i t i o n so fl o w m o l e c u l a rw e i g h ti n o r g a n i cf l o c c u l a t i n ga g e n t s ( a i c l 3 ，f e c l 3 ) ，h i g hm o l e c u l a r i i i 太原理l ：人学硕十研究生学 7 = 论文 w e i g h ti n o r g a n i cf l o c c u l a t i n ga g e n t s ( p a c ，p a f , p a f c ，m ls 0 ) ，a b s o r b i n g a g e n t s ( f l ya s h ，d e f i n e dd i a t o m i t e ) u n d e rt h eb e s td is p o s a le f f e c t t h er e s u l t so f t h i sr e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w i t ht h eu s eo fs i n g l ef a c t o ra n a l y s i s ，a i c l 3a n df e c l 3w e r ea d o p t e d i nt h ee x p e r i m e n t s t h eb e s tr e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r ea s c e r t a i n e dt h a tt h e q u a n t i t i e so ft h r o w i n gt w of l o c c u l a t i n ga g e n t sw e r e2 0 0 0m g l ，p hv a l u e sw e r e 6a n d8 ，t h et e m p e r a t u r ei s2 5 。ca n d3 0 。c ，q u a n t i t i e so ft h r o w i n gp a mw e r e 5 m g l ，h i g bs t i l l r i n gv e l o c i t yw a st 0 1 = 3 0 0 r m i n t l = lm i n ，m o d e r a t es t i r r i n g v e l o c i t yw a s0 d 2 = 2 0 0 r m i nt 2 = lm i n ，l o ws t i r r i n gv e l o c i t yw a so 潼3 = 8 0 r m i n t 3 = 8 m i n ，s e t t l i n gt i m ew a sh = 2 0 m i n t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ta 1 c l 3w a sb e t t e r t h a nf e c l 3a c c o r d i n gt ot h ee f f e c t s r e m o v a lr a t e so fs u l f a t er a d i c a lw e r ea b o u t 9 0 ，a n dr e m o v a lr a t e so fh a r n e s sw e r ea b o u t8 0 i tc a nr e a c ht h ep o t a b l e w a t e rs t a n d a r d b u tt h eq u a n t i t i e so ft h r o w i n ga r et o om u c h ，a n dt h ep r i c ei st o o h i 曲 ( 2 ) t h eb e s tp hv a l u e ，t e m p e r a t u r ea n dt h r o w i n gq u a n t i f i e so fp a c ，p a f ， p a f ca n dm 18 0w e r ef o u n do u tw i t ht h eu s eo fp e r p e n d i c u l a r i t ye x p e r i m e n t a l d e s i g n p a cw a sm o r ee f f e c t i v et h a nt h eo t h e rt h r e ef l o c c u l a t i n ga g e n t s ，t h e m e d i c a m e n tc o m b i n a t i o nc a np l a c et ot h eb e s te f f e c tw h e nt h ep a ci nt h e d o s a g eo f0 4 9 l ，t h ec a ( o h ) 2i nt h ed o s a g eo f3 9 l ，t h ep a m i nt h ed o s a g eo f 5 m g l ，a sw e l la sf o ri n c r e a s e si nt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n st = 2 0 ，p h 28 ，a n d r e m o v a lr a t eo fs u l f a t er a d i c a lw a s8 7 ，l2 ；b e s i d e s ，r e m o v a lr a t eo fh a r d n e s s w a s8 6 6 3 。 i v 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 ( 3 ) w i t ht h eu s eo fs i n g l ef a c t o ra n a l y s i s ，f l ya s ha n dd e f i n e dw e r ea d o p t e d i nt h ec o n t r a s t i v ee x p e r i m e n t s t h er e s u l t si n d i c a t e st h a tt h ee f f e c tw a sn o tg o o d ， a n di tc a nn o tr e a c ht h ep o t a b l ew a t e rs t a n d a r d ( 4 ) t h ed y n a m i ct e s t i n gi si nt h es t a t i ce x p e r i m e n t sf o u n d a t i o n ，c a r r i e so n t h r o u g ht h eo p t i m a lm e d i c a m e n tc o m b i n a t i o n w ec a no b t a i nt h ep a r a m e t e ro f t h ei n s t a l l m e n tm o v e m e n tt h r o u g ht h ei n s t a l l m e n tm o v e m e n t t h ec o n c r e t e p a r a m e t e ri s ：t h ew a t e rp o w e rr e s i d e n tt i m eo ft h ea d j u s t m e n ts e d i m e n t a t i o n p o n di s8 h ，t h er i s es p e e do ff l o wi ns e t t l i n gp o n di s0 6 6 m m s ，t h er a t eo f p e r c o l a t i o ni nd o u b l e d e c k e df i l t r a t i o ni s5 2 m h ，t h ef i l t e rc y c l ei s5 0 h ，t h e c o u n t e r - f l u s ht i m ei s10 m i n ，t h ec o u n t e r - f l u s h i n gi n t e n s i t yi s15 9 8 l s m 2 k e yw o r d s ：m i n ew a s t e w a t e r , a b s o r b i n g ，f l o c c u l a t i n g ，a s s e m b l i n gp r o c e s s e s v 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 符号说明 论文中出现的主要符号及其对应中文含义列于下表中，以供参阅。其它符号在论 文中的出现处均有说明。 符号对应表 t h ec o r r e s p o n d i n gm e a n i n go ft h es i g n s 符号中文含义备注 1 a i c l 3 氯化铝 2 f e c l 3氯化铁 3p a c 聚合氯化铝 4p a f 聚合氯化铁 5 p a f c 聚合铁铝 6p a m聚丙烯酰胺 7p hp h 值 无量纲 8t 温度 9 c o d c r 化学需氧量 m l 1 0 b o d ； 五日生化需氧量m 班 1 l 1 2 1 3 1 4 i x 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：泣盛日期： 孵年喇多胗 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为：目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：日期： 翱签名：毖碰嘶 t - o 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 1 1 课题提出的背景和意义 第一章引言 1 1 1 山西的水资源状况 1 水资源严重匮乏，单位占有水平低。山西省多年平均降水量较全球陆地平均年 降水量8 3 4 m m 偏少3 7 2 ，较全国平均年降水量6 2 8 m m 偏少1 6 6 ，较华北平均年降 水量5 4 7 m m 偏少4 2 。全省河川径流量为1 1 4 亿m 3 ，与全国各省比较，占倒数第二 位，仅比宁夏多一些。人均占有河川年径流3 4 2m 3 ，只相当于世界人均占有量的3 8 ， 全国人均占有量的2 0 。地表水资源平均4 6 6m 3 人，为世界平均1 2 0 0 0m 3 人的4 ， 为全国平均2 7 0 0m 3 人的1 7 3 。 2 水资源年际丰枯悬殊，具有连续干旱特点。 据5 0 0 余年历史旱涝记载分析，山西具有连续丰枯周期性。从近代到现代都存在丰 枯周期持续时i 日j 长、降水量、径流量皆偏离均值幅度大的特点。 建国以来，全省河川径流量以1 9 6 4 年最大，为1 8 5 亿m 3 。最低为1 9 7 2 年，仅6 3 8 亿m 3 。丰枯比2 9 倍，个别水资源利用分区及重点经济区的丰枯比可高达1 0 倍以上。 中等干旱年( p = 7 5 ) 时的河川径流量仅为全省多年平均径流量的7 6 9 ；特枯丰( p = 9 5 ) 时为5 8 0 。这一特点反映了山西水资源开发利用难度较大。 3 水资源时l 日j 分布不均，空问丰枯同频据历史旱涝记载与实测资料空间、时间序 列的分析，山诬全省性同丰、同枯的存在是河川径流水资源开发利用上极为不利的又一 特征。这一特点，给省境内各地域i 、日j 水资源再分配和各水系问相互调水带来极大的困难。 只能从境外提水调水，方可解决枯水期的需水之急。 4 水资源地区分御不均，山西由于降水量分稚不均及水文下挚面条件的差异，使水 资源在地区分布上很不均匀。总的趋势是东部山区和东南部地区水资源相对丰富，占省 境河川径流量的4 1 9 ；大同、忻定、太原、临汾搞地等腹部地区，占3 6 6 ；西部地 区占1 2 ；南部占7 6 ：西北部地区贫乏。但西北、西部和南部紧靠黄河干流、亦是 相对富水区。【l j 西灰岩面积分布较广，岩溶比较发育，岩溶水量丰富。全省1 m 3 s 以上 的岩溶泉水资源量有2 6 3 亿m 3 ，是工农业、城市供水的优质水源，这一特点又有利于 太原理：j ：人学硕士研究生学位论文 水资源的丌发。但有1 5 8 亿m 3 的岩溶泉水分布在河流下游及省境边缘，因出露高程低、 利用程度差，大多流向外省。 5 “三水”转化强烈，山西特殊的水文下垫面条件，使降水、河川径流与地下水的转 化频繁并复杂，是山西水资源的又一特点。降水补给地下水( 尤以岩溶山区) ，地下水补 给河川径流( 尤以泉的型式出露) ，河川径流又在一定的水文地质条件下渗漏补给地下 水。使山西夏雨型补给的河川径流年内动态，转变为泉水补给型的河川径流年内动态。 6 水土流失严重，河流含沙量大山西地处黄土高原，特别是晋西北，地形较高， 坡度较陡，地表皆为黄土覆盖，再加植被不发育、降水集中，特别是暴雨季节，造成了 水土流失严重，河流含砂量大，全省已修建的水库因泥沙淤积了三分之强，有的已淤 满报废，山西省最大的汾河水库，建库库容7 亿m 3 ，目前已淤积近4 亿m 3 。 1 1 2 煤炭开采对水资源破坏的影响 山西省是我国重要煤炭工业生产基地1 1 i ，煤炭产量占全国煤炭总产量的四分之一以 上。地层发育较为齐全，在华北陆台具有代表性。地层展布状况大致以五台山恒山 云中山吕梁山、中条山、太行山出露的前“震旦”地层为核心，向四周依次分砧震旦 亚界、寒武系、奥陶系和以大同云冈、宁武静乐、沁水、陕甘宁等为构造瓮地中央分 布的侏罗系、三叠系为中心，向四周依次出露二叠系、石炭系。二者结合就是山西省地 层展布的基本格局。 煤炭资源储量大、品种全、煤质优、埋藏浅、易开采，自北向南分靠有大同、宁武、 西山、河东、沁水、霍西六大煤田和浑源、繁峙、五台、垣曲、平陆五个煤产地。北部 的大同煤田、宁武煤田和河东煤田北部，主要含煤地层为侏罗系和石炭、二叠系地层， 不含石灰岩及海相动物化石；南部的沁水煤田、西山煤田、霍州煤田及河东煤田中南部， 主要含煤地层为石炭系太原组及二叠系山西组地层，下石盒子组煤层不发育，太原组灰 岩层数多。山西六大煤田主要为向斜构造，仅河东煤阳为单斜构造，煤f r 含煤面积6 2 万k m 2 ，占山西省面积的4 0 4 。 但煤炭矿产的大量开采带来了水资源的严重破坏。据统计，受到破坏的地下水动储 量已达7 1 3 7 0 m 3 h 之多。这个水量如以城市每人每天用水量1 2 0 升计算，可满足1 4 2 7 万城市人口的用水问题。山西省人均水资源量仅为全国平均水平的1 5 ，在全国3 1 个 省、市、自治区水资源指数( 依据人均、亩均、单位面积平均水资源量) 排序中列第 2 9 位，煤炭矿产的开采加剧了水资源的恶化。此外，丌采煤矿还会造成地表塌陷与河 2 太原理：人学硕十研究生学位论文 川径流量减少，矿井水污染和作为供水水源的些岩溶泉域的泉水流量迅速下降直至干 涸。采煤造成的矿区漏水还造成人畜饮水困难。具体说来主要在经济和生态方面都产生 了破坏： 1 煤炭丌采造成水资源破坏对经济的影响 ( 1 ) ，采煤漏水造成人畜吃水困难的经济损失。据调查，截至到2 0 0 0 年，全省1 6 7 8 个村庄的8 1 2 7 万人、1 0 8 2 力大牲畜吃水困难。根据山西省农村人口、牲畜饮用水规 划标准，按每人每天生活需水7 0 升，牲畜每头每天需水2 0 升，计算出解决人畜吃水困 难一年需水量为2 1 5 5 4 3 力m 3 ，按每口年出水量为8 万m 3 的水井打井费用为8 0 万元 计算，考虑到农村人口分散，有些村庄尽管人口不多但也得解决吃水问题，所以打井的 数量要适当增加。以需打井数量的1 5 倍计算，据此推算为解决人畜吃水问题所需的投 资费用为3 2 3 亿元。 ( 2 ) 采煤漏水造成土地质量下降的经济损失。采煤造成的地下水漏失，地表径流 减少或干涸，使得大量土地质量下降，水浇地变为旱地。据调查，到2 0 0 0 年，全省因 采煤漏水已使9 7 8 0 2 亩水浇地变为旱地，粮食减产严重，据统计平均减产达到5 0 以 上，每亩减少至少2 0 0 元左右，据此估算，2 0 年累计损失达3 4 6 亿元。 ( 3 ) 采煤漏水造成水利设施破坏的经济损失。在受到影响的4 3 3 处水利工程中，水 库4 0 座，提升泵站1 8 9 处，输水管道7 9 4 万米，水渠4 3 5 7 万米。由于这些水库都为 小型水库，容量有限，提水站也属于小型简易的，按每座水库4 0 万元，提水站每个1 5 万元，输水管道、水渠每米2 0 元进行估算，水利工程被破坏造成的经济损失为6 8 9 4 力 元。按前2 0 年全省水利建设年平均投资增长率计算，预计到2 0 1 0 年，全省水利设旌的 固定资产投资额将会达到1 5 8 亿元，占全省当年固定资产投资总额的9 2 8 ，占全省 g d p 的比重为4 3 8 。 ( 4 ) 掘统计，2 0 年来山西省为弥补煤炭开采对水资源所造成的水资源短缺，不得 不投资建设大量的水利设施，仅国有水利建设投资额高达1 1 亿元( 2 0 0 0 年统计资料) 。 考虑到5 5 的净化回收利用，2 0 年为弥补采煤造成的水资源破坏而新增的投资损失达 3 8 5 亿元。 2 煤炭丌采造成水资源破坏对生态的影响 ( 1 ) 改变了地下水自然流场计补、径、排条件。由于煤、水资源共存于一个地质 体中，在天然条件下各有自身的赋存条件及变化规律，煤炭开采打破了地下水原有的自 3 太原理j ：人学硕十研究生学位论文 然平衡，形成以矿井为中心的降落漏斗，改变了原有的补、径、排条件，使得地下水向 矿坑汇流，在其影响半径之内，地下水流加快，水位下降，储存量减少，局部有承压转 为无压，导致煤系地层以上裂隙水受到明显的破坏，使得原有的含水层变为透水层，原 有的水井干涸。 ( 2 ) 改变了“三水”的转化关系。在自然状态下，降水、地表水与地下水存在一 定的补排关系，由于矿井排水在浅部地段，导致“三带 连通，使地表水转化为地下水， 涌入矿坑后再排出，在下游转化为地表水。地表水、地下水互相转化，相互补给，改变 了原始状态下的转化过程，使水资源不能充分利用，水质受到污染。 ( 3 ) 污染了地下水环境。在山西岩溶大泉中，被污染的地表水通过岩溶裂隙呈浅渗 透、排污场地垂直下渗、矿坑与矿井等人工通道导入、区域性降水入渗污染地下水。 ( 4 ) 形成大面积水位下降漏斗区。由于地下井、巷道及采空区的出现，煤系地层及 上覆松散岩系中垂向裂缝增多、增大，煤系荻层和松散岩系快速向下渗漏，进入井、巷 道及采空区或外排，形成了以采空区为中心的水位下降漏斗区，造成浅层水资源枯竭。 ( 5 ) 造成植被破坏。浅层地下水的疏干和大面积的土地毁坏，使得地表植被受到严 重破坏，其结果，一方面加大了水土流失，另一方丽由于地表无植被，减少了降雨在该 地区的渗漏量，加大了洪水流量，降低了地下水的储蓄能力。 1 1 3 矿井水利用存在的问题 1 山西省是全国煤炭生产大省，各类煤矿企业遍布全省，国有重点煤矿及地方国 有煤矿仅占总煤矿的1 3 ，小煤矿居多，据统计煤炭年产量在9 万m 3 的矿井占总矿井 的7 0 。一般小煤矿都没有建设矿井水净化回用设施，当矿井排水量较大时，矿坑水基 本上不加处理大量排放，造成了水资源的严重浪费，加剧了局部地区缺水的紧张状况。 2 矿井水处理规模选择不当。由于缺乏对矿井排水量的认识，有些煤矿盲目确定 矿井水处理厂的规模，致使一些矿井水处理厂刚竣工投产不久，就感到处理规模太小， 有的则出现矿井排水量远低于设计处理量，造成人力和财力的巨大浪费。 3 处理工艺不合理。主要表现在：( 1 ) 设计参数不合适。许多含县浮物矿井水处理 工程，主要处理构筑物设计时没有考虑矿井水的特殊处理工程，沿用江河、湖泊水质设 计参数，使得出水水量和水质难以达到设计要求。( 2 ) 药剂选择或投加不当。不同煤矿 的矿井水中所含悬浮物的浓度差异较大，决定了投加混凝剂种类和数量不尽相同。由于 混凝药剂选择和投加不当，使得一些煤矿矿井水处理后达不到预期效果。由于不能及时 4 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 对进水和出水水质、处理流量、加药量、水池液位等进行监控，许多矿井水处理工程只 有水泵和简易的加药装置，因此，矿井水处理后的水量和水质无法得到保证。( 3 ) 选用 一体化净水器工艺存在的缺陷。很多煤矿使用体化净水器处理含悬浮物矿井水，它 集反应、沉淀和过滤于一体，具有占地面积少、上马快等优点。但由于采用按地表水质 设计的常规净水器，处理水量通常只达到设计水量的4 0 6 0 ，不仅造成了投资浪费， 而且影响了煤矿的f 常用水。另外由于矿井水含有微量油等，使得一体化净水器中塑料 滤珠易结团，影响过滤效果。 4 建设矿井水回复利用设旌需要投入大量的资金，但资金短缺严重制约了矿井水综 合利用工程的建设。部分矿井水处理设施零配件易磨损，维修费用高，制约了处理效果。 5 部分矿区使用年代长，工艺落后、设施陈旧老化，随着矿井排水量增加，无论是 设施设备，还是工艺、能力都不能满足生产要求。 1 1 4 矿井水利用的意义 由于上述问题，尤其我省小煤矿多，矿井水处理设施缺乏，煤矿开采涌出的大量矿 井水未经处理直接排放，加剧了煤矿矿区缺水现象，影响矿区居民的生活，制约了矿区 经济的发展：另一方面，大量的矿井水外排，不仅对周边环境造成污染，而且使得优质 水资源的保有量大为减少，造成水量性或水质性缺水，更是对水资源的巨大浪费。所以， 落实科学发展观，与循坏经济相结合，综合利用矿井水，实现由“资源一产品一废弃物” 的单向式直线过程向“资源一产品一废弃物一再生资源”的反馈或循环过程转变，不仅 可以减小淡水资源的丌发强度，减轻矿区水污染和水资源短缺的压力，而且可以充分利 用二次资源，化害为利，提高煤矿丌采的抗灾能力，改善矿区环境和促进非煤产业的发 展，对促进矿区可持续发展战略和生态矿业目标的实现，具有重要的经济效益、环境效 益和社会效益。 1 2 课题研究的目的和内容 1 2 1 课题研究的目的 我省矿井水利用途径最普遍的是经过简单沉淀或过滤用于井下喷淋、降尘、洗煤补 水等井下作业。 其次，通过增设反渗透或电渗析深度处理设施，用于公用事业，如冲沈办公室、冲 沈车辆、冲沈厕所、道路洒水、绿化以及消防。 5 太原理j ：人学硕七研究生学位论文 再次，针对集团公司部分矿区职工存在饮用水严重短缺的问题，对矿井水进行处 理，用于洗澡用水和生活饮用水。 此外，矿井水可作为农业灌溉、农村生活及林牧渔业的供水水源。 煤矿废水还利用来供市政建设和城市环境用水。 本课题研究的目的主要是使得矿井水中的s 0 4 2 - 和总硬度两项指标出水浓度达到国 家生活饮用水水质标准。 1 2 2 课题研究的内容 1 通过静态烧杯试验，配制出针对高硫酸根，高硬度这一类矿井水的有效去除药 剂，研究该种药剂的最佳投加量，以及适用的温度，p h 值等条件。 2 根据静态试验的研究参数，以及参考国内外有关资料中的设计参数，确定试验 装置，提出技术先进，运行可靠，经济合理的的工艺流程。 3 通过动态的装置试验，进一步优化工艺设计参数，研究优选的药剂在工艺运行 中对矿井水中硫酸根和硬度的去除效果。 6 太原理i ：人学硕+ 研究生学位论文 2 1 矿井水概述 第二章文献综述 2 1 1 矿井水的来源 煤炭矿井水是由于煤炭开采过程中，所有渗入井下采煤空间的水。这种水经井下各 巷道集中至井下水仓后排至地面。这种与煤层伴生的矿井排水，原本属于地下水的性质， 但在采煤过程中由于煤粉和岩尘的混入，同时会受到人为的污染等，因此它已失去其原 来地下水的物理性状，因而被列入污废水范畴。 2 1 2 山西省矿井水的水质特征和类别 1 山西省煤矿矿井水的水质特征 矿井水水质随矿井分布地区的不同其水质有较大差异1 2 a l ，主要受地质条件，煤层 特性，采煤工艺的影响。 矿井水中的主要污染物为采煤过程中煤粉和岩粉渗入水中形成较高的悬浮物( s s ) ， 使水的颜色呈灰黑色1 4 i 。通常排至地面的矿井水中s s 为7 0 4 0 0 m g l ，这是矿井水在井 下水仓中有一定的沉淀作用，否则排出的矿井水中s s 还要高。 从矿井水的物理、化学及细菌性质上看，矿井水还具有以下几方面的水质特征： ( 1 ) 矿化度( 含盐量) 高。我国矿井水的含盐量一般多在1 0 0 0 m g l 以上，其盐类成 分主要是硫酸盐、重碳酸盐、氯化物等。而且含盐量将随开采深度的加大而增加。山西 省高矿化度的矿井水约占5 0 ，主要分布在大同、阳泉、西山及汾西地区。 ( 2 ) 硬度大。其总硬度一般在3 0 个德国度以上，属极硬水范畴。一般情况下，总硬 度与矿化度成讵比；总硬度中永久硬度所占比重远大于暂时硬度；高硬度占5 0 ，主 要分布在大同、西山及汾西等地。 ( 3 ) 部分矿井水为酸性水。其p h 值在3 6 之问，而且常随开采深度加大p h 值逐渐 变小。同时含铁量也逐渐增加。山西的酸性矿井水约占8 ，主要分布在汾西与西山。 酸性水中含铁量一般偏高。 ( 4 _ ) 含有一定量的石油产品。其来源是综合机械化的液压系统、机械的润滑系统和冷 却系统。另外，当岩层中含油页岩时，其对矿井水的污染则另作别论。 7 太原理r ：人学硕十研究生学位论文 ( 5 ) 化学需氧量( c o d ) 高于地下水。般地下水的c o d 为5 m g l ，而矿井水为 1 0 m g l 左右，甚至更高。主要由于煤粉所致，其次在于井下人员的便溺以及水中落入 各种动植物的残骸所造成。 ( 6 ) 常含有多种微量元素。 由此可见，山西主要的矿区矿井水均为高矿化度矿井水，硬度也较大。因此，对山 西来讲，高矿化度矿井水的处理有至少两个方面的重大意义： ( 1 ) 可以有效解决矿区缺水问题。 ( 2 ) 有效地保护了生态环境。 2 矿井水的类别 煤矿矿井水质受区域水文地质条件、煤质状况等诸多因素的影响，水质状况变化 较大。即便是同一矿区的，甚至是同一矿井不同水平问的矿井水质也会有较大差异。根 据所含污染物的特性，一般可将矿井水分为：洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度 矿井水、酸性矿井水和特殊污染型矿井水等5 种类型1 5 i 。对山西省矿井水监测结果表明， 矿化度为o 3 2 4 5 9 l ，且由北到南、由大变小，补给区小于径流区，山区小于平原区。 大同矿务局均在1g l 以上，晋城矿务局在0 5g l 左右，总硬度变化规律与总矿化度基 本一致，以汾西矿务局为最大，大同为次，晋城局最小。p h 值为3 5 5 8 8 4 ，其中p h 值小于6 的酸性水仅占1 0 7 ，主要分布在汾西南关、张家庄、水峪矿和西山杜儿坪平 峒。从煤矿大小角度分析，乡镇村办小煤矿矿坑水形成酸性水比县营矿要多，县营矿又 比国有大中型要多。 ( 1 ) 洁净矿井水：洁净矿井水大多是从煤系中石灰岩或煤系下伏奥陶系石灰岩中涌 出的水，水质一般较好，只要在井下实行清浊分流，不与含煤岩粉的浊水混合，在源头 妥善截流，通过井下单独布设的排水管道将其排出，直接作为工业用水，或经简单消毒 处理，作为生活饮用水。 ( 2 ) 含悬浮物矿井水：含悬浮物矿井水一般指除悬浮物、细菌和感官指标外，其它 理化指标满足饮用水卫生标准的矿井水。这类水的净化处理，首先应对原水水质及悬浮 物含量和粒度组成特征进行分析，根据处理后矿井水的用途，选择相应的净化工艺。常 用的净化工艺有自然沉降混凝沉淀、过滤、消毒等。这类水经过不同的净化处理后，可 分别作为农业灌溉用水、煤矿井下生产用水、地面工业用水和生活饮用水。 由于矿井水在井下水仓中自然沉淀一段时间，较大的煤、岩颗粒己自然沉积在水仓 8 太原理i ：人学硕+ 研究生学位论文 中。因而在一般情况下，排到地面的矿井水中悬浮颗粒的粒度是比较细的。因此，需要 向矿井水中投加混凝剂，以破坏具有胶体特性微粒的稳定性，使这些微粒通过混凝剂的 作用聚集成较大的絮团，加快沉降速度，提高净水系统单元设施的处理能力。 ( 3 ) 高矿化度矿井水：高矿化度矿井水也称含盐矿井水，主要含有s 0 4 厶、c l 、c a 2 + 、 m 9 2 + 、k + 、n a + 、h c 0 3 。等离子，可溶性固体总含量大于1 0 0 0 m g l ，水质多数呈中性或 偏碱性，且带苦涩味，因此也俗称苦咸水。对高矿化度矿井水的处理工艺，除采用给水 净化传统工艺去除悬浮物和消毒外，其关键工序就是脱盐。降低矿井水含盐量的方法主 要有离子交换法、电渗析法、反渗透法、多级闪蒸法等。 ( 4 ) 酸性矿井水：其p h 值低于6 的矿井水称酸性矿井水，通常酸性矿井水的矿化 度较高，在矿井水总数中，大约有1 0 的水是酸性水。而且，矿井水的酸性化学组成极 不稳定，有的随季节变化，有的随昼夜变化。1 酸性矿井水的产生1 6 i ，主要在于围岩和煤层夹石的成分中有硫化矿物的存在( 如黄 铁矿f e s 2 ) 。当这种硫化物质与氧发生反应后，即生成硫酸盐，遇水便生成硫酸，其化 学反应为： 2 f e s 2 + 7 0 2 + 2 h 2 0 = 2 f e s 0 4 + 2 h 2 s 0 4 ( 2 1 ) 4 f e s 0 4 + 2 h 2 s 0 4 + 0 2 = 2 f e 2 ( s o a ) 3 + 2 h 2 0( 2 2 ) 中性或碱性天然地下水，被硫酸亚铁和硫酸铁所污染，因此p h 值下降，这样又引 起硫酸铁水解作用的可逆反应，形成结合的硫酸： f e s 0 4 + 2 h 2 0 = f e ( o h ) 2 + h 2 9 0 4( 2 3 ) f e 2 ( s 0 4 ) 3 + 6 h 2 0 = 2 f e ( o h ) 3 + 3h2s04(2-4) 一般来说p h 值低于6 的矿井水即具酸性，对金属设备有一定的腐蚀性；p h 值低 于4 的矿井水即具较强的腐蚀性，对安全生产和矿区生态环境产生严重危害。目前，对 酸性矿井水的处理方法常采用中和法，以碱性物质石灰或石灰石作为中和剂。通常有三 种工艺流程：一是直接投加石狄法：将石灰配制成石灰乳，投入反应沟流入反应池，对 水中的f e 2 + 进行曝气氧化，中和生成物c a s 0 4 和f e ( o h ) 3 在沉淀池中沉淀后除去：二是 石灰石中和滚筒法：将石灰石置于滚筒内，由于滚筒的旋转，石灰石相互撞击摩擦，破 坏其表面生成的难溶性c a s o a 膜，扩大酸性水与石灰石的接触面，使中和反应继续进 行下去，生成的c 0 2 以及水中原有的f e 2 + 要以曝气池曝气，促使c 0 2 从水中溢出，使 f e 2 + 离子氧化成f e 3 + 离子，后者水解后生成沉淀除去；三是升流式变滤速膨胀中和法： 9 太原理l ：大学硕十研究生学位论文 将细颗粒石灰石或白云石装入圆锥体形的中和塔，水流自下而上通过滤料，滤速下部快 上部慢，中和反应得以充分进行，出水含有c 0 2 经曝气装置吹脱后p h 值升高，f e 2 + 离子 也被氧化为f e 3 + 离子去除。近年来，对酸性矿井水的人工湿地处理系统进行了研究，湿 地系统的介质黏土、矿渣、砾石、土壤对酸性水中溶解性f e 、悬浮物和p h 值都有明显 的处理效果。在建造湿地时，最好选择耐受性能好的植被品种，如香蒲、灯心草、宽叶 香蒲等。 以石灰乳为中和剂的方法适用于处理酸性较强、排水量较小的矿井水。石灰石一石 灰法适用于处理各种酸性矿井水，尤其是当酸性矿井水铁离子较多时适用。湿地处理法 是近年来迅速发展起来的一种污水处理技术，多用于不宜复垦或没有复垦价值的采煤塌 陷矿区的酸性矿井水的净化处理。 酸性矿井水经过处理即可回用：酸性矿井水经过中和、沉淀后可用作对水质要求低 的工业用水，例如，灌浆用水、锅炉水力冲渣用水；经过混凝沉淀后的酸性矿井水可用 于洗煤厂生产补充用水、煤层注水和消防用水、地面防尘用水、绿化用水等；经过中和、 沉淀、混凝沉淀后的酸性矿井水，再经过消毒、过滤等深度处理可用于生活饮用水。 ( 5 ) 特殊污染型矿井水。特殊污染型矿井水是指含氟、重金属及放射性等有毒物质 的矿井水。对这类矿井水要根据其所含污染物的不同而采用不同的处理方案。并且根据 其毒性大小、污染严重程度的不同、区域水资源情况等来决定其处理净化程度和用途。 2 2 矿井水处理利用的原则与途径 根据煤矿缺水的具体情况，矿井水应主要回用于矿区本身，也可将多余矿井水供农 村或城镇利用。很明显，对矿井水进行处理和回用，不仅可缓解矿区的缺水，减轻城市 供水负担，还可减少对环境的污染，收到显著的经济、环境和社会效益。 2 2 1 矿井水处理利用的原则 矿井水处理和利用的原则是1 7 i ：不同煤矿矿井水的水质和排放情况差异较大，总体 上污染程度较轻，比较容易处理，回用时应根据利用方向按因地制宜、经济方便的原则， 适当处理后优先保证矿区内用水，尤其要优先考虑井下用水，做到先井下后井上，先矿 内后矿外，先生产后生活，充分发挥矿区内现有水利设施的潜能，避免重复建设。可考 虑的综合利用方向有以下几个方面：井下消防洒水、洗煤补充用水、热电厂循环冷却用 水、绿化道路及贮煤防尘洒水、施工用水、矸石山灭火用水、农f r 灌溉用水以及生活用 lo 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 水等。 2 2 2 矿井水处理利用的途径 矿井水处理后的途径主要分为以下几个方面： 1 煤矿企业矿井水综合利用1 8 , 9 1 ( 1 ) 煤矿生产用水 主要指矿井丌采及原煤洗选用水。矿井开采包括开拓、掘进、采煤、转载、煤壁注 水等多项用水。这些生产用水对水质几乎没有什么特殊要求，只需经简单的物理处理后 即可利用。对于煤炭企业压风机、综采机、钻机等动力机械及辅助设备间接冷却用水， 应严格控制回用水水质，以防止因腐蚀而造成的设备损坏。 ( 2 ) 公共生活用水 主要指采用矿坑水冲厕、饮用、洗澡、冲洗车辆、绿化及消防等。其关键在于，应 根据用水对象对水质的不同要求，采用不同的处理方法，分质供水。“中水道”系统是 将矿坑水用于煤炭生产及公共生活的一种行之有效的方法。“中水道”是指介于供水管 道与排水管道之间的一种供水系统，作为对水质要求不高或与人体不直接接触的场合使 用，如冲洗便器、喷洒草坪、绿化、道路洒水、消防等，对控制污染、节约用水将起到 积极的促进作用。而职工饮用、洗澡等用水，因与人体直接接触，则需要采用较为复杂 的处理方式，即物理、化学、生物及深度物化相结合的方式，方能使水质达到使用要求。 2 矿井水跨企业利用 指非煤矿企业根据本企业的供排水状况，联通附近煤矿企业矿坑水供水管道，用于 间接冷却系统、