石灰纯碱法耦合聚合氯化铝预处理高矿化度矿井水的实验研究

赵军利，李 珊，陈国胜，张 旭，郭 璐，程爱华*

（1.陕西陕煤韩城矿业有限公司，陕西 韩城 715400；2.西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054；3.陕西陕煤韩城矿业有限公司象山矿井，陕西 韩城 715400）

煤炭开采过程中有时会产生高矿化度矿井水，其含盐量大于1 000 mg/L，水中含有SO42-、Cl-、Ca2+、K+、Na+、HCO3-等离子，水质大多呈中性和偏碱性[1]。高矿化度矿井水主要分布在中国北方矿区、西部高原、黄淮海平原及华东沿海地区[2]。若不经处理直接排放会造成河流含盐量增加，土壤盐渍化严重及农作物产量减少[3]。高矿化度矿井水经脱盐处理后可回用于煤化工生产、防尘洒水及农业灌溉等方面，膜技术广泛应用于高矿化度矿井水脱盐处理，但在实际应用过程中会产生膜污染现象，造成运行成本增加[4]。因此强化预处理，对减轻膜污染、提高出水水质，降低运行费用起着重要的作用。

本文拟采用石灰纯碱法除硬耦合聚合氯化铝除浊工艺，对实际矿井水进行处理，考察该工艺的最佳运行条件，为实际应用奠定基础。

1 试验部分

1.1 试验水质

试验用水取自陕西某矿井水仓，矿井水水质如表1所示。

表1 原水水质

1.2 试验仪器及试剂

仪器设备：WGZ-2000 型浊度仪，上海精密科学仪器有限公司；DHG-9145A 型电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；JJ-4 型六联搅拌机，国华电器有限公司；ME204/02 型精密电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司。

试剂：氢氧化钙、碳酸钠、聚合氯化铝，工业级PAC。

1.3 实验方法

选用六联搅拌机对矿井水进行混凝实验，每次取1 000 mL 原水放置于1 L 的烧杯中，分别投加不同剂量的氢氧化钙、碳酸钠及聚合氯化铝，混凝沉淀后取上清液，测定浊度、硬度等指标，根据测得的指标数据，分析得出最佳药剂投加量，进而确定最佳工艺条件。

1.4 试验方法

总硬度采用EDTA 滴定法测定；浊度采用WGZ-2000 型浊度仪测定。

2 试验结果与讨论

2.1 投加比的影响

加入投加比分别为0.25、0.5、0.75、1、1.25 的氢氧化钙和碳酸钠，常温下，先快搅1 min，后在150 r/min的转速下反应10 min，静置10 min 后取上清液测其总硬度，并计算总硬度去除率，结果见图1。

图1 投加比对总硬度去除效果的影响

由图1 可知，当投加比从0.25 增加到1.25 时，上清液的总硬度先从101.09 mg/L 减少到65.41 mg/L 后增加到69.38 mg/L，总硬度去除率从3.77%升高到37.74%后下降到33.96%，当投加比为1.0 时，总硬度去除率最大为37.74%。所以选择投加比1.0 为最佳试验条件进行后续试验。

Ca（OH）2首先去除暂时硬度，当加入80 mg/L Ca（OH）2和8 mg/L Na2CO3，上清液pH 为8.65 时，发生如式（1）—式（5）反应，产生CaCO3沉淀，此时Na2CO3能有效去除钙硬，但由于MgCO3溶解度较大，不能有效去除镁硬度[5]。

2.2 投加量的影响

加入投加量分别为30、50、80、100、150 mg/L氢氧化钙和3、5、8、10、15 mg/L 碳酸钠，常温下，先快搅1 min，后在150 r/min 的转速下反应10 min，静置10 min 后取上清液测其总硬度，并计算总硬度去除率，结果见图2。

图2 氢氧化钠投加量对总硬度去除效果的影响

由图2 可知，当氢氧化钙投加量从30 mg/L 增加到150 mg/L 时，溶液的总硬度从93.162 mg/L 减少到52.528 mg/L，总硬度去除率从11.32%上升到50%。综合经济考虑，选择100 mg/L 的氢氧化钙和10 mg/L 的碳酸钠为最佳试验条件进行后续试验。

2.3 反应时间的影响

加入100 mg/L 的氢氧化钙和10 mg/L 的碳酸钠，常温下，先快搅1 min，后在150 r/min 的转速下反应不同时间，静置10 min 后取上清液测其总硬度，并计算总硬度去除率，结果见图3。

图3 总硬度去除效果随反应时间的变化

由图3 可知，在反应时间为30 min 时，总硬度最少，总硬度去除率最高。分析认为，30 min 之前随着反应进行，氢氧化钙和碳酸钠与溶液中的钙离子反应，首先去除暂时硬度，产生CaCO3沉淀，溶液的总硬度逐渐下降，30 min 之后氢氧化钙和碳酸钠不再和溶液中的钙镁离子反应，溶液的总硬度稳定不再变化。所以选择反应30 min 为最佳试验条件进行后续试验。

2.4 沉淀时间的影响

加入100 mg/L 的氢氧化钙和10 mg/L 的碳酸钠，常温下，先快搅1 min，后在150 r/min 的转速下反应30 min，静置不同时间后取上清液测其总硬度，并计算总硬度去除率，结果见图4。

图4 沉淀时间对总硬度去除效果的影响

由图4 可知，当沉淀时间从5 min 增加到25 min时，溶液的总硬度先从55.50 mg/L 增加到58.47 mg/L，再减少到51.54 mg/L 后增加到52.53 mg/L。当沉淀时间为15 min 时，总硬度最少，总硬度去除率最高。15 min 之前，沉淀不完全，导致上清液钙镁离子浓度较高，总硬度增大，15 min 后沉淀趋于完全，上清液的钙镁离子浓度减少，总硬度降低。选择沉淀15min 为最佳试验条件进行后续试验。

2.5 PAC 投加量的影响

加入100 mg/L 的氢氧化钙和10 mg/L 的碳酸钠，同时加入不同浓度的PAC，常温下，先快搅1 min，后在150 r/min 的转速下反应30 min，静置15 min，取上清液测其浊度、硬度，并计算浊度和硬度去除率，结果见图5 和图6。

图5 PAC 投加量对浊度去除效果的影响

图6 PAC 投加量对总硬度去除效果的影响

由图5 可知，当PAC 投加量从20 mg/L 增加到200 mg/L，溶液的浊度从18.80 NTU 下降到4.19 NTU，浊度去除率从98.13%上升到99.58%。加入PAC 后溶液的浊度明显降低。PAC 通过吸附、凝聚和沉淀作用，将上清液中的悬浮物、胶体等物质去除，从而使溶液浊度降低，提高了浊度去除率。

由图6 可知，PAC 投加量从20 mg/L 增加到200 mg/L，溶液的总硬度从54.510 mg/L 增大到87.216 mg/L，总硬度去除率从48.11%下降到16.98%。随着PAC 投加量的增加，水样的pH 下降，导致部分CaCO3溶解，水中Ca2+、Mg2+的浓度增加，使水的硬度增大。

综合考虑，当PAC 投加量为20 mg/L 时，上清液总硬度最小，总硬度去除率最大，分别为54.51 mg/L和48.11%。所以选择20 mg/L 的PAC 为最佳试验条件进行后续试验。工业用氢氧化钙价格为24 元/kg，碳酸钠为19 元/kg，PAC 为24 元/kg，PAM为60 元/kg，若处理1 t 高矿化度矿井水，约需要用0.1 kg 氢氧化钙、0.01 kg碳酸钠和0.02 kgPAC，约花费3.07 元。

3 结论

本文采用石灰纯碱法耦合PAC 去除矿井水的硬度及浊度，采用单因素试验考察了药剂投加量、反应时间、沉淀时间对去除效果的影响。

石灰-纯碱法去除高矿化度矿井水总硬度，最佳条件为：投加100 mg/L 氢氧化钙、10 mg/L 碳酸钠及20 mg/L PAC，反应30 min，沉淀15 min，此时水样的总硬度为51.537 mg/L，总硬度去除率为48.11%，浊度去除率为98.13%。吨水药剂费用3.07 元。

本文为高矿化度矿井水预处理的实际应用奠定了基础，可有效减缓膜污染，对高矿化度矿井水的回用起到了积极作用。