CC BY
98
Доочистка шахтных вод на фильтрах с песчаной загрузкой
Н.С. Серпокрылов, С.А.Щербаков
В результате анализа технологии и показателей очистки вод очистных сооружений шахт им. Кирова, «Глубокая», «Южная» установлено, что ни в одном случае не достигаются проектные (нормативные) показатели очистки на стадии доочистки.
Таким образом, требуются новые технологические подходы, ориентированные на современный состав и расходы шахтных вод с утилизацией шламов, а также на интенсивные способы доочистку на зернистых фильтрах.
В технологических схемах очистки шахтных вод с фильтрами доочистки при высоких исходных концентрациях двухвалентного железа загрузка кольматирует через 8 - 10 часов фильтрования. Гранулы пенополистирола, обрастающие неотделяемым при промывке железосодержащим слоем толщиной 1.5 - 3 мм, теряют плавучесть, выпадают в осадок и забивают дренажную систему. На пяти обследованных очистных сооружениях шахтных вод Восточного Донбасса, где были смонтированы фильтры с плавающей загрузкой, через 3 - 4 месяца эксплуатации они были переоборудованы в дополнительные отстойники.
Фильтры доочистки шахтных вод с песчаной загрузкой эксплуатируются в отличающемся от технологического регламента режиме: загрузка приобретает темно-коричневую окраску, характерную для гидроксидов трехвалентного железа, скорость фильтрования через 8 - 10 часов снижается с 7 - 8 м/ч до 2 - 2.5 м/ч. После длительной водовоздушной промывки (15 - 20 минут) фильтрующая способность восстанавливается до 5 - 6 м/ч. Следовательно, требуется интенсификация режимов промывки загрузки фильтров доочистки.
Доочистку очищенных в опытно-промышленных условиях шахтных вод проводили на пилотной установке, представляющей безнапорные фильтровальные колонки диаметром 150 мм с высотой загрузки 0,7 м с регенерацией обратной промывкой. В качестве фильтрующих материалов использовали кварцевый песок и антрацит крупностью 0.8 - 1.5 мм.
Взвешенные вещества в очищенных шахтных водах преимущественно представлены коллоидными частицами гидроксидоов трехвалентного железа, что обеспечивало их повышенную адгезию к загрузочному материалу. Остаточные концентрации их после фильтров соответствовали установленным нормативам [1,2,3] как после песчаной, так и антрацитовой загрузки.
Время защитного действия составляло для фильтра с песчаной загрузкой 12 - 14, с антрацитовой 14 - 16 часов. Интенсивность промывки принималась равной 12 - 14 л/с-м2, время 4 - 10 минут. Однако отмывка загрязнений была неполной: 65 - 70% на фильтре с песчаной загрузкой и 80 - 85% - с антрацитовой.
С целью интенсификации процесса промывки и выбора более эффективной загрузки фильтров доочистки шахтных вод проведено имитационное моделирование с применением активного эксперимента [4] с применением ультразвука.
Реализовано 2 дробных факторных эксперимента типа 23-1 отдельно на антрацитовой и отдельно на песчаной загрузке с параметрами оптимизации: остаточное содержание взвешенных
веществ в загрузке (у1), мг/л на см3, средняя концентрация взвешенных веществ в промывной воде (у2), мг/л на см3. (Количество взвешенных веществ в водах относили в пересчете на 1 см3 загрузки). Факторы процесса промывки: время воздействия ультразвука (х1), мин; время промывки водой (х2), мин; объем загрузки (х3), см3 (таблица 1).
Таблица 1 - Факторная область эксперимента
Фа ктор Раз мер- ность Уровни факторов Интервал варьирования
- 0 +
Х1 ми н 0,5 3,5 6,5 3
Х2 ми н 1 3 5 2
хз см3 50 150 250 100
Исследования проводили следующим образом: после фильтрования очищенных шахтных вод в течение 10 - 12 часов из моделей фильтров отбирали необходимый по условиям эксперимента (таблица 2) объем загрузки и помещали в стакан, куда добавляли 300 мл водопроводной воды, и на загрузку производилось воздействие ультразвуком при постоянном перемешивании, имитирующем взрыхление загрузки при промывке. Затем загрузка промывалась в течение установленного времени расходом, соответствующим интенсивности 12 - 14 л/с-м2.
Пробы вод на анализ отбирали после воздействия ультразвука (для определения у1) и после промывки (для определения у2). Опыты проводили с двойной повторностью.
В результате реализации и регрессионной обработки эксперимента получены адекватно описывающие процесс регенерации загрузки с интенсификацией ультразвуком, которые затем пересчитали из кодированных переменных в натуральные:
- для антрацитовой загрузки (1,2):
остаточное содержание взвешенных веществ в загрузке (у1), мг/л
на см3:
У1 = 3,47 - 0,47 х2 + 0,01 х3; (1)
средняя концентрация взвешенных веществ в промывной воде (у2), мг/л на см3 у2 = 0,64 + 0,06 х1 - 0,11 х2 - 0,001 х3; (2)
- для песчаной загрузки (3,4):
остаточное содержание взвешенных веществ в загрузке (у1), мг/л на см3:
у1= 16.39 - 1.1 Х2 - 0.04 Х3; (3)
средняя концентрация взвешенных веществ в промывной воде (у2), мг/л на см3 у2 = 16,27 + 1,19 х1 - 2,22 х2 - 0,034 х3. (4)
Используем полученные зависимости для интерпретации технологического режима промывки фильтрующих загрузок после доочистки очищенных шахтных вод: в интервале исследований для антрацитовой и песчаной загрузки целесообразно применять ультразвук для интенсификации отмывки взвешенных веществ в течение 3.5 минут, при этом для увеличения глубины отмывки по взвешенным веществам (2,4) значение фактора Х1 можно увеличивать до верхнего уровня интервала варьирования (таблица 1 ), т. е. до 6.5 минут.
Чтобы увеличить содержание взвешенных веществ в воде, требуется уменьшать время промывки (знак минус при коэффициентах уравнений регрессии) фактора Х2, примем 3 минуты -на нулевом уровне. Объем промываемой загрузки также для минимизации взвешенных веществ в воде следует уменьшать. Учитывая, что коэффициенты при факторе Х3 на порядок меньше, чем Х2, и сложно на практике регулировать объем промываемой загрузки, который является постоянным и определяется размерами фильтра, его влияние не принимаем в расчетах.
Тогда количество взвешенных веществ после доочистки шахтных вод, содержащихся в загрузке, составит, мг/л на см3: из антрацита (по 1) - 2.06, из песка (по 3) - 13.1. Аналогично средняя концентрация взвешенных веществ в промывной воде (у2) составит, мг/л на см3: после антрацита (по 2) - 0.52, после песка (по 3) - 13.18.
Из сравнения полученных данных следует, что более эффективной для доочистки очищенных шахтных вод фильтрованием является антрацитовая загрузка, поскольку в силу меньших, адгезионных свойств к гидроксидам железа, чем у песка, требует меньше эксплуатационных затрат на регенерацию и не обрастает поверхностной коркой, как другие фильтрующие материалы.
Таким образом, для новых и реконструируемых очистных сооружений шахтных вод после объединения ряда водоотливов шахт Восточного Донбасса рекомендуется применять доочистку на фильтрах с антрацитовой загрузкой.
Библиография
1. Назарова Л.Н. К вопросу о химическом составе шахтных вод и его формировании. Обнинск: Отдел научно-технической информации, 1972, 56 С.
2. ООО «Шахтопроект». Рабочий проект «Очистные сооружения шахтных вод шахты «Глубокая», предусмотренный объединенным проектом ликвидации особо убыточных шахт-филиалов ОАО «Ростовуголь» (шахта «Глубокая») / Раздел 11. Охрана окружающей среды, том 1, книга 2:С-Птб, - 88 С.
3. Очистка шахтных вод на предприятиях угольной промышленности. /Сб. статей под ред. Немковского Б.Б. Пермь: Книжное издательство, 1973, 312 С.
4. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1976 г. -280 с.
