Оценка эффективности очистки сточных вод угольных предприятий от взвешенных веществ различными фильтрующими материалами

Введение

Одним из преобладающих загрязнителей сточных вод угольных предприятий являются взвешенные нерастворимые вещества, образование которых связано с буровзрывными работами, экскавацией и транспортированием угля и породы на угольных карьерах [1].

При организации оборотного водоснабжения, например, при использовании сточных вод для снабжения обогатительных фабрик повышенное содержание взвешенных веществ в воде может привести к снижению качества получаемых концентратов, а также повышенному износу труб и насосов.

Минеральные пылевые частицы формируют в воде в зависимости от степени дисперсности различные системы – суспензии, взвеси, коллоидные растворы и др.

Большинство угольных разрезов, расположенных в Кемеровской области – Кузбассе, имеют систему очистки сточных вод, соответствующую базовой очистке, регламентированной НДТ № 15 ИТС-37–2017 «Добыча и обогащение угля», которая включает в себя процесс осаждения взвешенных веществ под действием сил тяжести в прудах-отстойниках и фильтрацию через фильтрующий материал дамб, Действующая схема очистки карьерных сточных вод [2].

Отстаивание карьерных сточных вод в прудах-отстойниках – наиболее распространенный метод и применяется на первой стадии очистки. Данный метод является эффективным для удаления крупнообломочных частиц, имеющих размер более 2 мм. Для таких частиц эффективность отстаивания составляет 90–100 %. Кроме того, этот же метод позволяет удалить до 40–60 % грубых и средних песчаных частиц с размером более 0,25 мм [3]. Содержание в карьерных сточных водах трудноосаждаемых пылеватых и глинистых частицразмером менее 10 мкм в больших концентрациях делают пруды-отстойники недостаточно эффективными. Чаще всего они не позволяют достичь нормативных концентраций по взвешенным веществам в сбрасываемых сточных водах даже при использовании каскада фильтрующих дамб. Кроме того, пруды-отстойники с регулируемым водосбросом не приспособлены для функционирования в условиях резких и значительных изменений расходов сточных вод, которые могут быть вызваны особенностями горной выработки и метеорологическими условиями [4].

Основное тело фильтрующего массива чаще всего выполнено из [5]:

• коренных пород вскрыши;
• крупного щебня фракции 100–200 мм;
• среднего щебня фракции 60–100 мм;
• горелой породы;
• кварцевого песка или цеолита.

Использование коренных пород вскрыши в качестве фильтрующего материала каскада дамб для очистки сточных вод карьеров имеет существенный недостаток, заключающийся в накоплении во время эксплуатации преобладающих  загрязнителей с их последующим вымыванием, что приводит к увеличению их концентрации в очищенной воде.

Мониторинговый анализ качества сбрасываемых сточных вод угольных разрезов показал, что количественное содержание в них взвешенных веществ превышает нормативные значения и неравномерно в течение года, максимальный пик наблюдается в период май–июль [6].

Целью работы является оценка эффективности очистки сточных вод угольных карьеров от взвешенных нерастворимых загрязнений техногенного происхождения методом фильтрования через слой зернистой загрузки.

В задачи исследования входили:

• проведение натурных измерений содержания взвешенных веществ в сточных водах угольных разрезов;
• исследование кинетики гравитационного осаждения взвешенных веществ из сточных вод;
• анализ фильтрующей способности загрузок из материалов природного происхождения;
• определение эффективности очистки сточных вод от взвешенных веществ при формировании рабочего слоя путем комбинирования разных материалов и фракций;
• определение оптимальной скорости подачи промывочных вод на этапе регенерации фильтра с зернистой загрузкой.

Методы исследования

В качестве рекомендованного метода очистки карьерных сточных вод от взвешенных веществ предлагаем использовать безреагентный способ очистки – фильтрование [7–9]. Данный способ в зависимости от концентрации контаминантов в исходной воде можно использовать как самостоятельно, так и одним из этапов комплексной технологии с «нулевым сбросом» [10].

Для анализа взвешенных веществ использовали методику ПНДФ 14.1:2:4.254–2009 «Количественный химический анализ вод. Методика измерений массовых концентраций взвешенных веществ и прокаленных взвешенных веществ в пробах питьевых, природных и сточных вод гравиметрическим методом».

Дисперсный состав взвешенных частиц в сточных водах определяли с помощью анализатора размера частиц по ГОСТ 8.774–2011.

В лабораторных условиях проведены исследования по выбору фильтрующего материала для загрузки в фильтрующую колонну, установленную на входе в систему комплексной технологии очистки сточных вод, использующую концепцию «нулевого сброса».

Характеристика объектов исследования

Для анализа эффективности очистки сточных вод от взвешенных веществ фильтрованием в качестве объектов исследования были выбраны природные материалы разного химического состава (табл. 1).

Таблица 1

Химический состав фильтрующих материалов, %

Результаты исследования очистки сточных вод угольных предприятий от взвешенных веществ фильтрующими материалами

Исследование процесса осаждения взвешенных веществ в кинетических условиях было проведено на карьерной воде, отобранной из зумпфа осенью и весной (с концентрацией 103 и 126 мг/дм³ соответственно), в которой преобладающими веществами, формирующими взвеси, являлись суглинки с размером фракции 0,005 мкм.

Кинетика гравитационного осаждения взвешенных веществ из сточных вод приведена на рис. 1. Анализ кривых осаждения позволяет выделить два этапа, каждый из которых имеет разную скорость процесса. Так, в течение первых 100 мин наблюдается значительное снижение концентрации взвешенных веществ вследствие осаждения частиц с преобладающим размером больше 0,05 мкм. В последующем происходит значительное снижение скорости осаждения мелкодисперсных частиц размером менее 0,02 мкм, сложных для разделения в условиях гравитационного поля. Концентрация взвешенных веществ в пробах достигла своего минимального значения (20 мг/дм³) только на пятые сутки и потом не изменялась.

Рис. 1. Кинетика гравитационного осаждения взвешенных веществ

Результаты гравитационного осаждения показали, что на коллоидные примеси силы гравитации не оказывают достаточного для их осаждения действия. Другой характерной особенностью является седиментационная и агрегативная неустойчивость образованного осадка [11].

Полученные результаты подтверждают необходимость доочистки сточных вод от взвешенных веществ коллоидной группы после прудов-отстойников, в которых организовано ламинарное течение очищаемых вод, достаточное для удаления крупнодисперсных частиц. Эффективным методом доочистки сточных вод от коллоидных частиц является динамическая фильтрация с использованием аппаратов колонного типа с зернистой загрузкой [12].

Сточные воды на выходе из прудов-отстойников, имеющие концентрацию взвешенных частиц на уровне 62 мг/дм³, с преобладающим размером частиц 0,005–0,02 мкм пропускались через лабораторную установку, схема которой представлена на рис. 2, в которой менялась фильтрующая зернистая загрузка.

Лабораторная установка, представляет собой фильтрующую колонну с высотой фильтрующего слоя зернистой загрузки – 0,50 м, диаметром – 0,1 м. Очищаемая вода подается сверху с начальной скоростью 8 м/ч. Степень очистки сточных вод при использовании различных фильтрующих загрузок определялась после пропускания 200 л. 

Рис. 2. Принципиальная схема лабораторной установки механической фильтрации

Перед началом механической фильтрации предварительно обработанная и отстоянная вода заливалась в ёмкость Е1, откуда насосом Н1 подавалась на фильтровальную колонку ФЗ с зернистой загрузкой. Скорость фильтрации устанавливалась кранами К1 и К2. Получаемый фильтрат собирался в промежуточную ёмкость.

Расчет степени очистки сточных вод от взвешенных веществ выполнен по формуле [13]:

где ε – степень очистки сточных вод, %; С₀ – начальная концентрация взвешенных веществ, мг/л; С_к – концентрация взвешенных веществ на выходе из колонки после пропускания 200 л сточных вод, мг/л.

Результаты эксперимента приведены в табл. 2.

Таблица 2

Концентрация взвешенных частиц и степень очистки сточных вод

Данные лабораторного эксперимента показали, что наибольшую степень очистки модельных растворов от взвешенных веществ имеют Filter Ag и кварцит Бобровского месторождения.

Результаты исследования влияния фракционного состава фильтрующего материала на степень очистки модельных растворов от взвешенных веществ провели на кварцевом материале Бобровского месторождения. Результаты приведены на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость степени очистки на кварцевом материале Бобровского месторождения от размера фракции

Как показали экспериментальные данные, с увеличением размера фракций степень очистки уменьшается. Это объясняется увеличением размера канальцев между частицами зернистого материала, что способствует снижению гидравлического сопротивления стационарного слоя материала и, соответственно, недостаточному понижению кинетической энергии взвешенных частиц для их задержки в слое фильтрующей загрузки.

Обзор литературных данных показал, что одним из способов повышения эффективности очистки сточных вод от взвесей является формирование комбинированной загрузки зернистого материала [14]. При этом первым по ходу потока очищаемых сточных вод, как правило, используют материал с большим размером частиц, постепенно уменьшая его к выходу из колонны. Кроме того, использование принципа комбинирования фильтрующих материалов позволяет снизить стоимость очистки сточных вод [15, 16].

Для сравнения эффективности комбинирования зернистой загрузки собрали модельную установку, имеющую два слоя разных фракций или фильтрующих материалов. Результаты эксперимента приведены в табл. 3.

Анализ экспериментальных данных показал, что наиболее высокая степень удаления взвешенных веществ достигается при использовании комбинации фильтрующих материалов – кварцевого песка и Filter Ag (в соотношении 1 : 2). Наименьшая степень удаления взвешенных веществ наблюдается при использовании комбинации фильтрующих материалов – кварцевого песка с частицами размером 1,0–2,0 мм и цеолита (в соотношении 1 : 2). При этом наибольшей удельной стоимости очистки сточных вод обладают загрузки с комбинациями, включающими цеолиты (обладающие низкой степенью очистки от взвешенных веществ) и Filter Ag (обладающий высокой стоимостью и отсутствием локализации его производства в России).

Таблица 3

Степень очистки сточных вод от взвешенных частиц комбинированным слоем зернистой загрузки

Таким образом, наиболее эффективным и доступным зернистым фильтрующим материалом является кварцит Бобровского месторождения, который мы рекомендуем использовать, комбинируя его фракции 2,0–5,0 и 0,7–1,2 (в соотношении 1 : 2).

Для восстановления фильтрующей способности зернистой загрузки проводится ее регенерация путём обратноточной промывки.

Оптимальный процент расширения зернистой загрузки при её регенерации составляет 30 %. [17] Для достижения заданного расширения для каждого типа зернистой загрузки требуется своя интенсивность подачи промывной воды.

С целью определения оптимальной интенсивности обратноточной промывки для исследованных фильтрующих материалов проведена серия экспериментов. Зависимость расширения фильтрующего слоя от расхода промывной воды снималась на фильтровальной колонне, описанной выше. Промывная вода подавалась в фильтрующую колонну снизу, а отводилась сверху, интенсивность промывки регулировалась краном, поз. К2.

Для каждого типа фильтровальной загрузки определена зависимость её расширения от интенсивности подачи промывной воды. График зависимости расширения загрузки в комбинации: кварцит Бобровского месторождения, фракция 2,0–5,0 / 0,7–1,2 (в соотношении 1 : 2), представлен на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость расширения загрузки кварцита Бобровского месторождения, фракция 2,0–5,0 / 0,7–1,2 (в соотношении 1 : 2), от интенсивности промывки

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что для эффективной регенерации фильтрующей комбинированной загрузки: кварцит Бобровского месторождения, фракция 2,0–5,0 / 0,7–1,2 (в соотношении 1 : 2), оптимальная скорость подачи промывной воды составляет 12–13 л/м²·с.

Заключение

Нерастворимые взвешенные вещества являются преобладающими загрязнителями карьерных сточных вод.  Наиболее простым и экономически обоснованным методом очистки сточных вод от этого типа загрязнителей является метод фильтрования через стационарный зернистый слой фильтрующего материала. На угледобывающих предприятиях широко используют систему очистки сточных вод, рекомендованную НДТ № 15 ИТС-37–2017 «Добыча и обогащение угля», включающую пруды-отстойники, представляющие собой открытые земляные емкости, изготавливаемые путем выемки грунта (например, отстойники котлованного типа) или путем перегораживания естественных логов дамбами из комбинированного минерального материала (например, отстойники овражно-балочного типа).  В качестве доочистки карьерных сточных вод рекомендуем использовать фильтрование с использованием аппаратов с зернистой загрузкой.

Наиболее высокую эффективность среди исследованных материалов показал кварцит Бобровского месторождения в комбинации различных фракций, обеспечивающих двухступенчатое фильтрование. Для восстановления фильтрующей способности зернистой загрузки проводится ее регенерация путём обратноточной промывки. Для эффективной регенерации фильтрующей комбинированной загрузки: кварцит Бобровского месторождения, фракция 2,0–5,0 / 0,7–1,2 (в соотношении 1 : 2), оптимальная скорость подачи промывной воды составляет 12–13 л/м²·с.