Доочистка шахтных вод на фильтрах с песчаной загрузкой

Аннотация

Н.С. Серпокрылов, С.А.Щербаков

В опытно-промышленных и пилотных условиях  исследованы  направления интенсификации очистки шахтных вод   обоснованы режимы доочистки вод на зернистых фильтрах
Ключевые слова: шахтные воды, реструктуризация угольных шахт, особенности состава, очистка шахтных вод, технологическая схема,    опытно-промышленные исследования, пилотная установка, эффективность очистки.

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

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 (y₁), мг/л на см³, средняя концентрация взвешенных веществ в промывной воде (y₂), 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

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  (y₁), мг/л на см³:
y₁ = 3,47 – 0,47 х₂ + 0,01 х₃;  (1)
средняя концентрация взвешенных веществ в промывной воде (y₂), мг/л на см³       y₂ = 0,64 + 0,06 х₁ – 0,11 х₂ – 0,001 х₃;   (2)
- для песчаной загрузки (3,4):  
остаточное содержание взвешенных веществ в  загрузке (y₁), мг/л на см³:
   у₁= 16.39 - 1.1 Х₂   – 0.04 Х₃;   (3)
средняя концентрация взвешенных веществ в промывной воде (y₂), мг/л на см³        y₂ = 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 (y₂) 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.