復合絮凝劑在含懸浮物礦井水處理中的應用

李 剛，柴 陽，朱 軻，混 磊，趙興國，劉小勇

(1.陜西秦邦環(huán)?？萍加邢薰?；2.陜西秦邦環(huán)保工程有限公司，陜西 西安 710015)

我國煤炭以井下開采為主，煤炭開采過程中常伴隨著礦井水的產(chǎn)生，且礦井水水質(zhì)參差不齊，大量未經(jīng)處理的礦井水直接排放，不僅污染了環(huán)境，而且浪費了寶貴的礦井水資源[1-2]。水資源短缺和水環(huán)境容量不足是制約我國西部地區(qū)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要瓶頸問題[3]。針對日趨緊張的水資源供求矛盾及礦井水任意排放的問題，礦井水處理及資源化技術的發(fā)展具有顯著的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

礦井水按照其污染物的性質(zhì)可將其分為高礦化度礦井水、酸性礦井水、含懸浮物礦井水、含特殊污染物礦井水及潔凈礦井水五大類[4]。近年來，根據(jù)不同水質(zhì)的礦井水，其處理工藝也在不斷取得進展，如處理高礦化度礦井水的離子交換法、反滲透法；處理酸性礦井水的酸堿中和法、生物化學法；處理含懸浮物礦井水的化學混凝法、氣浮法等[5-8]。

目前礦井水處理常用的絮凝劑按其來源和性質(zhì)可分為無機絮凝劑、合成有機高分子絮凝劑、天然生物高分子絮凝劑以及新型的微生物絮凝劑[9-10]。無機高分子絮凝劑主要通過電中和、壓縮雙電層以及吸附架橋作用將廢水中溶質(zhì)、膠體、懸浮物絮凝沉降，但其投藥量大，絮體強度低，絮凝效果不佳；助凝劑具有破壞干擾物質(zhì)、調(diào)節(jié)pH、提高絮體強度、促進沉淀等作用，因此，將無機高分子絮凝劑和助凝劑復合使用，可達到理想的絮凝沉淀效果。在化學混凝法處理礦井水工藝中，混凝沉淀作為核心程序，是混凝技術的關鍵[11]，因此，選擇合適的絮凝劑、確定最優(yōu)的使用參數(shù)，降低噸水處理成本，對整體礦井水水質(zhì)處理工程具有重大意義。

本文選取礦井水懸浮物、COD含量較高的西北某煤礦礦井水進行實驗，并結合各類絮凝劑特點，選用目前使用較為廣泛的兩種混凝劑，PAC和PAM復合使用[12]，采用化學混凝處理工藝，以達到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類標準。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

廢水：實驗廢水選取西北某煤礦井下水處理站預沉調(diào)節(jié)池出水口廢水，廢水呈黑色、水中有黑色肉眼可見細小懸浮物，廢水主要指標如表1所示。

表1 某煤礦礦井水水質(zhì)指標

藥劑：西安市某藥劑廠家，PAC：A1(深褐色透明液體)、PAM：B1(白色粉末、分子量800萬、陰離子型)；深圳市某藥劑廠家，PAC：A2(黃褐色不透明液體)、PAM：B2(白色粉末、分子量1 000萬、陰離子型)；鄭州市某藥劑廠家，PAC：A3(紅褐色透明液體)、PAM：B3(白色粉末、分子量1 200萬、陰離子型)，試驗時PAC取原液加入，PAM均配置成質(zhì)量濃度為0.1%的溶液加入。

1.2 實驗儀器

Hach2100Q便攜式濁度計、5B-3B(V8)多水質(zhì)測定儀、D2015W型電動攪拌器。

1.3 實驗方法

取1 L原水置入燒杯中，加入PAC，快速攪拌1 min，接著加入PAM，低速攪拌5 min，靜置沉淀30 min后，取上清液測量濁度及COD，以此衡量藥劑混凝沉淀效果。為防止煤泥沉淀，每次往燒杯取原水前均對原水進行攪拌。

×100%

2 結果與討論

2.1 PAC與PAM對沉降速度的影響

本實驗做了單加PAC、PAC和PAM混合使用的對比實驗，觀察絮凝劑對沉降速度的影響，結果如下：

單加PAC：實驗分5組進行，PAC加入量依次為60 mg/L、80 mg/L、100 mg/L、120 mg/L、140 mg/L，快速攪拌5 min，靜置30 min后觀察，5組實驗的水樣均有少量沉淀，形成的絮體較小，不易沉淀，水樣依然渾濁。繼續(xù)靜置30 min，水樣中仍有大量小顆粒絮體，懸浮物沉降均不完全。

PAC與PAM 混用實驗：實驗分5組進行，PAC加入量依次為60 mg/L、80 mg/L、100 mg/L、120 mg/L、140 mg/L，快速攪拌1 min，接著加入0.6 mg/L PAM，低速攪拌5 min，靜置觀察，5組實驗均快速形成較大絮體沉淀，沉淀絮體較為密實，20 min后，5組水樣上清液都比較清澈，僅有個別肉眼可見絮體小顆粒?？梢钥闯?，助凝劑PAM的加入，能夠大幅度提高混凝實驗沉降速度，且形成的絮體礬花大、結構密實。因此，本實驗選用PAC、PAM混合使用處理含懸浮物礦井水。

2.2 最優(yōu)組合

在原水量為1 000 mL，PAC加藥量為80 mg/L，PAM加藥量為0.6 mg/L的實驗條件下，選取不同廠家的PAC與不同性質(zhì)的PAM進行組合實驗，根據(jù)濁度去除率，選取最佳組合藥劑，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同絮凝劑助凝劑組合上清液濁度

從表2可以看出，加入不同PAC與PAM組合混凝沉淀效果不一，加入相同量的助凝劑PAM，分子量大的助凝劑混凝沉淀效果最好，其中A1、B3組合效果最佳，濁度去除率達到95%以上，因此，本實驗選用A1、B3組合進行后續(xù)混凝沉淀實驗的比較。

2.3 單因素實驗研究

2.3.1 PAC投加量對實驗的影響

由圖1可知，隨著PAC投加量的增加，礦井水的COD和濁度去除率均呈上升趨勢，當PAC投加量為100 mg/L時，去除率達到最大值，繼續(xù)增加PAC投加量，礦井水中COD和濁度值反而有所上升。由于PAC絮凝機理是以其水解產(chǎn)物對水中顆粒或膠體污染物進行電中和脫穩(wěn)、吸附架橋或粘附卷掃而生成粗粒絮體下沉去除[6]。當PAC投加量過大時，由于電荷效應，使脫穩(wěn)的膠體再次穩(wěn)定，導致COD和濁度去除率下降，因此，PAC最佳投加量為100 mg/L。

圖1 PAC投加量對COD和濁度去除率的影響

2.3.2 PAM投加量對實驗的影響

由于礦井水在混凝反應后，絮體比較松散，PAM作為助凝劑，其機理是通過有機大分子鏈中的有效官能團與懸浮物發(fā)生吸附架橋作用，增大礬花尺寸，利于其快速沉降去除。從圖2可以看出，隨著PAM投加量增加，礦井水的COD和濁度去除率均呈上升趨勢，當PAM投加量為1 mg/L時，去除率達到最大值。繼續(xù)增加PAM投加量，COD和濁度去除率有所下降，這是因為加入PAM后，改善了絮凝反應環(huán)境，促進PAC與礦井水中膠體顆粒的反應，加速絮體絮凝，縮短絮凝過程。當PAM投加量過大時，未充分反應的PAM會使礦井水中有機物含量增大，降低COD和濁度去除率，因此，PAM最佳投加量為1 mg/L。

圖2 PAM投加量對COD和濁度去除率的影響

2.3.3 溫度對實驗的影響

從圖3可以看出，隨著溫度升高，礦井水的COD和濁度去除率均呈上升趨勢，由于溫度升高，PAC、PAM溶解度上升，有利于PAC、PAM有效成分更好地水解擴散到礦井水中參與反應，且溫度高有利于混凝反應的進行。當溫度超過20 ℃時，COD和濁度去除率上升趨勢緩慢，綜合考慮經(jīng)濟成本及COD、濁度的去除效果，實驗反應溫度控制在20 ℃為最佳。

圖3 溫度對COD和濁度去除率的影響

2.3.4 攪拌速度

從圖4可以看出，隨著攪拌速度的提高，絮凝效果會有所提高，當攪拌速度達到200 r/min時，效果最好，當速度高于200 r/min時，絮凝效果下降，因為合適的攪拌速度會促進微粒間碰撞，促進混凝反應。速度過低會使PAC和礦井水不能充分混合，很難形成絮體。攪拌速率過快又會使形成的絮體被外力破壞，因此，最佳攪拌速度為200 r/min。

圖4 攪拌速度對COD和濁度去除率的影響

2.4 正交實驗研究

根據(jù)以上單因素實驗結果分析，本實驗選取PAC投加量(A)、PAM投加量(B)、溫度(C)、攪拌速度(D)作為考察因素，每個因素考察3個水平，選用4因素3水平的正交實驗表L9(34)，開展了9組實驗，實驗因素水平見表3，正交實驗結果見表4。

表3 因素水平

表4 正交實驗結果

通過表4中的極差R值可以看出，上述4個因素影響礦井水絮凝效果的順序為PAC投加量﹥攪拌速度﹥溫度﹥PAM投加量，即PAC投加量是礦井水絮凝效果的主要影響因素，PAM投加量對礦井水絮凝效果影響最小。分析正交實驗數(shù)據(jù)，從k值可以看出各因素的最佳水平，k值越大，該水平處理效果越好。從表4可以看出，最佳絮凝方案為A2B2C3D1，即PAC投加量100 mg/L，PAM投加量1 mg/L，溫度30 ℃，攪拌速度200 r/min。但考慮到溫度增加到30 ℃，相對于溫度20 ℃時COD去除率增加不明顯，且溫度20 ℃時絮凝效果可以達到實驗目標，結合實際經(jīng)濟成本，該實驗確定最佳絮凝劑方案為PAC投加量100 mg/L，PAM投加量1 mg/L，溫度20 ℃，攪拌速度200 r/min。

3 結 論

(1)絮凝劑PAC與助凝劑PAM共用，可加快絮體的形成、沉淀，且礬花更大、絮體更加密實，有利于后期壓濾工藝操作，更容易壓濾成塊；

(2)PAC與PAM復合處理礦井水的最佳實驗條件為：PAC投加量100 mg/L，PAM投加量1 mg/L，溫度20 ℃，攪拌速度200 r/min。在此條件下，礦井水COD含量去除率達到99%以上，達到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類標準。