有機(jī)高分子絮凝劑用于礦井水的混凝實(shí)驗(yàn)

王姍姍

（1.河南平煤神馬環(huán)保節(jié)能有限公司，河南 平頂山 467000；2.河南平煤神馬靜脈產(chǎn)業(yè)有限公司，河南 平頂山 467000）

煤礦在開(kāi)采過(guò)程中會(huì)排出含有一定懸浮物和少量油的礦井水，這些懸浮物主要成分為煤粉、巖粉等固體[1]。礦井水的濁度較高，懸浮物的顆粒微小，比重輕，沉降速度慢，若未經(jīng)處理直接排放，會(huì)給礦區(qū)周邊的水環(huán)境造成污染，且導(dǎo)致資源浪費(fèi)[2]。因此，為了對(duì)礦井水資源進(jìn)行有效利用及改善周邊環(huán)境，必須對(duì)礦井水采取有效的處理措施，確保其能達(dá)標(biāo)排放或用作回用水[3]。

目前國(guó)內(nèi)礦井水處理工藝的核心是混凝沉淀，混凝技術(shù)的關(guān)鍵在于絮凝劑[4]。絮凝劑主要有無(wú)機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑和微生物絮凝劑三大類(lèi)。無(wú)機(jī)絮凝劑包括無(wú)機(jī)小分子和無(wú)機(jī)高分子絮凝劑，主要以鐵鹽和鋁鹽或它們的聚合態(tài)為主。在礦井水的處理工藝中使用最多的是無(wú)機(jī)高分子絮凝劑。如果長(zhǎng)期使用，鋁鹽絮凝劑會(huì)破壞人體的生理功能，可能會(huì)導(dǎo)致人體出現(xiàn)鋁性腦?。ɡ夏臧V呆）、鋁性骨病、鋁性貧血等病癥；鐵鹽絮凝劑則對(duì)金屬的腐蝕性較強(qiáng)[5]。有機(jī)絮凝劑包括人工合成高分子絮凝劑和天然有機(jī)高分子絮凝劑。單獨(dú)使用有機(jī)絮凝劑，產(chǎn)生的礬花小，絮體顆粒的沉降速度慢，絮凝效果不太理想，通常要將高分子絮凝劑與其它無(wú)機(jī)絮凝劑復(fù)合使用。較常用的絮凝劑組合為“聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺（PAC+PAM）”[6-7]，但使用聚丙烯酰胺會(huì)產(chǎn)生一定的副作用，如果使用不當(dāng)可能會(huì)引發(fā)癌癥和神經(jīng)性中毒，因此其安全性成為關(guān)注的焦點(diǎn)[8]。微生物絮凝劑是一類(lèi)由微生物產(chǎn)生并分泌到細(xì)胞外的、具有高絮凝特性的微生物代謝產(chǎn)物[9-10]，但目前大部分微生物絮凝劑仍處于實(shí)驗(yàn)階段，且生產(chǎn)成本較高，很難應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。因此，研究開(kāi)發(fā)高效的天然有機(jī)絮凝劑迫在眉睫。

本文選用幾種高效的有機(jī)絮凝劑，添加在礦井水中進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)，考察各絮凝劑的混凝效果，并對(duì)反應(yīng)過(guò)程中的各反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，以期為礦井水處理工程的調(diào)試和實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法和儀器

分別以陽(yáng)離子改性淀粉、陰離子型聚丙烯酰胺(CPAM)、木質(zhì)素、“聚合氯化鋁(PAC)+聚丙烯酰胺(PAM)”為絮凝劑，采用WZB-170型便攜式濁度儀、ZR4-6混凝實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)和FA1004N電子分析天平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原水為平頂山市平煤股份某礦的礦井水，原水水質(zhì)情況見(jiàn)表1。

表1 某礦井水原水的水質(zhì)情況

采用燒杯混凝沉降方法[11-12]，分別在4個(gè)裝有1000mL實(shí)驗(yàn)水樣的燒杯中，加入一定量的各類(lèi)絮凝劑，在250r·min-1的轉(zhuǎn)速下攪拌5min后靜置。觀察絮體的形狀及沉降速度，在距離上清液2～3 cm處，用醫(yī)用注射器取上清液，用濁度儀分別測(cè)定不同靜置時(shí)間下各實(shí)驗(yàn)水樣的剩余濁度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 混凝劑種類(lèi)對(duì)礦井水剩余濁度的影響

在水質(zhì)相同、攪拌速度為60 r·min-1、攪拌3 min、靜置3 min的條件下，將4種不同的絮凝劑按不同加量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 相同水質(zhì)條件下不同絮凝劑添加量對(duì)濁度的影響

從圖1可以看出，陽(yáng)離子改性淀粉的混凝效果最好，陰離子型聚丙烯酰胺次之，PAC+PAM的效果最差。投加陽(yáng)離子改性淀粉和陰離子型聚丙烯酰胺，會(huì)產(chǎn)生大量絮體，停止攪拌則迅速產(chǎn)生沉淀，且形成的絮體較密實(shí)，上清液非常透亮。加入PAC+PAM時(shí)，產(chǎn)生的絮體不明顯，沉降速度較慢，上清液有一層白色的漂浮物。由于礦井水中存在少量的油，PAC+PAM對(duì)油的吸附能力很弱，而陽(yáng)離子改性淀粉和陰離子型聚丙烯酰胺不僅對(duì)小顆粒物有絮凝作用，對(duì)油也有很好的吸附效果。

2.2 攪拌時(shí)間對(duì)礦井水剩余濁度的影響

在水質(zhì)相同、攪拌速度為60 r·min-1、絮凝劑用量為20 mg·L-1、靜置3 min的條件下進(jìn)行攪拌時(shí)間的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，攪拌時(shí)間對(duì)礦井水的剩余濁度有一定的影響。隨著攪拌時(shí)間增加，礦井水的濁度慢慢降低。攪拌時(shí)間大于5 min后，剩余濁度的變化較小，原因在于開(kāi)始時(shí)絮凝劑和礦井水中的顆粒物發(fā)生了快速反應(yīng)，5min之后，大部分絮凝劑已反應(yīng)完全，延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，對(duì)濁度的影響較小。由此確定攪拌時(shí)間為5 min。

圖2 攪拌時(shí)間對(duì)礦井水剩余濁度的影響

2.3 攪拌速度對(duì)礦井水剩余濁度的影響

在水質(zhì)相同、攪拌時(shí)間為5 min、絮凝劑用量為20 mg·L-1、靜置3 min的條件下進(jìn)行攪拌速度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，攪拌速度對(duì)礦井水的剩余濁度有一定的影響，攪拌速度與絮凝效果呈正相關(guān)，從工程角度考慮，確定攪拌速度為80 r·min-1。

圖3 攪拌速度對(duì)礦井水剩余濁度的影響

2.4 靜置時(shí)間對(duì)礦井水剩余濁度的影響

在水質(zhì)相同、攪拌速度為80 r·min-1、攪拌時(shí)間為5 min、絮凝劑用量為20 mg·L-1的條件下進(jìn)行靜置時(shí)間的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，靜置時(shí)間對(duì)礦井水的剩余濁度影響較大。靜置時(shí)間在5 min以內(nèi)，礦井水中的懸浮物的沉淀效果明顯，5 min之后，懸浮物的沉降效果不明顯，因此確定絮凝劑的靜置時(shí)間為5 min。

圖4 靜置時(shí)間對(duì)礦井水剩余濁度的影響

3 結(jié)論

基于礦井水的特殊性質(zhì)，傳統(tǒng)絮凝劑在礦井水處理過(guò)程中的投加量較大，一方面使得生成的煤泥的密實(shí)度較低，給后期的煤泥處理帶來(lái)困難；另一方面，有機(jī)絮凝劑的加入會(huì)給環(huán)境和人類(lèi)造成危害。本文選用了幾種有機(jī)絮凝劑，對(duì)礦井水進(jìn)行了混凝實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在水質(zhì)相同、攪拌速度為80r·min-1、攪拌時(shí)間為5min、絮凝劑用量為20mg·L-1、靜置時(shí)間為5min的條件下，陽(yáng)離子改性淀粉的投加量少，反應(yīng)時(shí)間快，形成的絮體比較密實(shí)，混凝效果最好，對(duì)油也有很好的吸附效果。用陽(yáng)離子改性淀粉處理后，礦井水的剩余濁度為18 NTU。