磁混凝沉淀工藝處理煤礦礦井水實(shí)驗(yàn)研究

景長勇 張尊舉 雷兆武 金泥沙 董亞榮 孫京敏

（河北環(huán)境工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

煤礦伴隨煤炭生產(chǎn)排放大量的礦井水，長期以來我國煤礦礦井水作為生產(chǎn)廢水經(jīng)簡單處理后直接外排，已使礦區(qū)周邊的環(huán)境受到了一定影響。由于煤礦礦井水水量大、同時(shí)存在礦化度高的現(xiàn)象，所以采用常規(guī)治理方案處理礦井水從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上有很大困難。

某煤礦礦井水文地質(zhì)單元簡單，地質(zhì)區(qū)域?qū)儆谙鄬Ψ忾]的地壘塊段，含水層基本處于停滯狀態(tài)。如果將礦井水回灌原含水層，對地下水不會造成負(fù)面影響，但要求回灌前礦井水水質(zhì)要達(dá)到或好于回灌層原水水質(zhì)。磁混凝技術(shù)是在傳統(tǒng)混凝沉淀工藝上加入適量的磁粉，以加強(qiáng)絮凝效果，提高混凝效率［1］。因此本文重點(diǎn)針對磁混凝沉淀技術(shù)預(yù)處理某礦井水的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水取自某礦井水處理設(shè)備預(yù)沉池進(jìn)水，原水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 原水水質(zhì)指標(biāo)

1.2 主要儀器設(shè)備和試劑

儀器設(shè)備：恒領(lǐng)科技六聯(lián)攪拌機(jī)（TA6系列）、上海光譜分光光度計(jì)（722E型）、上海悅豐濁度儀（SGZ-200BS）。

試劑：聚合氯化鋁（工業(yè)級PAC）、聚丙烯酰胺（4種型號工業(yè)級PAM）、磁粉。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

選用六聯(lián)攪拌機(jī)對礦井水進(jìn)行磁混凝實(shí)驗(yàn)，每次取1 000 mL原水放置于1L的燒杯中，分別投加不同劑量的聚合氯化鋁、聚丙烯酰胺及磁粉，然后取上清液用0.45m濾膜過濾，取濾后出水測定濁度、高錳酸鹽指數(shù)和SS等指標(biāo)，根據(jù)測得的指標(biāo)數(shù)據(jù)，分析得出最佳藥劑投加量，進(jìn)而確定最佳工藝條件。

1.4 分析方法

SS采用重量法測定，濁度采用上海悅豐濁度儀測定，高錳酸鹽指數(shù)采用酸性高錳酸鉀滴定法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同PAM對磁混凝效果的影響

因?yàn)椴煌吞朠AM處理效果會有一定差異，所以首先固定PAC投加量為30 mg/L，磁粉投加200 mg，實(shí)驗(yàn)4種不同型號不同劑量PAM的處理效果，4種PAM對應(yīng)型號分別為BJ61414、BJ70010、JF高、JF低，投加順序依次為磁粉、PAC、PAM；混凝條件：投加PAC后混合攪拌0.5 min（500 r/min），投加PAM后混合攪拌1 min（500 r/min），絮凝攪拌2 min（80 r/min），沉淀5 min，取上清液測定SS，取過濾后濾液測定COD，測定結(jié)果如圖1—圖2所示。

實(shí)驗(yàn)過程這4種PAM絮凝劑和PAC混凝劑聯(lián)合使用均能觀察到明顯絮體礬花，沉降性能除JF低外均較好，其中BJ61414礬花較大較密實(shí)，沉降速度較其他快，JF高次之。圖1實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，BJ61414對SS的平均去除率效果最好，BJ70010和JF高效果與BJ61414相差不多，JF低對SS去除率效果最差，不適于該礦井水樣處理。圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同型號和不同劑量的PAM對COD去除效果影響不大。隨著PAM投加量的增加，SS去除率和出水COD值都有所反復(fù)，主要是由于PAM如果投加過量可能會導(dǎo)致絮凝顆粒的復(fù)穩(wěn)現(xiàn)象［2］，所以建議PAM絮凝劑最佳投加量控制在0.4~0.5 mg/L之間。

2.2 不同PAC投加量對磁混凝效果的影響

由于PAC屬于較常用的鋁鹽混凝劑，且國內(nèi)生產(chǎn)質(zhì)量基本穩(wěn)定，所以本實(shí)驗(yàn)不對PAC型號進(jìn)行篩選，只對其用量進(jìn)行優(yōu)化。選用BJ61414、BJ70010、JF高3種PAM，固定其投加量為0.5 mg/L，磁粉投加200 mg，實(shí)驗(yàn)不同劑量PAC的處理效果，投加順序依次為磁粉、PAC、PAM；混凝條件同前，取上清液分別測定SS、COD，測定結(jié)果如圖3—圖4所示。

根據(jù)圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，BJ61414對SS的平均去除率效果最好，BJ70010次之，JF高對SS去除率效果最差，PAC最佳投加量在40~50 mg/L之間。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出SS去除效率明顯較考察PAM投加量時(shí)去除率低，主要原因原水SS較低，影響了顆粒之間的碰撞、凝聚，絮凝效果變差，因此也需要重視原水水樣濃度變化對混凝效果的影響［3］。

2.3 不同磁粉投加量對磁混凝效果的影響

固定PAC投加量為40 mg/L，PAM投加量為0.5 mg/L，考察不同磁粉投加量對處理效果的影響，混凝條件同前，取上清液分別測定SS和COD，測定結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，BJ61414、BJ70010和JF高對SS均有較好的去除效果，但磁粉投加量對SS去除影響沒有明顯規(guī)律，從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察，可以看出磁粉投加量對顆粒沉降速度影響較大，隨著投加量的增加，顆粒沉速明顯加快，進(jìn)而可以縮短沉淀時(shí)間［4］。圖6實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，磁粉投加量大于250 mg/L之后，出水COD均比較穩(wěn)定，主要原因是磁粉可以與混凝絮體相互結(jié)合形成更加密實(shí)的磁性顆粒，而這些顆粒之間的相互引力可以促成更大絮體，從而加速沉淀［5］。為了保證在較短時(shí)間內(nèi)的沉淀效率，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)因素，建議磁粉投加量在300~500 mg/L。

2.4 正交實(shí)驗(yàn)

在以上單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，以考察PAC投加量、PAM投加量和磁粉投加量對磁混凝效果影響的主次關(guān)系，進(jìn)一步優(yōu)化混凝工藝。選用BJ61414、BJ70010、JF高3種PAM，以PAM投加量（0.3mg/L、0.4mg/L、0.5mg/L、0.6mg/L），PAC投加量（30mg/L、40mg/L、50mg/L、60mg/L），磁粉投加量（300mg/L、400mg/L、500mg/L、600mg/L）進(jìn)行3因素4水平正交實(shí)驗(yàn)，由于混凝沉淀對SS去除有明顯變化，因此正交實(shí)驗(yàn)分析選用出水SS指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。

2.4.1 BJ61414 PAM正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用直觀分析和極差分析方法分析表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［6］，結(jié)果如表3所示。根據(jù)表3直觀分析數(shù)據(jù)，可以確定采用BJ61414 PAM時(shí)，選擇實(shí)驗(yàn)條件為PAM投加量水平4、PAC投加量水平4、磁粉投加量水平1時(shí)，可獲得最優(yōu)的SS處理效果，即最優(yōu)工藝條件為PAM投加量0.6 mg/L，PAC投加量60 mg/L，磁粉投加量300 mg/L。根據(jù)表3中的極差值可以看出影響處理效果的主次關(guān)系為PAM投加量>磁粉投加量>PAC投加量。

2.4.2 BJ70010 PAM正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

BJ70010 PAM正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如表4所示。根據(jù)表4直觀分析數(shù)據(jù)，可以確定采用BJ70010 PAM時(shí)，選擇實(shí)驗(yàn)條件為PAM投加量水平2、PAC投加量水平4、磁粉投加量水平3時(shí)，可獲得最優(yōu)的SS處理效果，即最優(yōu)工藝條件為PAM投加量0.4 mg/L，PAC投加量60 mg/L，磁粉投加量500 mg/L。根據(jù)表4中的極差值可以看出影響處理效果的主次關(guān)系PAC投加量>磁粉投加量>PAM投加量，但影響區(qū)別不大。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果 mg/L

表3 BJ61414 PAM正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表4 BJ70010 PAM正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.4.3 JF高PAM正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

JF高PAM正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如表5所示。

表5 JF高PAM正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表5直觀分析數(shù)據(jù)，可以確定采用JF高PAM實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇實(shí)驗(yàn)條件為PAM投加量水平1、PAC投加量水平2、磁粉投加量水平2時(shí)，即最優(yōu)工藝條件為PAM投加量0.3 mg/L，PAC投加量40 mg/L，磁粉投加量400 mg/L。根據(jù)表5中的極差值可以看出PAM、PAC、磁粉影響處理效果的主次關(guān)系PAC投加量>PAM投加量>磁粉投加量，但主次影響區(qū)別不大。

2.5 最佳工藝條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，篩選出磁混凝處理礦井水最佳工藝條件，如表6所示。

表6 最優(yōu)工藝條件 mg/L

采用3種型號PAM，在表6所示的最佳工藝條件下進(jìn)行磁混凝實(shí)驗(yàn)，將混凝處理后的水樣以0.45m濾膜過濾，測定濾后出水中水質(zhì)指標(biāo)，測定結(jié)果如表7所示。

表7 最佳工藝條件下出水水質(zhì)指標(biāo)

由于目前沒有可以直接引用的礦井水回灌原水層水質(zhì)指標(biāo)，所以參考（GB/T14848—2017）《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類水質(zhì)指標(biāo)限值和GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中水質(zhì)指標(biāo)限值，綜合煤礦開采和礦井水處理過程可能引入的組分，按照“優(yōu)于回灌層水質(zhì)指標(biāo)或與回灌層水質(zhì)相近，不對回灌層水質(zhì)造成有害影響”的原則，確定了表7所示的擬采用出水水質(zhì)限值。表7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用3種型號PAM進(jìn)行磁混凝處理后的礦井水出水水質(zhì)均優(yōu)于擬采用的出水水質(zhì)限值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也為下一步的中試研究提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)論

1）通過不同型號PAM單因素實(shí)驗(yàn)，篩選出BJ61414、BJ70010、JF高3種型號PAM，其中，BJ61414型對SS去除效果較另外兩種更好一些，產(chǎn)生的絮體更大，沉淀時(shí)間也更快。

2）通過PAM投加量、PAC投加量、磁粉投加量的單因素實(shí)驗(yàn)和3水平4因素正交實(shí)驗(yàn)，確定了3種型號PAM的最佳工藝條件，分別為：BJ61414 PAM投加量0.6 mg/L，PAC投加量60 mg/L，磁粉投加量300 mg/L，影響因素主次關(guān)系為PAM投加量>磁粉投加量>PAC投加量；BJ70010 PAM投加量0.4 mg/L，PAC投加量60 mg/L，磁粉投加量500 mg/L，影響因素主次關(guān)系為PAC投加量>磁粉投加量>PAM投加量；JF高PAM投加量0.3 mg/L，PAC投加量40 mg/L，磁粉投加量400 mg/L，影響因素主次關(guān)系為PAC投加量>PAM投加量>磁粉投加量。

3）采用3種型號PAM，在最佳工藝條件下進(jìn)行磁混凝+微濾組合工藝處理礦井水，出水水質(zhì)均優(yōu)于擬采用的出水水質(zhì)限值，為下一步中試研究提供了數(shù)據(jù)支撐。