磁混凝工藝在選礦廢水處理的應(yīng)用研究

劉 蕓

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司環(huán)保綠化分公司，山西 太原 030053）

引言

有效去除選礦廢水中的懸浮物，對(duì)提升礦物品位、實(shí)現(xiàn)選礦廢水的處理和資源化回用尤為重要。目前，針對(duì)選礦廢水中懸浮物的去除工藝，多采用混凝、沉淀、過濾等常規(guī)的凈化處理技術(shù)[1]。較為常見的混凝劑和助凝劑包括聚合氯化鋁（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM）、硫酸鋁[Al2（SO4）3]、硫酸亞鐵（FeSO4）、三氯化鐵（FeCl3）等。近年來，磁混凝沉淀技術(shù)成為大量應(yīng)用的水處理技術(shù)，磁混凝該技術(shù)是在普通的混凝沉淀工藝中添加磁粉，使得混凝劑、污染物和磁粉絮凝結(jié)合在一起，以磁粉為中心形成高密度絮體，進(jìn)而提高混凝沉淀的效果?；谏鲜隼碚摽芍瑢⒋呕炷恋砑夹g(shù)應(yīng)用于選礦廢水SS 去除具有可行性，但諸多因素如混凝劑的選擇、助凝劑和磁種的添加量尚不明確[2]。本研究對(duì)西曲選煤廠選礦廢水進(jìn)行研究，采用3 種常見的混凝劑和助凝劑，加入不同尺寸的磁粉，通過批次實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同混凝劑的最佳濃度。在3 種磁混凝體系中，對(duì)比磁種添加前后模擬廢水中懸浮物的濃度變化，以期為磁混凝沉淀技術(shù)在選礦廢水中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)儀器及試劑

磁力攪拌，HJ-6A，歐萊博；濁度儀，WZB-170，HACH。試驗(yàn)所用水樣由高嶺土溶液制成，混凝劑為聚合氯化鋁（PAC）有效含量＞26%；聚合硫酸鐵（PFS），有效含量＞19%；聚合硫酸鋁（PAS），有效含量＞90%；高嶺土，化學(xué)純。助凝劑聚丙烯酰胺（陰離子PAM），相對(duì)分子質(zhì)量為800、1 100、1 400、1 700、2 000 萬Da。磁種主要成分為Fe3O4，分析純，有效含量99%。

1.2 溶液配制

1.2.1 高嶺土儲(chǔ)備液制備

稱取高嶺土30 g 溶于于1 000 mL 燒杯中，磁力攪拌30 min，沉淀30 min 去除高嶺土中含有的易沉降雜質(zhì)。

1.2.2 混凝劑儲(chǔ)備液制備

PAC 儲(chǔ)備液：稱取20 g PAC 混凝劑固體，溶于1 000 mL 容量瓶中，配制成20 g/L 的混凝劑溶液備用。

PFS 儲(chǔ)備液：稱取20 g 的PFS 混凝劑固體，溶于1 000 mL 容量瓶中，配制成20 g/L 混凝劑溶液備用。

PAS 儲(chǔ)備液：稱取20 g 的PAS 混凝劑固體，溶于1 000 mL 容量瓶中，配制成20 g/L 混凝劑溶液備用。

1.2.3 助凝劑儲(chǔ)備液制備

稱取2 g 聚丙烯酰胺（PAM）用去離子水定容至1 000 mL，配制成2 g/L PAM 溶液備用。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

最適混凝劑濃度、PAM 相對(duì)分子質(zhì)量、磁粉確定。取一定量混凝劑母液（20 g/L）的上清液倒入燒杯中，隨后定容至800 mL，該溶液中混凝劑質(zhì)量濃度為3 000 mg/L。隨后分別將相對(duì)分子質(zhì)量分為0、800、1 100、1 400、1 700、2 000 萬Da PAM 加入到上述溶液中，500 r/min 的磁力攪拌器下快速攪拌30 s，然后再以50 r/min 的轉(zhuǎn)速慢攪拌10 min，最后靜置10 min，在距離液面5 cm 處取上清液，測(cè)定其濁度，以確定最佳PAM 分子量。按照上述相同步驟，通過對(duì)不同粒徑[0、40、80、120、160、200 目（380、180、120、96、75 μm，下同）的磁粉48 mg，以及投加質(zhì)量為0、24、48、72、96、120 mg 的磁粉，確定最佳磁粉投加質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合氯化鋁混凝技術(shù)靜態(tài)模擬

2.1.1 聚合氯化鋁混凝體系中最佳混凝劑、助凝劑及磁粉的確定

由圖1-1觀察得知，隨著PAC 投加量的增加，水中濁度顯著降低。然而，當(dāng)PAC 投加量超過3 mL 后，其濁度并未明顯降低。因此，在PAC 為20 g/L 的質(zhì)量濃度下，3 mL 體積為最適投加體積。此外，在該P(yáng)AC投加量下，研究了PAM 相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)濁度降低性能的影響（圖1-2）。在懸浮廢水中未加PAM 時(shí)所測(cè)的濁度遠(yuǎn)高于添加PAM 的，這表明PAM 可作為良好的助凝劑，其促進(jìn)了PAC 的混凝效果，有效降低了水的濁度。當(dāng)PAM 相對(duì)分子質(zhì)量在1 400 萬Da 時(shí)，濁度最低。繼續(xù)增加PAM 相對(duì)分子質(zhì)量，其濁度并未降低。這可能是因?yàn)?，大分子量的PAM 使絮凝團(tuán)發(fā)生復(fù)穩(wěn)，而較小分子量的PAM 可能有利于絮狀礬花的形成。因此，考察以上實(shí)驗(yàn)變量后，可選擇投加3 mL 20 g/L PAC，PAM 相對(duì)分子質(zhì)量為1 400 萬Da，投加體積為2 mL，后續(xù)實(shí)驗(yàn)均按照此投加量進(jìn)行。所選的PAC、PAM 投加于SS 質(zhì)量濃度為3 000 mg/L 濁液中，再分別加入質(zhì)量為48 mg、粒徑為0、40、80、120、160、200目的磁粉。實(shí)驗(yàn)操作過程均保持液體體積為800 mL。由圖1-3 可見，不同粒徑的磁粉對(duì)濁度去除的影響，80 目（180 μm）的磁粉效果較好，這可能是由于80目的磁粉有較大的比表面積，與混凝劑接觸效果較好。為探究不同磁粉投加量對(duì)混凝效果的影響，在120 目（96 μm）的磁粉下，選取不同磁粉投加量（0、24、48、72、96、120 mg），其結(jié)果如圖1-4 所示。隨著磁粉投加量的增加，其濁度有降低的趨勢(shì)，在磁粉質(zhì)量為48 mg 時(shí)，廢水濁度最低。隨著磁粉投加量進(jìn)一步增加，其濁度并未得到顯著降低。這可能因?yàn)椋砑舆^多的磁粉，磁粉顆粒團(tuán)聚，導(dǎo)致磁粉表面難以充分利用。因此，鑒于對(duì)成本和效果的考慮，在聚合氯化鋁混凝體系中，采用80 目（180 μm）磁粉，投加量48 mg為最優(yōu)條件。

圖1 混凝體系中各參數(shù)對(duì)濁度去除的影響

2.1.2 磁聚合氯化鋁混凝對(duì)廢水中濁度去除效果

實(shí)驗(yàn)?zāi)M西曲選煤廠的整體水況，PAC、PAM、磁粉和攪拌等條件控制在上述最優(yōu)條件。通過對(duì)比溶液靜置5、10、20、30、60、90 min 后濁度，確定最佳靜置時(shí)間為90 min。后續(xù)磁體系與普通體系的濁度處理效果對(duì)比都以90 min 的靜置時(shí)間操作。圖2 為對(duì)比磁粉加入前后聚合氯化鋁混凝對(duì)廢水濁度去除效果。

圖2 添加磁粉前后PAC 絮凝對(duì)濁度去除效果對(duì)比圖

由圖2 可知，加磁粉能促進(jìn)濁度的降低，磁粉的添加使得混凝劑和SS 之間的作用增大，導(dǎo)致混凝劑效果提升。未投加磁粉時(shí)混凝平衡所需的靜置時(shí)間明顯延長(zhǎng)。加磁粉時(shí)，3 種SS 濃度的濁液均在40 min 左右去除效果達(dá)到最低，且處于平衡狀態(tài)。然而，當(dāng)未投加磁粉時(shí)，三種濃度的SS 濁液靜置時(shí)間在90 min 時(shí)仍未達(dá)到平衡，且濁度高于加磁粉的狀態(tài)。

2.2 聚合硫酸鐵混凝技術(shù)靜態(tài)模擬

2.2.1 聚合硫酸鐵混凝體系中最佳混凝劑、助凝劑及磁粉的確定

通過對(duì)聚合硫酸鐵（PFS）混凝體系中不同混凝劑、助凝劑以及磁粉量的投加對(duì)廢水中懸浮物去除的對(duì)比可知，隨著PFS 投加量的增加，濁度逐漸降低，當(dāng)投加量超過3 mL 后，濁度并未明顯降低；PFS 的混凝效果明顯低于PAC；助凝劑實(shí)驗(yàn)表明，不同相對(duì)分子質(zhì)量助凝劑對(duì)濁度去除影響不大。磁混凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果和未加磁粉相比，投加磁粉后濁度有所降低。80 目（180 μm）磁粉效果最好，當(dāng)磁粉粒徑逐漸減小，濁度反而提高。這可能是由于，低粒徑四氧化鐵和聚合硫酸鐵同時(shí)存在時(shí)，易于使SS 穩(wěn)定，從而使得水中的SS 難以脫穩(wěn)沉淀。低劑量磁粉會(huì)降低濁度，隨著磁粉質(zhì)量的增加，濁度反而增加。

2.2.2 磁聚合硫酸鐵混凝對(duì)廢水中濁度去除效果

在相同濃度SS 下，加磁粉顯著降低了溶液濁度，表明磁粉加快了絮體沉降。磁粉的添加提高了混凝劑和SS 的重力沉降速度，加磁粉時(shí)，SS 絮體礬花在磁粉作用下發(fā)生加速沉降。當(dāng)靜置時(shí)間達(dá)到30 min 后，濁度趨于穩(wěn)定。未投加磁粉時(shí)，相同SS 濃度下，其濁度明顯較高。

2.3 聚合硫酸鋁混凝技術(shù)靜態(tài)模擬

2.3.1 聚合硫酸鋁混凝體系中最佳混凝劑、助凝劑及磁粉的確定

隨著聚合硫酸鋁（PAS）的投加，濁度逐漸降低。當(dāng)PAS 投加量超過4 mL 時(shí)，濁度并未進(jìn)一步降低，這表明PAS 混凝劑的不斷投加并未連續(xù)促進(jìn)混凝效果。這可能是因?yàn)?，高的混凝劑的添加?huì)促使SS 復(fù)穩(wěn)。此外，PAM 分子量的不同也導(dǎo)致混凝沉淀后溶液的濁度不同，相對(duì)分子質(zhì)量為1 400 萬Da 的PAM 顯示出較為優(yōu)越的混凝效果。當(dāng)PAM 相對(duì)分子質(zhì)量超過1 400 萬Da 后，其樣品濁度并未降低，增加了SS之間的空間位阻。相比于未加磁粉的溶液，加磁粉后溶液濁度明顯降低，當(dāng)磁粉粒徑＜80 目（180 μm）后，濁度反而出現(xiàn)略微增加，可選擇80 目（180 μm）的磁粉用于后續(xù)混凝實(shí)驗(yàn)。隨著磁粉質(zhì)量的增加，濁度逐漸降低，有利于磁混凝沉淀過程的實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 磁聚合硫酸鐵混凝對(duì)廢水中濁度去除效果

同樣地，在聚合硫酸鐵混凝體系中，對(duì)投加磁粉前后，相同靜置時(shí)間下的廢水濁度進(jìn)行了對(duì)比。在添加磁粉后，體系中濁度明顯降低。磁粉的添加提高了混凝劑和SS 的重力沉降速度，加磁粉時(shí)，SS 絮體礬花在磁粉作用下發(fā)生加速沉降。在濁度4 500 NTU時(shí)，在靜置時(shí)間60 min～90 min，體系的濁度基本維持在1 000 NTU，而添加磁粉后，其濁度能夠進(jìn)一步降低至750 NTU 以下。同時(shí)，添加磁粉后，3 種濁度廢水均能在前40 min 達(dá)到基本沉降平衡，這說明在投加磁粉后可以縮短混凝沉降平衡的時(shí)間。

3 結(jié)論

相較于傳統(tǒng)的混凝沉淀技術(shù)，磁混凝沉淀技術(shù)能夠更快速有效地去除選礦廢水中的SS，靜置40 min就能實(shí)現(xiàn)SS 的去除。對(duì)比三種磁混凝體系，混凝劑PAC 有更明顯的效果，在磁PAC 混凝體系中，SS 去除率最高可達(dá)95%以上，高于PFS 和PAS 混凝體系中的SS 去除率。