磁分離技術(shù)在礦井水處理中的運(yùn)用研究

郎國(guó)成，蘇元戎，劉灑，王宏義，柳金賢，張新

（1.中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X礦，山西 河津 043300；2.中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司 河北省高端智能礦山裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 075000；3.中建環(huán)能（山東）環(huán)境科技有限公司，山東 泰安 271000）

磁分離技術(shù)作為一種把物質(zhì)利用磁場(chǎng)處理的技術(shù)手段，其是借助組成元素的磁敏感性差異來(lái)完成分離的。磁分離技術(shù)能夠?qū)⑺械母∮?、懸浮顆粒、藻類(lèi)、磷類(lèi)、重金屬等有效分離出來(lái)，同時(shí)，對(duì)一部分病原微生物也可以達(dá)到很好的處理效果，能夠有效處理環(huán)境污染問(wèn)題，因此，加強(qiáng)對(duì)磁分離技術(shù)方面的研究是非常有必要的。

1 磁分離技術(shù)的概述

磁分離技術(shù)作為一項(xiàng)物理分離處理技術(shù)，其是利用磁場(chǎng)力的作用分離出不同的磁性物質(zhì)。由于污水中存在多種多樣的污染物，使用高梯度磁分離技術(shù)能夠把磁性較強(qiáng)的污染物分離出來(lái)，在磁性相對(duì)較弱的污染物中投入混凝劑和赤鐵礦、磁鐵礦、鐵粉等微粒，促使污染物和磁種有效結(jié)合，再借助高梯度的磁分離技術(shù)進(jìn)行分離。磁分離技術(shù)的原理就是借助外加磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁力將污水中帶有磁性的懸浮顆粒吸附分離出來(lái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)回收和去除的作用。

2 磁分離技術(shù)的實(shí)際原理

2.1 磁混凝原理

比表面積相對(duì)較大的磁粉與使用了混凝劑而將礦井井水中細(xì)小的膠體微粒和懸浮物進(jìn)一步聚集后，能夠產(chǎn)生極易沉淀的大顆粒絮體，進(jìn)而增強(qiáng)其重力，提升污染物在后續(xù)固液分離的效率。其工藝原理同Dualsand的微砂絮凝工藝原理、DensaDeg的微砂絮凝工藝原理、 Actiflo的微砂絮凝工藝原理等類(lèi)似。

2.2 磁分離原理

針對(duì)磁場(chǎng)而言，與其他磁力的競(jìng)爭(zhēng)力相比，磁場(chǎng)中磁性顆粒較大的磁力較弱，而磁場(chǎng)中非磁性或弱磁性顆粒的磁力競(jìng)爭(zhēng)相反。與此同時(shí)，實(shí)際流體顆粒物的運(yùn)動(dòng)軌跡是由合力決定的，能夠把物料有效分離出來(lái)。結(jié)合絮凝體固液分離處理技術(shù)，其磁分離過(guò)程是由磁力吸附分離和磁混凝沉降分離組成。如果根據(jù)裝置的原理進(jìn)行分類(lèi)，通常有高梯度、磁盤(pán)、重力3種分離方式。磁力吸附分離作為一種磁盤(pán)分離裝置的分離方式，其是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)的磁盤(pán)裝置將污水中附著的磁性絮體吸附出來(lái)，最后，當(dāng)磁盤(pán)升出水面后，再將附著在磁盤(pán)上的絮體使用刮泥板清理干凈，然后，再將磁盤(pán)投入水體中循環(huán)吸附水體顆粒。

而磁力吸附分離是借助高梯度磁分離裝置形成的一種分離方式，高梯度磁分離裝置是將高飽和磁密不銹鋼聚磁鋼毛作為載體，當(dāng)水中的磁性絮體重力和黏性阻力小于鋼毛磁力的情況下，鋼毛載體會(huì)截留污染物，當(dāng)切斷磁路后磁力也會(huì)隨之消失，被鋼毛載體截留的污染物通過(guò)氣或水反復(fù)沖洗下來(lái)，就可以起到把污染物從廢水中除去的作用。

磁混凝沉降分離是借助重力分離裝置形成的一種分離方式，傳統(tǒng)的澄清工藝或沉淀工藝與此裝置的工作原理相似，因?yàn)榇欧鄣谋缺砻娣e相對(duì)較大，所以使得占地面積降低、水力停留時(shí)間縮短、液面負(fù)荷和沉降速度得以有效提升，進(jìn)而節(jié)省一部分安裝費(fèi)用。重力分離裝置的磁粉比微砂絮凝工藝的回收率相對(duì)更高一些，進(jìn)而有效降低了整體的運(yùn)行成本。

3 磁分離技術(shù)特征

3.1 高效性

比表面積較大是磁粉的特性，而同樣具備此特性的還有混凝時(shí)產(chǎn)生的大顆粒絮凝體，其可以使分離構(gòu)筑物的體積得以縮小，使停留時(shí)間得以縮短，相比傳統(tǒng)工藝而言，磁分離技術(shù)具有高效性。為提升分離效果，需要在污水中添加具有較強(qiáng)磁性的磁粉，能夠有效提升凈化污水的效果，其可以把污水中部分有害物質(zhì)吸附出來(lái)，這部分磁性較小的顆粒物就是污水中存在的有害物質(zhì)，借助磁分離技術(shù)能夠有效將其進(jìn)行吸附，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清除的作用。為有效提升工作效率，可將絮凝劑添加到污水中，能夠有效提升污水中磁性小顆粒的吸附能力，進(jìn)而提升整體的分離效果，將污水中的有害物質(zhì)快速分離出來(lái)，促使污水的凈化效果得以有效提升。特別是能夠很好地分離出工業(yè)污水中含有的重金屬、合成洗滌劑、病毒、細(xì)菌等污染物質(zhì)。磁分離技術(shù)與以往的化學(xué)處理方法和生物處理方法存在一定的差異性，但存在各自特有的優(yōu)點(diǎn)。磁分離技術(shù)高效地分離出污水中的有害物質(zhì)后將污水處理成清水，其不會(huì)受到污染物毒性帶來(lái)的不利影響，其有效性較強(qiáng)，所以被越來(lái)越多的企業(yè)和工程項(xiàng)目所使用。與此同時(shí)，磁分離技術(shù)不會(huì)受到自然溫度帶來(lái)的太大影響，對(duì)于濃度較低且懸浮物較細(xì)小的污水也可以達(dá)到更好的分離效果，在污水處理中，有效應(yīng)用磁分離技術(shù)能獲取較顯著的高效性。

3.2 磁分離技術(shù)的節(jié)能性

與傳統(tǒng)污水處理技術(shù)相比，磁分離技術(shù)對(duì)能源消耗要求相對(duì)較低，同時(shí)，在實(shí)際使用過(guò)程中，其能夠比傳統(tǒng)污水處理技術(shù)節(jié)省5%的耗電量，由此可見(jiàn)，其節(jié)能性能較強(qiáng)。

3.3 磁分離技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性

磁分離技術(shù)只需要投放少許混凝劑就能夠讓水中的污染物變成絮凝狀態(tài)，其能夠在一定程度上降低藥劑的實(shí)際使用量。因?yàn)闃?gòu)建物體積的減少和停留時(shí)間的縮短，使得磁分離技術(shù)的實(shí)際用地面積得以減少，降低了購(gòu)地的成本。同時(shí)，其井下項(xiàng)目和改造項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)也較高。

4 在煤礦礦井水處理中應(yīng)用磁分離技術(shù)

4.1 礦井水的理化性質(zhì)

采煤期間需要將水排出，國(guó)內(nèi)煤礦每噸煤會(huì)排放約2～2.5m3的水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年，國(guó)內(nèi)所有礦井約排放42億m3，現(xiàn)今已超過(guò)60億m3。從本質(zhì)上說(shuō)，礦區(qū)開(kāi)拓巷道和采層附近的地下水就是礦井水，時(shí)常還會(huì)有部分地表水會(huì)從地表裂隙中滲透出來(lái)。礦床地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)以及開(kāi)采等條件都會(huì)直接影響煤礦礦井水的水質(zhì)。煤礦礦井水具備一定的煤炭行業(yè)特性，所以水質(zhì)與普通地表水存在顯著的差別。高礦化度、酸性、含懸浮物、清潔等礦井水是國(guó)內(nèi)主要的煤礦礦井水的類(lèi)型，其中最常見(jiàn)的是含懸浮物礦井水，其含有的污染物主要由石油類(lèi)、COD(化學(xué)需氧量)、SS(懸浮物)、pH以及部分金屬非金屬元素成分。有相關(guān)統(tǒng)計(jì)調(diào)查展示，1～20mg/L的礦井水中油占79%、100～400mg/L的礦井水中COD占76%、600～3000mg/L的礦井水中SS占73%，含懸浮物的礦井水中所含的巖粉懸浮物和煤粒懸浮物等相對(duì)較多，同時(shí)，所含的黑色COD相對(duì)較少，可是礦化度和硬度卻都相對(duì)較低，常被認(rèn)為其是由于SS的去除而隨之消失的，因此，僅用混凝方法、沉淀方法、過(guò)濾方法或者使用自然沉淀的方法就能夠把礦井水中的SS除去，所呈現(xiàn)的處理效果也比較顯著。

4.2 磁分離技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

4.2.1 磁分離技術(shù)與傳統(tǒng)工藝的對(duì)比

針對(duì)含有懸浮物的礦井水而言，主要是為了處理礦井水中的膠體和懸浮物。其中混凝、沉淀、過(guò)濾處理工藝是我國(guó)應(yīng)用最廣泛的一種處理工藝，主要以隔板絮凝池或網(wǎng)格絮凝池進(jìn)行混凝。以效率更高的高密度迷宮斜板沉淀池、斜板沉淀池、斜管沉淀池為主要的沉淀池，重力式無(wú)閥濾池則作為常見(jiàn)的一種濾池。相對(duì)而言，磁分離技術(shù)的工藝效率經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比傳統(tǒng)工藝高8.3倍，能夠節(jié)約83%的占地，能夠降低60%的PAM加藥量，降低58%的PAC加藥量，提升75%的污泥濃度，節(jié)省40%左右的運(yùn)行成本，處理時(shí)間也縮短了70%，同時(shí)，能夠減少70%的施工周期。

4.2.2 比對(duì)井上設(shè)置與井下設(shè)置的優(yōu)缺點(diǎn)

構(gòu)筑物通體量相對(duì)較大是傳統(tǒng)井水處理的一大特性，為避免在冬季構(gòu)筑物出現(xiàn)結(jié)冰的情況，還應(yīng)采取保溫措施。為此，相對(duì)礦井水下處理而言，將其設(shè)置在礦井水地面上更適合。同時(shí)，因?yàn)榈V井水井下采煤作業(yè)的過(guò)程中需使用的水量較大，經(jīng)過(guò)地面處理后的水還應(yīng)該再輸送到井下，進(jìn)而極易導(dǎo)致能源的浪費(fèi)問(wèn)題。針對(duì)磁分離技術(shù)而言，其具備一體化、布局調(diào)整性較大等優(yōu)勢(shì)，所以，其相對(duì)而言，更適合井下處理工藝。將處理站建設(shè)在井下具備5大優(yōu)勢(shì)：（1）井下排水管路的使用壽命得以延長(zhǎng)，排水泵所需的維護(hù)成本相對(duì)較低。在井下所建的礦井水處理站，因常年處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的排水泵，其流體中所含雜質(zhì)不多，不會(huì)大面積損害排水泵，所以無(wú)須花費(fèi)較多的維護(hù)費(fèi)用。此外，污染物對(duì)排水泵管路的腐蝕和磨損的程度較低，所以會(huì)延長(zhǎng)其使用壽命。（2）方便就近復(fù)用?，F(xiàn)今，國(guó)內(nèi)大部分礦井水回用主要是用于井下煤層注水、降塵灑水等井下生產(chǎn)用水。將處理站建設(shè)到礦井下，不但會(huì)減少礦井水回用環(huán)節(jié)，而且還能夠有效降低成本。（3）降低征地。將處理站建設(shè)在礦井下，只需要在地面上建立一個(gè)清水池就可以，不需要另外征用多余的土地，直接開(kāi)鑿硐室在礦井下就可以，改擴(kuò)建項(xiàng)目還可使用原有的巷道或硐室，能夠有效降低井巷的工程建設(shè)量。（4）避免了氣候帶來(lái)的不利影響。國(guó)內(nèi)寒冷地區(qū)的煤炭資源分布較廣，當(dāng)把處理站建在地面上還應(yīng)該采取防凍措施，但是，將處理站建設(shè)到礦井下，就不用考慮氣候帶來(lái)的影響，有效降低了工程量。（5）水倉(cāng)有效容積增大，降低了水倉(cāng)清理的次數(shù)。將處理站建設(shè)到礦井下，還能夠?qū)ΦV井水進(jìn)行持續(xù)處理作業(yè)，可以對(duì)沉積在井下水倉(cāng)底部的污染物起到一定的清理作用，逐步增加水倉(cāng)有效容積，使清理水倉(cāng)的次數(shù)得以降低。

通過(guò)以上分析，了解到將處理站建設(shè)到礦井下的優(yōu)勢(shì)較多，但其同樣有一定的局限性。（1）受井下特殊環(huán)境的限制，應(yīng)做好通風(fēng)、支撐保護(hù)、防爆防腐等干擾因素。（2）受井巷尺寸的限制，無(wú)形中增加了水處理設(shè)備的安裝和水處理配備維護(hù)的難度。（3）對(duì)于礦井井下工作，通常情況下，都禁止進(jìn)行焊接操作，進(jìn)而使得井下水處理站的施工作業(yè)增加了一定的難度。

5 磁分離技術(shù)存在的問(wèn)題以及未來(lái)的展望

磁分離技術(shù)工藝比傳統(tǒng)技術(shù)工藝具備處理礦井水的優(yōu)勢(shì)更大，其具備適用性強(qiáng)、節(jié)省占地面積、藥劑投加量少等優(yōu)勢(shì)，可是也同樣有問(wèn)題存在，主要包含：（1）由于所需使用的磁粉價(jià)格相對(duì)偏高，個(gè)別磁粉還需要進(jìn)口，因此，應(yīng)該加大對(duì)優(yōu)質(zhì)磁粉和廉價(jià)磁粉的研發(fā)。（2）整體磁粉的回收率不高，現(xiàn)階段，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段的磁粉回收率相比礦井工程磁粉的回收率相差較大，所以加強(qiáng)磁粉回收率的可行性方案研究是極其有必要的。（3）無(wú)法確認(rèn)磁分離效果會(huì)受到高礦化度礦井水中磁性污染物產(chǎn)生的多大影響。磁分離技術(shù)不但是一項(xiàng)環(huán)保項(xiàng)目，而且還是一項(xiàng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和清潔生產(chǎn)的項(xiàng)目。不但具備綠色環(huán)保、節(jié)水節(jié)能、降低污染物排放量、資源的回收再利用等綜合功效，同時(shí)，其經(jīng)濟(jì)、安全、社會(huì)和環(huán)境等效益也相對(duì)較高，因此，其未來(lái)的發(fā)展前景極其開(kāi)闊。

6 結(jié)語(yǔ)

磁分離技術(shù)有效應(yīng)用了物理高能磁場(chǎng)、物理處理法、化學(xué)處理法，能夠?qū)腆w廢棄物和不同污水進(jìn)行有效的分離處理，具備較強(qiáng)的環(huán)保性，能夠?qū)崿F(xiàn)廢物再利用的效果，提升了資源的利用率，降低了環(huán)境污染問(wèn)題。將磁分離技術(shù)有效應(yīng)用于礦井水處理工藝中，能夠?qū)⒌V井下的泥水進(jìn)行有效分離，提升礦井水質(zhì)，不但可以提升礦區(qū)的環(huán)保效果，而且還能夠有效提升經(jīng)濟(jì)效益，滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)可持續(xù)發(fā)展建設(shè)的理念和目標(biāo)，所以可以被進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。