低浊矿坑废水混凝优化试验研究

Posted 2023-01-13 矿坑

篇首语：我相信：一切事物的价值必将重新得到评估。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了低浊矿坑废水混凝优化试验研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

　　矿坑废水是伴随煤炭资源开采而产生的工业废水，一般因含有大量的煤粉、碎屑而具有高浊度、高矿化度、高色度的特点，通常采用传统的混凝-沉淀-过滤等工艺对其进行处理即可达到排放标准或回用标准要求。然而对于低浊、富含重金属离子的有机矿井水，采用现有的混凝工艺不仅对溶解性物质和有机污染物去除率较低，同时出水浊度也通常偏高。为了满足出水浊度的要求，往往增加混凝剂投加量，其投加量可高达50～70 mg/L，这种做法使矿坑废水的资源化成本大增，无法从根本上解决煤矿产区严重缺水和矿坑水污染的问题〔1〕。

　　低浊矿坑废水杂质的主要成分是细小的胶体分散体系，动力和凝聚稳定性较强，带负电的胶体微粒数量很少，经过混凝过程形成的絮凝体直径小、密度轻，导致沉淀效果不理想〔2〕。为了解决某矿低浊矿坑废水混凝处理效果不佳、混凝剂投加量大等问题，笔者以该煤矿矿坑废水为试验对象，以浊度去除率作为评价指标，通过正交试验及单因素试验，分析了影响混凝效果的因素，探讨了最优混凝条件，以期为低浊矿坑废水混凝工艺的资源化利用提供参考。

　　1 试验药品及方法

　　1.1 试验药品

　　试验选用高分子混凝剂聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)、聚合氯化铝铁(PAFC)以及常规无机混凝剂硫酸铝〔Al2(SO4)3〕、氯化铁(FeC13)作为试验药剂，上述药剂均为分析纯，产自沈阳市华东试剂厂。上述药剂在使用之前均配制成10 g/L的溶液。为探讨高分子助凝剂与混凝剂配比对低浊矿坑废水混凝效果的影响，试验中配制1 g/L的聚丙烯酰胺(PAM)溶液作为助凝剂。

　　1.2 试验用水

　　试验用水取自内蒙古东北部某煤矿矿坑水，根据《煤炭工业污染物排放标准》(GB 20426—2006)，参考《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)，该矿坑水的特征污染物有SS、COD、NH3-N、PO43--P、Mn2+，水质评价结果属于V类水，该矿坑废水为低浊含氮磷的有机煤矿废水。试验用水水质：SS 9.02 NTU，COD 201 mg/L，NH3-N 48 mg/L，PO43--P 1.5 mg/L，Mn2+ 15 mg/L，pH=8.01。试验水样平均温度为20 ℃。

　　1.3 试验方法

　　在前期试验研究的基础上，着重考察影响混凝效果的6个因素，即：混凝剂种类、混凝剂投加量、原水pH、PAM投加量、PAM投加时间、水力条件，并对其进行优化。首先以SS去除率为评价指标，进行5水平6因素L25(56)正交试验，确定各因素影响混凝效果的显著性;然后在此基础上进行单因素试验，探讨各因素影响混凝效果的机理，并确定各因素的最优混凝水平，验证正交试验结论的可靠性。混凝剂及编号见表 1，水力条件及编号见表 2。试验中用六联搅拌机搅拌至所需时间后，静置30 min，取上清液进行监测。

　　1.4 监测项目及方法

　　SS：散射比浊法;pH：玻璃电极法;Mn2+：高碘酸钾分光光度法;NH3-N：纳氏试剂分光光度法;COD：重铬酸钾法。

　　2 结果与分析

　　2.1 正交试验

　　正交试验结果见表 3。

　　由表 3可知，各因素对混凝效果影响的显著性为混凝剂投加量>pH>PAM投加时间>水力条件>混凝剂种类>PAM投加量，最优混凝操作条件：按4#水力条件进行操作;原水pH=7;以PAC为混凝剂，投加量为50 mg/L;在快速搅拌结束时投加PAM，投加量为0.5 mg/L，投加时间为30 s。

　　以往的研究表明，与PAC相比较，PAFC对低浊湖库水具有更好的混凝效果〔2〕。但在该研究中PAFC并没有体现出混凝优势，其和PAC的混凝效果几乎一样。分析原因可能是矿坑废水中的悬浮物和胶体主要是煤杂质这种特殊的物质，其混凝动力学和稳定性不同于湖库水中的胶体颗粒。考虑到PAFC市场价格昂贵，因此，对低浊矿坑废水PAC混凝剂有较大的优势。

　　2.2 单因素试验

　　2.2.1 PAC投加量对混凝效果的影响

　　试验条件：按4#水力条件进行操作;原水pH=7;在快速搅拌结束时投加PAM，投加时间为30 s，投加量为0.5 mg/L。改变PAC投加量，考察PAC投加量对混凝效果的影响，结果见图 1。

图 1 PAC投加量对SS去除率的影响

　　由图 1可知，PAC对混凝有很大的促进作用，随着PAC投加量的增加，SS去除率增大。当PAC投加量达到20 mg/L时，SS去除率达到97.47%;进一步提高PAC投加量，SS去除率反而有下降的趋势，同时发现絮体沉降性也变差，这与李志伟等〔3〕的研究结论相符。对于某一特征水质，在最佳投加量(OH-/Al)条件下，PAC水解产物中不仅含有单位铝正电荷高的Ala，而且聚合铝Alb、Alc含量也较高，其电性中和、吸附架桥、网捕卷扫等混凝机制可发挥最佳作用〔4〕。若PAC投加量不足，PAC所提供的正电荷较少，不足以中和胶体表面的负电荷，形成的絮体尺寸较小，不易固液分离〔5〕;而PAC投加量过多，会导致颗粒表面物理化学性质发生改变，已絮凝的颗粒会再稳定。考虑到经济性，确定混凝剂PAC最佳投加量为20 mg/L。

　　2.2.2 PAM投加量对混凝效果的影响

　　试验条件：按4#水力条件进行操作;原水pH=7;在快速搅拌结束时投加PAM，投加时间为30 s;PAC投加量为20 mg/L。改变PAM投加量，考察PAM投加量对混凝效果的影响，结果见图 2。

图 2 PAM投加量对SS去除率的影响

　　助凝剂的投加与否对SS的去除效果有较大影响。由图 2可知，不加助凝剂时，SS去除率仅为58%;当PAM投加量达到0.5 mg/L时，SS去除率达到96%;进一步增加PAM投加量，SS去除率基本不变。在混凝过程中加入阳离子型助凝剂PAM，颗粒表面的负电荷可得到进一步中和，同时由于其较大的分子质量，能有效地将PAC水解产物及胶体颗粒架桥连接，形成较大的易于沉降的絮体。但PAM具有微弱的毒性，为使其既能在技术上达到最佳的混凝效果且经济上合理，又避免投加过量对人体造成危害，控制其投加量在0.5 mg/L。

　　2.2.3 原水pH对混凝效果的影响

　　试验条件：按4#水力条件进行操作;PAC投加量为20 mg/L;在快速搅拌结束时投加PAM，投加时间为30 s，投加量为0.5 mg/L。改变原水pH，考察原水pH对混凝效果的影响，结果见图 3。

图 3 原水pH对SS去除率的影响

　　原水pH决定胶体颗粒物表面酸碱和电荷特性、金属混凝剂的水解速率，决定Al水解形态分布和转化，从而影响混凝过程中颗粒物-混凝剂-溶液之间的两两相互作用，影响后续絮体的形成及固液分离效果〔6〕。张卫飞〔7〕的研究表明，pH影响PAC中Al的形态，pH低时，Al主要以低电荷单体铝形态Ala存在; pH升高，Ala含量减少，高电荷多聚物Alb增加，电中和黏结架桥能力增强;pH过高时，PAC中的Al将会水解转化成低电荷的Al(OH)3(am)溶胶-沉淀形态，电中和能力下降。由图 3可知，当原水pH为8时，混凝效果最好，SS去除率可达96.03%。

　　2.2.4 水力条件对混凝效果的影响

　　试验条件：原水pH=8;PAC投加量为20 mg/L;在快速搅拌结束时投加PAM，投加时间为30 s，投加量为0.5 mg/L。改变水力条件，考察水力条件对混凝效果的影响，结果见图 4。

图 4 水力条件对SS去除率的影响

　　由图 4可知，4^#水力条件下的SS去除率略好于其他水力条件，SS去除率约为97%。混凝过程分为混合阶段和反应阶段，对于高分子混凝剂PAC，由于其水解有效形态不像无机混凝剂那样受时间的影响，混合阶段主要是使药剂在水中均匀分散，对快速和剧烈搅拌的要求不高；在反应阶段PAC水解的多羟基铝聚合物通过电中和、吸附架桥、网捕卷扫作用使颗粒脱稳并借助布朗运动和紊流作用进行凝聚。为了避免形成的絮凝体在高速搅拌条件下被打碎，反应阶段的搅拌强度应随着絮凝体的结大而逐渐降低，同时延长搅拌时间，使得混凝剂与悬浮物质充分接触混合，并沉降完全。对于5^#水力条件下的混凝效果略有下降的原因有待进一步研究分析。水力条件确定为4^#。

　　2.3 最佳混凝条件下处理矿坑废水效果

　　在上述正交试验与单因素试验基础上确定的最优混凝操作条件：以PAC为混凝剂，投加量为20 mg/L；原水pH为8；依次快速（250 r/min）搅拌30 s，中速（100 r/min）搅拌8 min，慢速（40 r/min）搅拌12 min；在快速搅拌之后投加PAM，投加量为0.5 mg/L，投加时间为30 s。在最优混凝条件下对试验水样进行处理，考察优化混凝对SS及其他污染物的去除效果，结果如图 5所示。

图 5 优化混凝对废水的处理效果

　　由图 5可知，优化混凝对SS的去除效果很好，SS去除率达90%以上;对COD、PO43--P、Mn2+的去除效果不理想，相应的去除率分别仅为10%～20%;对NH3-N的去除效果极低。这与黄天寅等〔8〕的研究结论一致。混凝作用能去除悬浮物、胶体颗粒，而对溶解性离子几乎不起作用，至于对COD、PO43--P和Mn2+有一定的去除率，是混凝剂形成的絮凝体对其有一定的吸附去除作用，但该效果往往在混凝工艺中不明显。因此，要同时去除水中的COD、NH3-N、PO43--P和Mn2+等微污染物质，除了采用混凝+沉淀+过滤工艺外，还可考虑采用预处理和深度处理相结合的工艺，实现矿坑废水的资源化利用。。

　　3 结论与建议

　　试验结果表明，各因素对混凝效果影响的显著性为混凝剂投加量>pH>PAM投加时间>水力条件>混凝剂种类>PAM投加量。最优混凝操作条件：以PAC为混凝剂，投加量为20 mg/L;原水pH为8;依次快速(250 r/min)搅拌30 s，中速(100 r/min)搅拌8 min，慢速(40 r/min)搅拌12 min;在快速搅拌之后投加PAM，投加量为0.5 mg/L，投加时间为30 s。在最优混凝条件下，SS去除率高达90%以上，但对NH3-N、PO43--P、Mn2+及COD的去除效果不佳，需要采用“预氧化+混凝+沉淀+过滤+生物活性炭”等联合工艺，以满足矿坑废水资源化利用对水质的要求。