宋 翔

（潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046022）

礦場(chǎng)污水主要包含煤泥微粒和石灰?guī)r微粒的礦井涌水，礦山采礦步驟中噴霧抑塵、機(jī)械設(shè)備及消防救援過(guò)程中產(chǎn)生的煤塵廢水。未經(jīng)處理的礦場(chǎng)污水直接排放會(huì)造成自然環(huán)境的污染[1]。礦場(chǎng)污水最終通過(guò)小巷池塘或排水泵匯集于水倉(cāng)中，夾雜的煤泥、石灰?guī)r和沉積微粒隨著時(shí)間延長(zhǎng)不斷在水倉(cāng)中沉積，造成整治水倉(cāng)的頻率及成本增加，大大增加了煤礦的生產(chǎn)成本。

1 礦井水處理的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

自20 世紀(jì)70 年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)研究者對(duì)我國(guó)礦場(chǎng)污水處理研究已有近40 余年的歷史[2]。大量的分析研究表明：通常采用絮凝、沉淀和過(guò)濾的工藝處理漂浮顆粒物居多的礦場(chǎng)污水。為節(jié)約水資源，實(shí)現(xiàn)礦井水的再利用，周、榮衛(wèi)國(guó)等，闡述了不同礦山由于地域、自然環(huán)境和氣候的差異，其理化性質(zhì)也不盡相同。并介紹了使用礦山采空區(qū)沉淀預(yù)處理和氧化池曝氣處理并融合互沖過(guò)濾器設(shè)備的礦井水井下處理工藝，此外，還對(duì)處理之后的水體進(jìn)行了澄清分離工藝。王德海等則介紹了在礦井水中加入一定濃度的聚合氯化鋁（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）進(jìn)而來(lái)提高礦場(chǎng)水中懸浮顆粒的絮凝沉淀效果，并配合增加調(diào)節(jié)池的容積，利用刮泥排泥的機(jī)械設(shè)備來(lái)進(jìn)行礦井水中懸浮顆粒的去除，最終通過(guò)過(guò)濾工藝完成礦井水的凈化[3-4]。本方法存在成本較高且設(shè)備占地面積大，處理效果不明顯等問(wèn)題。山西省某煤礦使用增強(qiáng)絮凝、延長(zhǎng)沉淀周期、過(guò)濾、殺菌等傳統(tǒng)方式對(duì)礦場(chǎng)污水展開(kāi)凈化處理，基本上克服了礦場(chǎng)供水難題。本文試驗(yàn)煤礦排水水量預(yù)計(jì)達(dá)600m3/h，溶解固體質(zhì)量濃度較高，約2500 mg/L，預(yù)計(jì)生產(chǎn)礦井水33.47 億m3。本地區(qū)某煤礦地下集水坑的穩(wěn)定清除周期為308 d。由于礦場(chǎng)水中大量固體微粒（如煤泥和石灰?guī)r）在集水坑中沉積，清理頻率提高，清理周期縮至一半即154 d。與礦井水的地面處理相比，礦井水的地下處理相對(duì)較難。礦井水的地下預(yù)處理可有效減少清淤頻率，延長(zhǎng)清淤周期，工作量、人工費(fèi)用、能耗均可可有效降低。礦場(chǎng)污水的預(yù)處理可大大降低對(duì)外部環(huán)境的污染，與此同時(shí)還可避免固體顆粒對(duì)抽排放設(shè)備造成的嚴(yán)重磨損，從而延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，顯著提升產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

2 礦井水處理工程研究

2.1 混凝沉淀試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺分別是去除礦井水中懸浮固體的常見(jiàn)的混凝劑和絮凝劑。根據(jù)礦場(chǎng)污水處理站的早期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[5]，在眾多混凝劑和絮凝劑投加組合中，聚合氯化鋁加聚丙烯酰胺是最適宜處理礦場(chǎng)污水的方案。因此，本試驗(yàn)不再進(jìn)行選型實(shí)驗(yàn)，僅分析不同用量聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺對(duì)水樣的處理性能。具體方法為：添加不同劑量的聚合氯化鋁進(jìn)行混凝試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)后不同劑量水樣清液的濁度來(lái)推出PAC 的最佳用量。聚丙烯酰胺的最佳用量方法確定同PAC。

2.1.2 原水水質(zhì)

測(cè)試水樣取自礦場(chǎng)水原水，主要基準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)原水主要水質(zhì)指標(biāo)

2.1.3 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)藥劑

臺(tái)式混凝試驗(yàn)六聯(lián)攪拌機(jī)，中潤(rùn)ZR4-6；濁度儀，雷磁WZS-180A；電子天平，al204）。

1%、2%聚合氯化鋁（本礦井水處理用聚合氯化鋁）；1%聚丙烯酰胺（本礦用于礦井水處理的聚丙烯酰胺）。

2.1.4 試驗(yàn)方法

1）將水樣均勻混合，從1 000 mL 量筒中抽出6 份水樣，分別放入1 000 mL燒杯中，依次編號(hào)，將裝滿水樣的燒杯放在混凝試驗(yàn)混合器上。

2）將1%的1、2、4 mL 聚合氯化鋁和2%的3、4、5 mL 聚合氯化鋁放入加藥杯中。

3）開(kāi)啟混凝攪拌機(jī)，不同濃度和用量的PAC 將自動(dòng)加入對(duì)應(yīng)的燒杯中。轉(zhuǎn)速設(shè)置分兩個(gè)階段，第一階段轉(zhuǎn)速設(shè)定為120 r/min，時(shí)間為1 min，此階段目的為快速混合；第二階段轉(zhuǎn)速設(shè)定為60 r/min，時(shí)間為10 min，該階段為化學(xué)反應(yīng)階段。

4）在混合反應(yīng)過(guò)程，觀測(cè)并紀(jì)錄每個(gè)燒杯中與否有明礬花，以及明礬花的尺寸和松度。預(yù)設(shè)時(shí)間到達(dá)后，攪拌機(jī)葉片自動(dòng)提起，攪拌停止。

5）攪拌結(jié)束后，水樣靜置10 min，觀察記錄明礬的沉淀過(guò)程，隨后依次從每個(gè)燒杯的取樣口依次抽取各燒杯中的上清液，測(cè)定其濁度并紀(jì)錄。

6）比較不同燒杯中上清液的濁度值，確定PAC的最佳用量。

7）將2）中確定的PAC 最佳用量加入后，在燒杯中同時(shí)加入0.1%的0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL 聚丙烯酰胺，重復(fù)上述3）～5），確認(rèn)聚丙烯酰胺的最佳劑量。

2.1.5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.5.1 PAC 最佳投加量

通過(guò)分析上清液濁度隨PAC 用量的變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，在PAC 用量在＜80 mg/L 之前，上清液濁度一般隨著PAC 用量的增加而降低，當(dāng)質(zhì)量濃度范圍為20 mg/L～40 mg/L 時(shí)，由于PAC 與水中懸浮物充分混合，PAC 用量增加對(duì)絮凝反應(yīng)的反應(yīng)程度影響較大，濁度降低幅度較大。當(dāng)PAC質(zhì)量濃度范圍為60 mg/L～80 mg/L 時(shí)，上清液濁度的變化幅度明顯降低，因?yàn)榇藭r(shí)PAC 的用量接近混凝反應(yīng)的臨界濃度，水中Al3+吸附作用隨水合作用的增強(qiáng)而減弱。當(dāng)PAC 用量為80mg/L 時(shí)，上清液濁度為最小即26.6 NTU，濁度去除率達(dá)92.67%。此后繼續(xù)增加PAC 的使用量，由于懸浮物已基本去除，濁度不再下降，反而隨著聚合氯化鋁和水樣產(chǎn)生絮狀物使得濁度增高。

試驗(yàn)中觀察到明礬花的形成情況如下：PAC 用量為40、60、80 mg/L 三組水樣中，懸浮物在添加PAC 后30 s 內(nèi)開(kāi)始形成絮狀物，隨后逐步生長(zhǎng)成直徑大于1 mm 的明礬花，隨后處于靜態(tài)沉淀階段，明礬花沉淀速度較快，燒杯底部出現(xiàn)大量沉淀。PAC 用量為10 mg/L 和20 mg/L 的兩組水樣中，沉淀效果不好，形成的明礬花直徑較小，停止攪拌后，水樣濁度仍較高。在PAC 用量為100 mg/L 的水樣中，雖然形成了直徑大于1 mm 明礬花，但明礬花不穩(wěn)定，沒(méi)有繼續(xù)變大，停止攪拌后沉淀效果也不明顯。綜上所述，80 mg/L 聚合氯化鋁是該礦礦井水的最佳混凝劑用量，但僅投加PAC 時(shí)出水濁度并不理想。為進(jìn)一步改善礦井水濁度，提升混凝步驟中明礬的密度和沉降速度，在添加了80 mg/L 聚合氯化鋁的前提下，選取了有機(jī)高分子絮凝劑聚丙烯酰胺的最佳用量。

2.1.5.2 PAM最佳投加量

上清液濁度隨PAM用量的變化趨勢(shì)如下：當(dāng)用量小于0.2 mg/L 時(shí)，上清液的濁度隨著PAM用量的增加而減少。當(dāng)PAM用量為0.2 mg/L 時(shí)，上清液濁度為最小值15.6 NTU，濁度去除率達(dá)95.70%。當(dāng)聚丙烯酰胺用量超過(guò)0.2 mg/L 時(shí)，上清液濁度曲線變化幅度降低。當(dāng)用量大于0.6 mg/L 時(shí)，濁度不再發(fā)生變化，即繼續(xù)增加PAM用量對(duì)降低濁度的意義不大。因?yàn)榇藭r(shí)PAM 的水解分子覆蓋了膠體顆粒的吸附表面，懸浮顆粒之間的“膠體保護(hù)現(xiàn)象”使其不能繼續(xù)接近聚集。所以，適合本礦礦場(chǎng)水水質(zhì)的最佳絮凝劑用量為0.2 mg/L 的PAM。

2.1.5.3 總結(jié)

聚合氯化鋁是礦場(chǎng)污水處理中運(yùn)用最普遍的混凝劑。而絮凝劑，近年來(lái)有許多全新研發(fā)的絮凝劑可供選擇，但需根據(jù)礦場(chǎng)污水的實(shí)際情況作出選擇。我國(guó)的礦場(chǎng)污水原水濁度達(dá)數(shù)萬(wàn)NTU，目前使用最多的處理方案為：PAC（混凝劑）配合PAM（絮凝劑）。其中混凝劑PAC 通過(guò)壓縮雙電層作用使得膠粒得以迅速凝聚；再通過(guò)吸附電中和的吸附作用中和部分電荷，減少靜電斥力，使其更易與其他顆粒接近而互相吸附；最后通過(guò)吸附架橋作用，將高分子物質(zhì)與膠粒吸附與橋連，使明礬花迅速形成。而絮凝劑PAM因?yàn)槠浔旧砭哂泻荛L(zhǎng)的分子鏈，在水中有無(wú)窮的吸附表面積，故絮凝效果好，且能使用長(zhǎng)鏈在顆粒之間架橋，構(gòu)成大顆粒的絮凝體，加快沉降。此外，由于其本身具有的極性基因——酰胺基且在絮凝過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生雙電離緊縮、絡(luò)合反應(yīng)、構(gòu)成聚合橋等均可起到加速混凝過(guò)程，顯著增加明礬花的質(zhì)量和密度進(jìn)而加快其沉降速度的作用。根據(jù)之前的檢驗(yàn)測(cè)試，礦場(chǎng)采用相對(duì)分子質(zhì)量約800 萬(wàn)的非離子型PAM時(shí)，對(duì)礦場(chǎng)水中懸浮顆粒的差異性選擇性最小，效果最佳。本試驗(yàn)通過(guò)混凝沉淀試驗(yàn)得出了最佳方案：PAC（混凝劑）配合非離子型PAM（絮凝劑），最優(yōu)使用量分別80 mg/L和0.2 mg/L。

2.2 反應(yīng)沉淀與澄清過(guò)濾工藝的比選

通過(guò)調(diào)研山西、河北、河南等多地共40 個(gè)礦井水處理站，并對(duì)其存在問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)分析，選擇了適合本礦礦井水的技術(shù)可靠、運(yùn)行穩(wěn)定的水體凈化方案。被調(diào)研的水站中，共有反應(yīng)沉淀過(guò)濾工藝、澄清過(guò)濾工藝和一體化凈水器三種去除水中懸浮物的工藝(設(shè)備)。調(diào)研結(jié)果為：一是一體化集成凈水器的數(shù)量占比最小，采用該工藝的礦井水處理站共有5 個(gè)，只有1 個(gè)運(yùn)行良好。一體化集成凈水器是集混凝、反應(yīng)、沉淀、過(guò)濾于一體的凈水設(shè)備。常見(jiàn)問(wèn)題主要為：處理水量較小，僅為設(shè)計(jì)水量的50%左右，且出水水質(zhì)往往不合格；抗沖擊負(fù)荷能力差，當(dāng)原水水質(zhì)變化較大時(shí)處理效果差。二是反應(yīng)沉淀過(guò)濾為最主要的凈化工藝，占比50%以上。三是澄清過(guò)濾方案運(yùn)行效果最好，對(duì)水質(zhì)水量變化適應(yīng)性較強(qiáng)且占地面積小，工程投資和運(yùn)行成本低。同時(shí)，澄清過(guò)濾工藝也是該礦原有的礦井水處理工藝。該礦相關(guān)部門(mén)對(duì)該工藝技術(shù)比較熟悉，積累了較多的操作經(jīng)驗(yàn)，建議選擇澄清過(guò)濾方案作為礦井水處理改擴(kuò)建工程。

2.3 過(guò)濾池比選

過(guò)濾器是移除懸浮固體的主要單元。能將礦井水中的煤粉、石粉等混凝沉淀難以分離的污染物有效分離，可有效降低出水濁度、提高微生物、細(xì)菌的去除率。處理低懸浮物礦場(chǎng)水常用的過(guò)濾設(shè)施有：普通快濾池、虹吸濾池、重力無(wú)閥和壓力無(wú)閥濾池。對(duì)這4 種過(guò)濾類(lèi)型的對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 不同類(lèi)型濾池的比選

通常根據(jù)礦井水的理化性質(zhì)、水質(zhì)指標(biāo)、處理量及凈化工藝流程來(lái)選擇適合的過(guò)濾器類(lèi)型。本項(xiàng)目中，礦井水處理改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)水處理能力為4 000 m3/d，4 種過(guò)濾器中，重力式無(wú)閥過(guò)濾器適用于小型（處理量≤10 000 m3/d）礦井水處理工程，且該過(guò)濾器可在無(wú)閥門(mén)情況下自動(dòng)反沖洗。綜合考慮后，選擇重力式無(wú)閥過(guò)濾器為本項(xiàng)目的過(guò)濾器。

3 結(jié)語(yǔ)

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)人均水資源的占有量?jī)H為世界人均占有量的1/4，排在世界第109 位，被列為世界13 個(gè)貧水國(guó)家之一。且我國(guó)淡水資源區(qū)域分布不均，北方地區(qū)水資源僅占總量的20%，而煤炭資源豐富，占我國(guó)總儲(chǔ)量的80%以上，礦區(qū)缺水現(xiàn)象十分嚴(yán)重。部分地區(qū)煤礦生產(chǎn)生活用水極其緊張。然而長(zhǎng)期以來(lái)受技術(shù)、資金和認(rèn)識(shí)的限制，我國(guó)礦井水均是未經(jīng)處理直接排放，回收利用水平極低。不僅對(duì)水環(huán)境造成了較大污染，還是對(duì)水源的極大浪費(fèi)。因此，采用合理經(jīng)濟(jì)的凈化工藝對(duì)煤礦礦井水進(jìn)行深度處理，實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用，對(duì)我國(guó)煤炭企業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展具有十分重要的意義。