劉 蕓

（西山煤電（集團）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，對提升礦物品位、實現(xiàn)選礦廢水的處理和資源化回用尤為重要。目前，針對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?，將磁混凝沉淀技術(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，通過批次實驗，對比不同混凝劑的最佳濃度。在3 種磁混凝體系中，對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 試驗儀器及試劑

磁力攪拌，HJ-6A，歐萊博；濁度儀，WZB-170，HACH。試驗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 混凝劑儲備液制備

PAC 儲備液：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 實驗方法

最適混凝劑濃度、PAM 相對分子質(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，測定其濁度，以確定最佳PAM 分子量。按照上述相同步驟，通過對不同粒徑[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PAC投加量下，研究了PAM 相對分子質(zhì)量對濁度降低性能的影響（圖1-2）。在懸浮廢水中未加PAM 時所測的濁度遠(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 相對分子質(zhì)量在1 400 萬Da 時，濁度最低。繼續(xù)增加PAM 相對分子質(zhì)量，其濁度并未降低。這可能是因為，大分子量的PAM 使絮凝團發(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，考察以上實驗變量后，可選擇投加3 mL 20 g/L PAC，PAM 相對分子質(zhì)量為1 400 萬Da，投加體積為2 mL，后續(xù)實驗均按照此投加量進(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。實驗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，在磁粉質(zhì)量為48 mg 時，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。這可能因為，添加過多的磁粉，磁粉顆粒團聚，導(dǎo)致磁粉表面難以充分利用。因此，鑒于對成本和效果的考慮，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)對濁度去除的影響

2.1.2 磁聚合氯化鋁混凝對廢水中濁度去除效果

實驗?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。通過對比溶液靜置5、10、20、30、60、90 min 后濁度，確定最佳靜置時間為90 min。后續(xù)磁體系與普通體系的濁度處理效果對比都以90 min 的靜置時間操作。圖2 為對比磁粉加入前后聚合氯化鋁混凝對廢水濁度去除效果。

圖2 添加磁粉前后PAC 絮凝對濁度去除效果對比圖

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。未投加磁粉時混凝平衡所需的靜置時間明顯延長。加磁粉時，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，三種濃度的SS 濁液靜置時間在90 min 時仍未達(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廢水中懸浮物去除的對比可知，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；助凝劑實驗表明，不同相對分子質(zhì)量助凝劑對濁度去除影響不大。磁混凝實驗結(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存在時，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，SS 絮體礬花在磁粉作用下發(fā)生加速沉降。當(dāng)靜置時間達(dá)到30 min 后，濁度趨于穩(wěn)定。未投加磁粉時，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，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。這可能是因為，高的混凝劑的添加會促使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)混凝實驗。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現(xiàn)。

2.3.2 磁聚合硫酸鐵混凝對廢水中濁度去除效果

同樣地，在聚合硫酸鐵混凝體系中，對投加磁粉前后，相同靜置時間下的廢水濁度進(jìn)行了對比。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，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，在靜置時間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，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就能實現(xiàn)SS 的去除。對比三種磁混凝體系，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。