＊王飛 李暉 常柳青 范洪達(dá)

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦 山西 046200）

煤礦在開采過程中經(jīng)常伴隨著大量的礦井涌水，一般都具有一定的污染性。針對該類水處理達(dá)標(biāo)排放或回用是環(huán)保需求大勢所趨，也會給企業(yè)節(jié)約大量資源和經(jīng)費(fèi)。目前高懸浮物礦井水主要采用絮凝沉淀法為主的前期處理再進(jìn)入下游工藝處理，既保護(hù)了周邊環(huán)境又緩解了周邊缺水的局面[1-3]。

本文以五陽煤礦南豐風(fēng)井出水為研究對象，南豐礦礦井水原有處理工藝為：初沉池→調(diào)節(jié)池→一級反應(yīng)池→二級反應(yīng)池→平流沉淀池→下游處理，藥劑為PAM和PAC復(fù)合使用，屬常規(guī)處理工藝符合礦井水處理原則[4]。目前因懸浮物和濁度大幅升高而導(dǎo)致原有加藥系統(tǒng)已經(jīng)不能穩(wěn)定運(yùn)行，加藥需依賴人工的經(jīng)驗(yàn)性，無法避免藥劑過量投加現(xiàn)象。本文進(jìn)行了水質(zhì)與加藥劑量的關(guān)系研究，并將研究所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理建立數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用到自動化控制系統(tǒng)。目的在于解決原有加藥系統(tǒng)依賴操作人員經(jīng)驗(yàn)、藥劑過量，效率低的問題。

1.試驗(yàn)部分

(1)礦井水的來源和特征

試驗(yàn)用水來自五陽煤礦南豐井，無異味、pH在8.4～9.0之間，電導(dǎo)率1000μS/cm左右，懸浮物和濁度波動幅度較大。懸浮物含有較高濃度的煤粉以及其他有機(jī)物，會導(dǎo)致顏色趨于黑色，經(jīng)過處理后色度消失因而色度不做考察指標(biāo)。因礦井水懸浮物測試易產(chǎn)生負(fù)值現(xiàn)象[5]，因而進(jìn)行在線與國標(biāo)法并行測試。其在實(shí)驗(yàn)室測試其指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗(yàn)所用礦井水水質(zhì)

(2)試驗(yàn)儀器器材

①主要測試儀器。分析天平（電子）：梅特勒托利多MS104TS/02，恒溫干燥箱，水浴鍋，蒸發(fā)皿；pH計(jì)：上海雷磁PHG-21C，電導(dǎo)率儀：上海雷磁DDG-33，污泥濃度計(jì)（SS）上海雷磁FS-100，濁度計(jì)WZB-175。

②主要試驗(yàn)裝置。連續(xù)型實(shí)驗(yàn)裝置，包括原水箱，供水泵，流量計(jì)，反應(yīng)池一和二，沉淀池，攪拌器兩套，加藥泵兩套，配套閥門、電控箱。

2.試驗(yàn)方法

(1)試驗(yàn)方案

試驗(yàn)按照先單組分藥劑投加，即進(jìn)行固定懸浮物濃度投加系列濃度PAM和PAC的實(shí)驗(yàn)。在PAM劑量單組分試驗(yàn)基礎(chǔ)上繪制曲線，并以曲線上的相對較好數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行與系列PAC復(fù)合投加的實(shí)驗(yàn)。并以此類推進(jìn)行不同懸浮物濃度和濁度的藥劑投加試驗(yàn)。在上述試驗(yàn)的完成后整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)生成相關(guān)曲線，并建立數(shù)學(xué)模型，編寫成軟件并應(yīng)用到改造后的處理系統(tǒng)，做工業(yè)化運(yùn)行試驗(yàn)，將試運(yùn)行效果與未改造前進(jìn)行比較，得出結(jié)論。

(2)實(shí)驗(yàn)操作流程

①將調(diào)節(jié)池水泵至原水箱，原水箱內(nèi)設(shè)循環(huán)泵以免水樣靜置沉淀。②按照反應(yīng)池、沉淀池容積計(jì)算所需要的流量，本實(shí)驗(yàn)按照實(shí)際運(yùn)行反應(yīng)時(shí)間t1=2min，t2=4.8min，沉淀時(shí)間t3=2h計(jì)，進(jìn)水流量V=20L/h。根據(jù)流量計(jì)算PAM和PAC系列加入劑量。③對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析總結(jié)。④進(jìn)行工業(yè)化運(yùn)行試驗(yàn)。

3.試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)水質(zhì)情況分析

對原水進(jìn)行多次取樣化驗(yàn)，水溫保持在14～15℃，其參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2。

表2 原水水質(zhì)參數(shù)

分析：①原水pH基本穩(wěn)定在8.3～8.9之間，屬于弱堿性。電導(dǎo)率基本穩(wěn)定在1000μS/cm，溶解性總固體（TDS）在830～1020之間，波動幅度較小。②原水懸浮物（SS）濃度和濁度波動幅度較大。③溶解性總故體（TDS）與電導(dǎo)率比例關(guān)系在1.0至1.2之間，均低于鹽度與電導(dǎo)率關(guān)系對照表中數(shù)據(jù)，說明該水含有部分無機(jī)非電離性礦物質(zhì)，如滑石等。④關(guān)于懸浮物（SS）和濁度，SS在線測試與標(biāo)準(zhǔn)法測試存在較大的差別[5]，原因在于線監(jiān)測采用光學(xué)法測試，懸浮物中含有大量煤粉容易吸光。此外觀察SS與濁度也沒有穩(wěn)定或者大致規(guī)律。⑤綜上可初步說明，該股水中懸浮物構(gòu)成大部分為以煤粉和少量有機(jī)質(zhì)污泥為主，伴有一定含量的巖性物質(zhì)。

(2)懸浮物SS和濁度與加藥量關(guān)系

對單組分藥劑PAM投加試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并繪制成曲線如圖1的SS-PAM曲線圖和圖2的濁度-PAM曲線圖。圖中曲線擬合結(jié)果為多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，復(fù)合y=ax2+bx+c函數(shù)關(guān)系。以SS=3000為例，復(fù)合函數(shù)y=4.2082x2-78.977x+459.57，對稱軸左側(cè)尤其擬合程度較高，其R=0.9896，于最低點(diǎn)（函數(shù)頂點(diǎn)）之后出現(xiàn)上升，有小幅反彈現(xiàn)象，原因可能為當(dāng)藥劑過量后多余絮凝劑容易形成膠體[6]。濁度與藥劑量的曲線呈相同趨勢。所有曲線中，原水SS或者濁度最低和最高的曲線除外，其拐點(diǎn)基本出現(xiàn)在6×10-6左右。低濃度值曲線拐點(diǎn)提前，高濃度值曲線拐點(diǎn)后延。

圖1 SS-PAM曲線圖

圖2 濁度-PAM曲線圖

①單組分PAC藥劑投加與SS和濁度關(guān)系。單組分藥劑PAM投加試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖3的SS-PAM曲線圖和圖4的濁度-PAM曲線圖。曲線擬合結(jié)果為多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，復(fù)合y=ax2+bx+c函數(shù)關(guān)系。以SS=3000為例，符合函數(shù)y=0.0054x2-2.7389x+416.87。SS-PAC和濁度-PAC曲線與SS-PAM和濁度-PAM曲線的趨勢基本相同。不同點(diǎn)在于，PAC混凝后殘余SS值和濁度值較高，從藥劑作用機(jī)理上也復(fù)合PAC在短時(shí)間內(nèi)優(yōu)先混凝較大顆粒性物質(zhì)，而PAM則需要時(shí)間相對較長絮凝更廣粒徑的懸浮物。

圖3 SS-PAM曲線圖

圖4 濁度-PAM曲線圖

②雙組份藥劑復(fù)合投加SS和濁度關(guān)系

對雙組分藥劑復(fù)合投加試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理并繪制成曲線，以PAM劑量7.2×10-6為例，進(jìn)行系列濃度的PAC投加試驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)繪制曲線如圖5的PAM-SS曲線圖和圖6的濁度-PAC。在該條件下，不同濃度的進(jìn)水隨著PAC劑量的增加其SS和濁度下降有所不同，在較低濃度如SS＜350時(shí)下降幅度相對較小，原因由于其初始濃度較低加入藥劑后很快降低至趨于極限值；SS=350～3000mg/L區(qū)間內(nèi)，SS和濁度指標(biāo)隨藥劑增加大幅度下降，拐點(diǎn)出現(xiàn)于150×10-6附近，之后隨著劑量增加逐漸趨于平緩，達(dá)到極限值；當(dāng)進(jìn)水SS超過3000mg/L后，指標(biāo)下降幅度稍有減小，曲線拐點(diǎn)基本保持不變。當(dāng)進(jìn)水指標(biāo)過高時(shí)，隨藥劑量增加下降幅度減小，甚至曲線前半部分出現(xiàn)近似線性狀態(tài)，原因由于水中過高的懸浮物對藥劑消耗量隨之加大，之后又呈現(xiàn)曲線。

圖5 PAM-SS曲線圖

圖6 濁度-PAC曲線圖

③優(yōu)化數(shù)據(jù)后曲線。對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，以其中PAM=7.2×10-6PAC投加試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，統(tǒng)計(jì)所有曲線的拐點(diǎn)處數(shù)據(jù)，對不同產(chǎn)水指標(biāo)做曲線了解。伴隨著進(jìn)水指標(biāo)的升高，曲線的拐點(diǎn)處所需劑量有一定的增加，同時(shí)出水水質(zhì)指標(biāo)有小幅增加。

(3)試驗(yàn)研究小結(jié)

通過實(shí)驗(yàn)研究，該處高濃度懸浮物和濁度礦井水溫度和pH較為穩(wěn)定，其懸浮物濃度SS和濁度指標(biāo)波動較大。實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

①采取PAM和PAC復(fù)合投加的工藝比較適合，能實(shí)現(xiàn)有效的沉淀效果。②隨進(jìn)水懸浮物SS和濁度的升高，藥劑消耗量增加，且其指標(biāo)與劑量呈現(xiàn)多項(xiàng)式（二次函數(shù)）關(guān)系。③不同濃度的進(jìn)水與藥劑量消耗關(guān)系曲線的拐點(diǎn)（最佳比例關(guān)系）不同，成對應(yīng)升高關(guān)系。④隨著進(jìn)水懸浮物SS和濁度的升高，藥劑消耗量隨之增加，最終出水SS和濁度指標(biāo)呈現(xiàn)小幅升高。

(4)現(xiàn)場工業(yè)化運(yùn)行試驗(yàn)

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)后，建立數(shù)據(jù)模型并寫成自動化程序應(yīng)用到改造后的處理系統(tǒng)。原有基礎(chǔ)設(shè)施不變，反應(yīng)池進(jìn)出水加裝在線懸浮物SS和濁度監(jiān)測，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)分別反饋到中控處理部分，該信息經(jīng)過數(shù)學(xué)模型計(jì)算換算后形成指令到變頻系統(tǒng)，實(shí)時(shí)根據(jù)水質(zhì)參數(shù)調(diào)整加藥劑量。經(jīng)過一個(gè)月時(shí)間運(yùn)行觀察：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，出水滿足下游工藝要求。PAM和PAC藥劑消耗量相比之前分別下降了50%和25%。

4.結(jié)語

通過對五陽煤礦南豐井礦井水實(shí)驗(yàn)研究，摸索出懸浮物SS和濁度與加藥量的關(guān)系：懸浮物SS和濁度與加藥量呈多項(xiàng)式（二次函數(shù)關(guān)系），伴隨其濃度的升高曲線拐點(diǎn)（最佳加藥劑量）后移。將所得到的比例關(guān)系建立數(shù)據(jù)模型，應(yīng)用到自動化處理系統(tǒng)中，系統(tǒng)得以穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了加藥實(shí)時(shí)分質(zhì)精細(xì)化沉淀處理，有效避免了藥劑資源的過量投加而導(dǎo)致的浪費(fèi)現(xiàn)象，降低了系統(tǒng)運(yùn)行對人員經(jīng)驗(yàn)的依賴性，降低了人員勞動強(qiáng)度，創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益，對于類似礦井水處理提供了一定的借鑒。