絮凝污泥回流强化混凝的研究及应用

王振平 郝亮亮 白世刚 李弯弯 侯志勇 高伟

（陕西煤业化工新型能源科技股份有限公司神木分公司 陕西神木 719300）

0 引言

在煤矿井下污水处理中，投加高分子聚合物“PAC+PAM”是去除水中悬浮物和胶体最常用的工艺，也是最关键的一步［1］。PAC 及PAM 的投加方式有干投法和湿投法2 种。为使混凝效果较好，目前煤矿污水处理一般均采用湿投法，即将PAC 和PAM 溶解、配制成一定浓度的溶液后向待处理污水定量投加的方法。使药剂迅速而均匀地扩散到水中是影响混凝效果的重要因素［2］。实际运行案例中，有部分由于设计缺陷，搅拌强度（速度梯度G 值）和絮凝时间（T 值）达不到运行要求。矿井水中的污染物主要是煤粉和岩粉，煤粉密度约1.05 t/m3～1.80 t/m3，远远小于地表水泥沙密度（2.50 t/m3），因此稳定性较好，传统方法采用添加大分子混凝剂，用量大、成本高［3］。张玉婷［4］研究发现絮凝的煤泥水中含有大量铝、铁金属氧化物和混凝剂水解产生的胶体颗粒，煤泥水的ζ 电位一般为正值而原水的ζ 电位一般为负值，煤泥回流可加强混凝吸附电中和作用，并且适当的煤泥回流增加了胶体及悬浮物碰撞概率，絮体本身亦可作为矾花骨架吸附小颗粒物质，促进胶体凝聚。

1 实验

1.1 实验水质及煤泥性质

矿井水原水水质见表1。

表1 矿井水原水水质

1.2 实验仪器及材料

XSP-16A 型六连搅拌器，HACH2100P 型便携式浊度计，精密pH 计，电子天平（精度10-5）。实验所用药品为聚合氯化铝（PAC），有效含量30%（配置浓度1%）；阴离子聚丙烯酰胺（PAM），分子量不低于600 万（配置浓度0.2‰）。

2 实验结果及分析

2.1 无煤泥回流最佳投药量

原水浊度为700 NTU，设计正交试验选择合适的PAC、PAM 投药量，无絮凝煤泥回流。取500 mL 原水，测得浊度，倒入500 mL 烧杯中，加入适量PAC 溶液快速搅拌2 min（200 r/min），加入适量PAM 溶液慢速搅拌7 min（70 r/min）。静置10 min，在液面下方2 cm 处取上清液，测定其浊度。上清液浊度小于5 NTU 为达标。投药量对剩余浊度的影响见图1。

图1 投药量对剩余浊度的影响

由图1 可知，PAC 用量相同，随着PAM 用量的增加剩余浊度降低；且纵向对比，显然当PAM 用量为0.20 mg/L～0.32 mg/L时，PAC 的变化对剩余浊度的影响更明显。这是由于：首先，PAC 在水中发生离解或水解，生成各种类似于双亲分子的络合 离子或多核离子 如［Al（H2O）6］3+、［Al（OH）（H2O）5］2+、［Al2（OH）2（H2O）8］4+和［Al3（OH）5（H2O）9］4+等，这些络合离子不但能压缩双电子层，而且能够通过胶核外围的反离子层进入固液界面，并中和电位离子所带电荷，使Ψ 电位降低，ζ 电位也随之减小，从而达到胶粒脱稳和凝聚，然后通过架桥和网捕作用形成ζ 电位为正的细小颗粒；其次，投入PAM 阴离子，利用PAM 阴离子大分子链上携带的羟基等官能团吸附带正电的细小颗粒，使其成长为较大的矾花絮体。可见第一步投加PAC 起凝聚作用，主要吸附污水中悬浮物和胶体形成细小颗粒，第二步PAM 大分子将细小颗粒吸附长成更大的矾花絮体，使其可以在短时间内沉淀。

图1 中A 点处剩余浊度为4.95 NTU（小于5 NTU），因此原水浊度为700 NTU 时，PAC 与PAM 的最佳投药量分别为80 mg/L、0.32 mg/L。

2.2 絮凝污泥回流的最佳比例

从斜板净水器下方排泥阀处取得絮凝煤泥，PAC、PAM 投药量分别为80 mg/L、0.32 mg/L，研究煤泥回流比为1%、5%、10%、15%、20%时对出水剩余浊度的影响。原水浊度为700 NTU不变，污泥回流比例对剩余浊度的影响见图2。

图2 污泥回流比例对剩余浊度的影响

实验表明，当煤泥回流在1%～5%范围内时，剩余浊度为3.28 NTU～4.05 NTU，均低于A 点，此时煤泥回流可以强化混凝效果。当煤泥回流超过5%时，浊度去除率明显降低，剩余浊度骤然升高，说明回流污泥量太大会起到反作用。

2.3 絮凝污泥回流的节药率

由图2 可知，污泥回流比为1%时效果最佳。以图1 为基础，试验PAC 投药量为60 mg/L，PAM 投药量为0.20 mg/L、0.24 mg/L、0.28 mg/L、0.32 mg/L、0.36 mg/L、0.40 mg/L，混凝前加入1%煤泥回流，煤泥回流节药率见图3。

图3 煤泥回流节药率

由图3 可看出，1%污泥回流可降低剩余浊度，强化浊度去除率。这是由于回流的煤泥水中含有大量铝、铁金属离子和混凝剂水解产生的胶体颗粒，检测发现煤泥水的ζ 电位一般为正值而原水的ζ 电位一般为负值，所以煤泥回流可加强吸附电中和作用；且适当的煤泥回流增加了胶体及悬浮物碰撞概率，絮体本身也可作为矾花骨架吸附小颗粒物质，促进胶体凝聚。

当PAC、PAM 的投药量分别为60 mg/L、0.2 mg/L 时，出水浊度为4.89 NTU，出水达标；与无煤泥回流的最佳投药量PAC为80 mg/L、PAM 为0.32 mg/L 时相比，PAC 节约25.0%，PAM节约37.5%。

为了进一步探索污泥回流对混凝的影响，了解污泥回流后絮体的变化，使用光学显微镜观察絮体，结果如图4 所示。

由图4 可看出，回流前絮体松散，水、泥界面模糊；回流后絮体结构紧实，水、泥界面清晰。这说明絮凝污泥回流确实可以改善絮体结构，对絮凝起到良好作用。

图4 回流前、后絮体变化

3 工程实践

本实验原材料均来于陕北小保当矿井污水处理站，将此絮凝污泥回流工艺应用在小保当煤矿矿井污水处理站中，改造其中1 台高效絮凝沉淀斜板净水器，以另1 台斜板净水器作为对照，工艺流程见图5。

图5 工艺流程

连续运行7 d，测量每天斜板净水器出水浊度进行对比，结果如图6 所示。现场运行数据表明，采用1%絮凝污泥回流可以明显改善出水水质，且出水水质稳定。

图6 有/无回流水质对比

4 结论

由实验及工程实践结果得出以下结论：

（1）在原水浊度在300 NTU～1 000 NTU，通过絮凝煤泥回流可强化混凝沉淀效果。

（2）煤泥回流最佳体积比为1%。

（3）原水浊度为700 NTU 时，与无煤泥回流情况相比，PAC、PAM 的节药率分别可达25.0%和37.5%。

（4）工程上，絮凝污泥回流可强化混凝，改善絮凝沉淀池出水水质并稳定出水水质。