有机高分子絮凝剂用于矿井水的混凝实验

王姗姗

（1.河南平煤神马环保节能有限公司，河南 平顶山 467000；2.河南平煤神马静脉产业有限公司，河南 平顶山 467000）

煤矿在开采过程中会排出含有一定悬浮物和少量油的矿井水，这些悬浮物主要成分为煤粉、岩粉等固体[1]。矿井水的浊度较高，悬浮物的颗粒微小，比重轻，沉降速度慢，若未经处理直接排放，会给矿区周边的水环境造成污染，且导致资源浪费[2]。因此，为了对矿井水资源进行有效利用及改善周边环境，必须对矿井水采取有效的处理措施，确保其能达标排放或用作回用水[3]。

目前国内矿井水处理工艺的核心是混凝沉淀，混凝技术的关键在于絮凝剂[4]。絮凝剂主要有无机絮凝剂、有机絮凝剂和微生物絮凝剂三大类。无机絮凝剂包括无机小分子和无机高分子絮凝剂，主要以铁盐和铝盐或它们的聚合态为主。在矿井水的处理工艺中使用最多的是无机高分子絮凝剂。如果长期使用，铝盐絮凝剂会破坏人体的生理功能，可能会导致人体出现铝性脑病（老年痴呆）、铝性骨病、铝性贫血等病症；铁盐絮凝剂则对金属的腐蚀性较强[5]。有机絮凝剂包括人工合成高分子絮凝剂和天然有机高分子絮凝剂。单独使用有机絮凝剂，产生的矾花小，絮体颗粒的沉降速度慢，絮凝效果不太理想，通常要将高分子絮凝剂与其它无机絮凝剂复合使用。较常用的絮凝剂组合为“聚合氯化铝+聚丙烯酰胺（PAC+PAM）”[6-7]，但使用聚丙烯酰胺会产生一定的副作用，如果使用不当可能会引发癌症和神经性中毒，因此其安全性成为关注的焦点[8]。微生物絮凝剂是一类由微生物产生并分泌到细胞外的、具有高絮凝特性的微生物代谢产物[9-10]，但目前大部分微生物絮凝剂仍处于实验阶段，且生产成本较高，很难应用到工业生产中。因此，研究开发高效的天然有机絮凝剂迫在眉睫。

本文选用几种高效的有机絮凝剂，添加在矿井水中进行混凝实验，考察各絮凝剂的混凝效果，并对反应过程中的各反应条件进行优化，以期为矿井水处理工程的调试和实际生产提供技术依据。

1 实验方法和仪器

分别以阳离子改性淀粉、阴离子型聚丙烯酰胺(CPAM)、木质素、“聚合氯化铝(PAC)+聚丙烯酰胺(PAM)”为絮凝剂，采用WZB-170型便携式浊度仪、ZR4-6混凝实验搅拌机和FA1004N电子分析天平进行实验。实验原水为平顶山市平煤股份某矿的矿井水，原水水质情况见表1。

表1 某矿井水原水的水质情况

采用烧杯混凝沉降方法[11-12]，分别在4个装有1000mL实验水样的烧杯中，加入一定量的各类絮凝剂，在250r·min-1的转速下搅拌5min后静置。观察絮体的形状及沉降速度，在距离上清液2～3 cm处，用医用注射器取上清液，用浊度仪分别测定不同静置时间下各实验水样的剩余浊度。

2 实验结果及讨论

2.1 混凝剂种类对矿井水剩余浊度的影响

在水质相同、搅拌速度为60 r·min-1、搅拌3 min、静置3 min的条件下，将4种不同的絮凝剂按不同加量进行对比试验，实验结果见图1。

图1 相同水质条件下不同絮凝剂添加量对浊度的影响

从图1可以看出，阳离子改性淀粉的混凝效果最好，阴离子型聚丙烯酰胺次之，PAC+PAM的效果最差。投加阳离子改性淀粉和阴离子型聚丙烯酰胺，会产生大量絮体，停止搅拌则迅速产生沉淀，且形成的絮体较密实，上清液非常透亮。加入PAC+PAM时，产生的絮体不明显，沉降速度较慢，上清液有一层白色的漂浮物。由于矿井水中存在少量的油，PAC+PAM对油的吸附能力很弱，而阳离子改性淀粉和阴离子型聚丙烯酰胺不仅对小颗粒物有絮凝作用，对油也有很好的吸附效果。

2.2 搅拌时间对矿井水剩余浊度的影响

在水质相同、搅拌速度为60 r·min-1、絮凝剂用量为20 mg·L-1、静置3 min的条件下进行搅拌时间的对比实验，结果见图2。从图2可以看出，搅拌时间对矿井水的剩余浊度有一定的影响。随着搅拌时间增加，矿井水的浊度慢慢降低。搅拌时间大于5 min后，剩余浊度的变化较小，原因在于开始时絮凝剂和矿井水中的颗粒物发生了快速反应，5min之后，大部分絮凝剂已反应完全，延长搅拌时间，对浊度的影响较小。由此确定搅拌时间为5 min。

图2 搅拌时间对矿井水剩余浊度的影响

2.3 搅拌速度对矿井水剩余浊度的影响

在水质相同、搅拌时间为5 min、絮凝剂用量为20 mg·L-1、静置3 min的条件下进行搅拌速度的对比实验，结果见图3。从图3可以看出，搅拌速度对矿井水的剩余浊度有一定的影响，搅拌速度与絮凝效果呈正相关，从工程角度考虑，确定搅拌速度为80 r·min-1。

图3 搅拌速度对矿井水剩余浊度的影响

2.4 静置时间对矿井水剩余浊度的影响

在水质相同、搅拌速度为80 r·min-1、搅拌时间为5 min、絮凝剂用量为20 mg·L-1的条件下进行静置时间的对比实验，结果见图4。从图4可以看出，静置时间对矿井水的剩余浊度影响较大。静置时间在5 min以内，矿井水中的悬浮物的沉淀效果明显，5 min之后，悬浮物的沉降效果不明显，因此确定絮凝剂的静置时间为5 min。

图4 静置时间对矿井水剩余浊度的影响

3 结论

基于矿井水的特殊性质，传统絮凝剂在矿井水处理过程中的投加量较大，一方面使得生成的煤泥的密实度较低，给后期的煤泥处理带来困难；另一方面，有机絮凝剂的加入会给环境和人类造成危害。本文选用了几种有机絮凝剂，对矿井水进行了混凝实验研究。实验结果表明，在水质相同、搅拌速度为80r·min-1、搅拌时间为5min、絮凝剂用量为20mg·L-1、静置时间为5min的条件下，阳离子改性淀粉的投加量少，反应时间快，形成的絮体比较密实，混凝效果最好，对油也有很好的吸附效果。用阳离子改性淀粉处理后，矿井水的剩余浊度为18 NTU。