磁混凝技术在煤矿矿井水处理中的应用

张永杰 苏孝杰 王莹春 殷世强 顾效纲

（1.河南平煤神马环保节能有限公司，河南 平顶山，467000；2.河南城建学院 市政与环境工程学院，河南 平顶山，467036）

煤矿矿井水主要指采矿过程中渗入井下采矿空间的地下水、少量地表水及生产过程中产生的煤矿废水。根据相关研究，我国每年的矿井水产生量近70 亿吨，吨煤产水量约为2.1 吨[1,2]。矿井水水质与煤矿所处位置、地质结构和开采方式密不可分[2,3]。煤矿矿井水的水质类型根据矿井水所含污染物的成分，大致可划分为受污染程度小的洁净矿井水，高悬浮物的矿井水，主要含有Ca2+、Mg2+、SO42-、CO32-、HCO3-等离子的高矿化度矿井水(又称苦咸水)，pH≈3 的酸性矿井水混凝和含特殊组分(含F、Fe、Mn 或者重金属等)的矿井水五类[4,5]。煤矿矿井水的直接排放不仅造成水资源的大量浪费，而且矿井水中含有的如煤粉、岩粉、细菌等对地下水、地表水及矿区水生态环境等造成严重的污染。

针对不同特征的矿井水所采用的处理工艺不尽相同。针对悬浮物的去除，混凝沉淀过滤是最常见的处理工艺[6]。混凝（coagulation）是指向处理废水中投加混凝剂，在一定水力条件下完成水解、缩聚反应，改善胶体的稳定状态，进而形成新的絮凝体的过程。简单地说，混凝沉淀过滤就是将小颗粒结合成较大的聚集体（絮状物）的过程，并将溶解的有机物吸附在颗粒聚合体上，以便在固/ 液分离过程中有效去除有机物。

20 世纪60 年代，磁分离技术开始被发达国家应用到废水处理中；20 世纪70 年代，我国开始将该技术和混凝相结合用于废水的处理。与传统的混凝技术相比，该技术主要是在投加絮凝剂、助凝剂的基础上同步加入磁种，以磁种为絮体晶核，形成一种特殊磁性复合体。水中胶体颗粒、悬浮颗粒、溶解性有机物质等通过与磁性复合体的碰撞脱稳形成较大絮体，进而实现去除废水中悬浮物质的目的。磁种的加入使得形成絮体的密度增大，加快沉淀速度，减少沉降时间。

1 磁混凝技术

1.1 磁混凝技术原理

混凝的过程可以概括为两个阶段：凝聚和絮凝。凝聚可作积聚、聚合理解，在废水处理过程中主要是指由于混凝剂的添加造成胶体脱稳、聚合成微小聚集体的过程；而絮凝主要是指悬浮态或胶体态的微小粒子形成较大颗粒的过程。混凝机理简单地说是通过混凝剂的加入改变胶体或者悬浮颗粒表面的物理化学性质，使胶体或者颗粒之间的结合能大于排斥能，胶粒得以迅速凝聚；然后在絮凝剂的作用下通过吸附架桥作用机理使胶粒凝聚为大的絮凝体。

2004 年陈文松等人[7]通过对比实验，发现磁絮凝反应过程中磁种参与与否对该过程产生的效果没有本质区别，混凝剂对磁性颗粒的作用与其他颗粒的一样。传统混凝机理对磁混凝同样具有指导作用[8]，应注意的是在强化混凝作用的同时磁种与颗粒的适宜配比[8]。

1.2 磁混凝技术的影响因素

（1）磁种的影响

首先，磁种粒径。陈文松等人[7]在研究磁混凝原理时指出磁种的粒径应小于10μm，磁种粒径的大小影响絮体的大小及结构的形成。较大粒径的磁种形成的絮体颗粒较大会加快沉降速度，影响去除效果。

其次，磁种的种类。常见的磁种种类有铁粉、磁性氧化铁、粉煤灰磁珠、磁铁矿颗粒等，种类不同导致磁性大小不同，对污染物的作用大小也不同，影响磁混凝效果[9]。

最后，磁种的投加量。一般情况下，磁种量相对少时，磁粉与周围大量悬浮物碰撞、吸附和凝聚的机会较多，与污染物凝聚成大絮团的概率较大，絮凝率较高。反之，增加磁种与磁种之间的碰撞、凝聚的机会，絮凝率会较低。但在一定范围内增加絮凝反应的晶核（磁种），有利于加快反应的速度，降低反应的时间。

（2）混凝剂/ 絮凝剂的影响

混凝剂/ 絮凝剂的类型不同，进而产生的混凝沉淀的效果不同；相同种类的药剂，添加量不同，效果亦存在差异。

（3）药剂的投加顺序的影响

根据磁混凝原理可知，磁混凝过程中可沉淀絮体的形成主要依赖吸附、架桥作用，絮凝剂对该过程有决定性的作用，所以磁种的投加一定要和絮凝剂的投加同时进行或者提前投加[9,10]。

（4）搅拌速率的影响

搅拌速率过快或者过慢均不利于絮体的形成。过快不利于絮体的形成；过慢不利于磁种的扩散。合适的搅拌速率可以在提高磁性复合絮体形成的同时防止絮体的破碎。

2 磁混凝技术在矿井水中的应用

磁混凝技术作为磁分离技术与传统混凝沉淀技术的结合，相对于传统的混凝工艺具有以下优势：（1）磁性颗粒提供的高电荷密度，能够减少传统混凝剂/ 絮凝剂的使用。（2）缩短混凝/ 絮凝的时间。磁性颗粒与不稳定的污染物之间的磁偶极吸引，缩短了混凝/ 絮凝的时间。（3）使用外部磁场可以实现对使用过的/ 用完的磁性混凝剂/ 絮凝剂的回收，从而降低材料成本。目前，磁混凝初沉技术已在城市污水[11,12]、中水回用[13]、工业废水[14，15]等水处理领域得到广泛应用。

近年来，随着磁混凝技术的不断完善，其在矿井水处理方面也取得一定的成果[16]。最近，景长勇等人[17]将磁混凝技术应用到某煤矿矿井水处理中，并利用“3 因素4 水平正交实验”确定了处理该煤矿矿井废水的最佳条件，考察了不同型号的聚丙烯酰胺（PAM）、聚合氯化铝(PAC)的用量及投加时间对处理效果的影响，除此之外，还研究了混凝剂及磁种用量对处理效果好坏的先后顺序。该研究在给出3 种处理效果较好的PAM 及相应的PAC、磁种的添加量之外，同时指出煤矿矿井水的处理应在磁混凝的最佳条件下结合微滤技术。廖庆花等人[18]提出将磁混凝沉淀一体化设备应用到矿井水应急处理中，并在宁夏回族自治区某煤矿应急处置工程中试用。相较于传统的混凝沉淀工艺构筑物，该设备不仅具有建设周期短、占地面积小、灵活搬迁等优势，而且矿井水出水水质优于一级A 标准，个别水质指标如COD、氨氮达到地表水Ⅲ类标准，既为磁混凝在矿井水中的应用提供了一种新的思路，也为矿井水处理积累了宝贵经验。

3 展望

矿井水作为煤矿开采过程中的必然品，经过合理的处理后既可以减少生产成本、节约水资源、创造经济价值，也可以实现矿井水的零排放，将煤炭行业对环境的影响降到最低。

混凝沉淀在废水处理过程中应用广泛，也是最重要的过程；但同时存在如出水水质不稳、混凝剂投加量大等缺点。磁混凝由于磁种的加入不仅增加了混凝效果、缩短了时间，还能满足降低基建投资及稳定出水水质的要求；但磁混凝技术中磁种的种类少及磁种投加量和回用利用技术的不足限制了其发展。在今后针对煤矿矿井水磁混凝技术的研究中，应侧重于对高效的、廉价的磁种及混凝剂种类的研发，同时优化投加量及磁回用技术，提高混凝效果。磁混凝技术在矿井水应用方面仍处于探索阶段，应用案例相对较少。在研发方面，可利用学科交叉，加强磁混凝与材料、化学等相关领域的结合；在工艺及设备方面，加强磁混凝技术在一体化水处理设备的应用，并将研究与实际应用相结合应用到矿井水处理领域。