煤矿井下废水强化混凝特性研究

吴珍，张弦，庞晶琳，刘海英，李继定

（1.鄂尔多斯应用技术学院，内蒙古鄂尔多斯017000；2.鄂尔多斯市紫荆创新研究院，内蒙古鄂尔多斯017000；3.清华大学化学工程系化学工程国家重点联合实验室，北京100084）

煤矿井下废水强化混凝特性研究

吴珍1，2，3，张弦1，2，庞晶琳1，刘海英1，李继定3

（1.鄂尔多斯应用技术学院，内蒙古鄂尔多斯017000；2.鄂尔多斯市紫荆创新研究院，内蒙古鄂尔多斯017000；3.清华大学化学工程系化学工程国家重点联合实验室，北京100084）

对多家煤矿井下废水进行了采样分析，并对典型水样进行了混凝特性试验，考察了水样初始pH值、混凝剂投加量以及助凝剂投加量对混凝效果的影响。试验结果表明，偏酸性有助于PAC混凝效果的发挥。对浊度为1 395 NTU、SS的质量浓度为448 mg/L的煤矿井下废水，在PAC投加量为100 mg/L时，混凝对水样浊度和SS的去除率分别达到99.3%和95.5%。助凝剂PAM的加入对水样Zeta电位和电导率作用不显著，但能通过吸附架桥作用在PAC投加量较小时促进水中颗粒的沉降。当PAC投加量为40 mg/L，PAM投加量为2 mg/L时，对水中浊度和SS的去除率分别达到99.4%和96.9%。

煤矿井下废水；强化混凝；PAC；PAM；Zeta电位

能源作为社会发展的物质基础，为人类社会创造现代物质文明和精神文明起到重要作用，可是在能源开发利用过程中产生的负面效应也引起人们越来越多的忧虑和警惕。一系列环境危机导致节能减排成为当今世界能源发展的主题。我国环境问题尤为严重，尤其是以煤炭为主的能源结构，给环境带来较大负担。我国40%以上的煤矿矿区严重缺水，而煤炭开采过程中排放大量废水，这些废水若不经处理直接排放，不仅造成环境的严重污染，而且造成水资源的极大浪费，已成为制约煤炭生产发展的重要因素之一［1-2］。

以内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗为例，伊金霍洛旗地处北温带干旱半干旱大陆性气候区，风大沙多、干旱少雨、蒸发强烈，多年平均降水量为343.2 mm，平均蒸发量为2 351.2 mm，境内地表水与地下水资源较为紧缺。加之近年来全旗经济、社会的持续、快速发展，城镇建设、工业项目建设的力度不断加大，用水需求急剧增加，用水矛盾日益突出。解决水资源短缺问题，保障城镇居民生活用水和重点工业项目用水的安全，成为伊金霍洛旗当前迫切需要解决的实际问题［3-4］。

本研究对鄂尔多斯市伊金霍洛旗东部矿区部分煤矿井下废水进行了采样分析，并对典型水样进行了强化混凝特性试验［5］，考察了混凝剂聚合氯化铝（PAC）和助凝剂聚丙烯酰胺（PAM）投加量以及水样初始pH值对混凝出水浊度及SS浓度的影响。此外，通过检测混凝出水Zeta电位及电导率，进一步讨论PAC及PAM的混凝机理。研究结果对于煤矿井下废水处理及资源化利用具有较好的理论及实践意义。

1 材料与方法

1.1 仪器与药品

仪器：MY3000－6B普通型混凝试验搅拌仪；PHS－3E精密酸度计；DDS－307A电导率仪；SD9011色度仪；5B－3BH多参数水质快速测定仪；Zetasizer Nano ZS Zeta电位分析仪。

药品：PAC，PAM，均为分析纯。

1.2 混凝剂、助凝剂的配制

混凝剂的配制：准确称取PAC 2.0 g，加蒸馏水充分溶解，容量瓶定容至100 mL，混匀。配制的混凝剂溶液倒入试剂瓶中保存。制得质量浓度为20 g／L的PAC母液。

助凝剂的配制：准确称取PAM 0.05 g，加蒸馏水充分溶解，容量瓶定容至100 mL，混匀。配制的助凝剂溶液倒入试剂瓶中保存。制得质量浓度为0.5 g／L的PAM母液。

1.3 试验方法

混凝试验在烧杯中进行［6-7］，将从煤矿采取的井下废水样品摇匀，分别取300 mL水样于6个500 mL的烧杯中，并将烧杯放置于六联式普通型混凝试验搅拌器上；设置搅拌器快速搅拌（200 r／min）2 min，慢速搅拌（30 r／min）20 min；开启搅拌器的同时用移液枪向烧杯中快速加入PAC或PAM溶液；混凝试验快速搅拌和慢速搅拌完成后，将搅拌杆从水中提出，烧杯静置澄清30 min；用注射器于液面下约1~2 cm处取上清液，进行Zeta电位、pH值、浊度、SS、电导率等水质参数的测定。

1.4 分析方法

浊度采用多参数水质分析仪测定；pH值、色度、电导率分别采用pH计、色度仪以及电导率仪测定；水样Zeta电位检测时向300 mL配制好的水样中投加一定量混凝剂，快速搅拌使混凝剂充分混匀后，立即用注射器取适量水样于电位测量池中，在Zetasizer Nano ZS分析仪（马尔文）上测定电位值；SS浓度采用重量法测定。

2 结果与讨论

2.1 煤矿井下废水采样分析

对内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗东部矿区部分煤矿或煤矿生产企业废水进行了采样分析，检测结果如表1所示。

煤矿井下废水既具有地下水特征，又受到人为污染，水质特性主要受地质条件、煤层特性、采煤工艺的影响。煤矿井下废水中的主要污染物为采煤过程中煤粉和岩粉渗入水中形成的浓度较高的SS，水的颜色呈黑色。受采煤机械影响，废水中还含有一定的乳化油。此外，煤矿井下废水根据地质条件的不同，水质还可能呈现矿化物较高、CODCr浓度较低以及呈现酸性等特点［8-9］。对比GB 20426—2006《煤炭工业污染物排放标准》中要求的采煤废水的排放限值（pH值为6.0～9.0、ρ（SS）≤50 mg／L、ρ（CODCr）≤50 mg／L，ρ（石油类）≤5 mg／L），从表1可以看出，伊金霍洛旗东部矿区煤矿井下废水主要污染物为SS，除①和③号煤矿采煤废水经过井下水仓沉淀后排放外，其他煤矿井下废水的SS浓度均超出排放限值；有机污染和矿化度（电导率）均不高，属于较容易被处理的废水种类之一。

混凝试验采用SS浓度较高的②号水样作为试验原水，分别考察初始pH值、混凝剂投加量以及助凝剂的投加量对混凝效果的影响。

2.2 水样初始pH值对混凝效果的影响

调节水样初始pH值至一定值，考察水样初始pH值对PAC混凝效果的影响，结果如图1所示。从图1可以看出，水样初始pH值在2.35～8.58范围内时，混凝出水浊度和SS浓度随水样初始pH值的增加逐渐升高，但增加幅度较小；当水样初始pH值大于8.58时，混凝出水浊度和SS浓度随水样初始pH值的增加有较显著的上升，即PAC在酸性条件下的混凝效果优于碱性环境。

表1 煤矿井下废水采样分析结果Tab.1Analysis results of coalmine wastewater samples

图1 初始pH值对混凝出水浊度、SS浓度的影响Fig.1Effect of initial pH value on turbidity and SS concentration of coagulation effluent

pH值对混凝效果的影响主要与不同pH值条件下铝盐水解产物不同有关［10-11］。低pH值（pH≤5.0）条件下铝盐主要以带正电的水解产物为主，如Al等［12］。这些带正电的水解产物能够对颗粒发挥良好的压缩双电层和吸附电中和作用，从而使胶体颗粒脱稳；pH值为6.0～8.5时，水中主要存在Al（OH）3活性溶胶和一些具有较高聚合度的带正电水解产物。这些水解产物由于其本身的溶解性小或者具有较大的比表面积，易与颗粒物产生粘附架桥、网捕、共沉淀等作用［13］。pH值大于8.5时，铝水解产物向等负离子形式转化，系统脱稳困难，混凝效果较差。

在实际应用过程中，虽然偏酸性有助于PAC混凝效果的发挥，但增加幅度不大，且预先调节水样pH值会消耗一定酸，并增加工艺的复杂性，造成运行成本增加。对于煤矿井下废水，在水样碱性不太强（pH＜9）的情况下，无需通过预先调节水样酸碱性以增强混凝效果。

2.3 PAC投加量对混凝效果的影响

混凝剂投加量是影响混凝特性的重要因素之一，通过检测混凝后出水浊度、SS浓度考察混凝剂投加量对混凝效果的影响，结果如图2所示。

从图2可以看出，PAC投加量对出水浊度和SS浓度的影响表现出较为一致的变化趋势，这是因为对于性质相同或相近的水样，浊度与SS浓度之间存在较好的相关性［13］。随着PAC投加量增至40 mg／L时，出水浊度和SS浓度随着PAC投加量的增加迅速降低；当PAC投加量在40~200 mg／L时，出水浊度以及SS浓度变化不显著；此后，继续增加PAC投加量，水样逐渐出现浊度及SS浓度逐渐升高的反稳现象。

图2 PAC投加量对混凝出水浊度、SS浓度的影响Fig.2Effect of PAC dosage on turbidity and SS concentration of coagulation effluent

根据GB 20426—2006中对SS的排放限值要求，在PAC的投加量为20～400 mg／L范围内时，出水SS浓度均能达到要求。而从混凝效果考虑，最优混凝效果出现在PAC投加量为100 mg／L时，此时，出水浊度、SS去除率分别达到99.3%和95.5%。

2.4 PAC投加量对混凝出水Zeta电位及电导率的影响

Zeta电位表征颗粒电荷密度和扩散层的厚度，当Zeta电位绝对值高时，说明扩散层很厚，颗粒之间由于同性相斥而不能相互碰撞脱稳［14］。电导率是物质传送电流的能力，对溶液而言，电导率是一个衡量水溶液导电能力的电学物理量。Zeta电位和电导率虽然都与带电特性有关，但通常用Zeta电位反映废水胶体颗粒的稳定性，而用电导率反应胶体颗粒表面带电特性则较少见。

在不同PAC投加量条件下，混凝出水Zeta电位和电导率表现出了不一样的变化趋势，结果如图3所示。从图3可以看出，随着PAC投加量的增加，电导率先急速减小随后又以较快的速度上升，至PAC投加量大于200 mg／L时，混凝出水电导率超过原水电导率，随后PAC投加量继续增大，电导率缓慢上升。Zeta电位随着PAC投加量的逐渐增大先以较快的速度由原水的电负性转为正值，当PAC投加量超过200 mg／L时，Zeta电位缓慢增大。

图3 PAC投加量对混凝出水Zeta电位及电导率的影响Fig.3Effect of PAC dosage on Zeta potential and conductivity of coagulation effluent

投加PAC后，由于PAC水解产生多种铝羟基化合物，对颗粒带电特性产生影响。虽然电导率和Zeta电位随PAC投加量变化趋势不一致，但Zeta电位接近0点时的PAC投加量（40 mg／L）正好与电导率减小的最低点吻合；且Zeta电位和电导率开始缓慢增加时的PAC投加量正好与混凝开始出现返稳的PAC投加量相一致。因此，对于带电溶胶系统，除了Zeta电位外，电导率随混凝剂投加量的变化曲线也能用于判断胶体系统的稳定性。在实际使用过程中，与Zeta电位检测相比，电导率检测无需大型设备，检测数据更加方便易得。

2.5 PAM投加量对混凝效果的影响

助凝剂是用于调节或改善混凝条件，促进凝聚作用添加的药剂或为改善絮凝体结构的高分子物质。PAM是一种较为常用的有机高分子助凝剂，利用PAM较长的分子链结构能够增强水中絮体的吸附架桥作用，促进絮体的进一步生长和沉降［15-16］。

PAM对PAC的助凝效果如图4所示。从图4可以看出，少量的PAM对PAC混凝能起到一定的助凝作用，混凝后出水浊度和SS浓度均有下降，但当PAM投加量增大至5 mg／L时，混凝出水浊度和SS浓度均有增大的趋势。总的来讲，在试验水样以及PAC投加量为40 mg／L条件下，PAM投加量为2 mg／L时，能使出水浊度和SS去除率分别达到99.4%和96.9%，比仅投加40 mg／L PAC时分别提高17.2%和36.4%。

图4 PAM投加量对混凝出水浊度、SS浓度的影响Fig.4Effect of PAM dosage on turbidity and SS concentration of coagulation effluent

2.6 PAM投加量对混凝出水Zeta电位及电导率的影响

图5 PAM投加量对混凝出水Zeta电位及电导率的影响Fig.5Effect of PAM dosage on Zeta potential and conductivity of coagulation effluent

PAM投加量对混凝出水Zeta电位、电导率的影响如图5所示。从图5可以看出，PAM的加入对混凝出水Zeta电位以及电导率作用不显著。试验所用PAM为带正电的阳离子型，PAM的加入对异号电荷能起到一定的吸附电中和作用，但其助凝作用主要为吸附架桥和网捕卷扫。

PAM具有较大的分子链结构，其分子链上的活性基团能与胶粒表面某些部位产生特殊的反应而相互吸附，同一分子链上的多个集团吸附多个胶粒，在胶粒之间形成架桥作用，而大量的胶粒在沉降过程中对水中其他分散颗粒起到网捕和共沉淀作用，从而促进絮体的凝聚与沉降，起到助凝作用。

3 结论

（1）对伊金霍洛旗东部矿区多家煤矿井下废水的实地采样分析结果表明，该矿区煤矿井下废水主要污染物为SS，有机污染和矿化度均不高，是较易被处理的废水，混凝沉淀法是处理此类废水的有效方法之一。

（2）虽然偏酸性有助于PAC混凝效果的发挥，但效果增加的幅度较小，预先调节水样pH值会消耗一定酸，并增加工艺的复杂性，造成运行成本增加。对于煤矿井下废水，在水样pH值小于9的情况下，无需通过预先调节水样酸碱性以增强混凝效果。

（3）对浊度为1 395 NTU、SS的质量浓度为448 mg／L的煤矿井下废水，随着混凝剂PAC投加量的增加，浊度和SS表现出较为一致的变化趋势，即先减小后增大，其优化投加量为40～200 mg／L。在PAC投加量为100 mg／L时，混凝对水样浊度、SS的去除率最佳，分别达到99.3%和95.5%。

（4）助凝剂PAM的加入对水样出水pH值以及Zeta电位影响不显著，但能通过吸附架桥作用在PAC投加量较小时促进水中颗粒的沉降。当PAC投加量为40 mg／L，PAM投加量为2 mg／L时，对浊度和SS的去除率分别为99.4%和96.9%。

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Characteristic study on coalmine wastewater treatment by enhanced coagulation

WU Zhen1，2，3，ZHANG Xian1，2，PANG Jing-lin1，LIU Hai-ying1，LI Ji-ding3
（1.Department of Chemical Engineering,Ordos Institute of Technology,Erdos 017000,China;2.Redbud Innovation Institute of Erdos,Erdos 017000,China;3.The State Key Laboratory of Chemical Engineering,Department of Chemical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China）

A number of coalmine wastewater samples were analyzed,and a cogulation test of typical water samples was carried out,the influences of initial pH value,coagulant dosage,and coagulant aids dosage on coagulation effect were investigated.The results of the test showed that,weak acidic condition was beneficial to PAC coagulation.For the treatment of the coalmine wastewater with turbidity of 1 395 NTU and SS mass concentration of 448 mg/L,when the PAC dosage was 100 mg/L,the removal rates of turbidity and SS by coagulation reached 99.3%and 95.5%respectively.The coagulant aid PAM could not impact the Zeta potential and the conductivity of the water samples significantly;however,with less PAC dosage,the sedimentation of particles in water could be promoted through adsorption bridging.When the dosage of PAC and PAM were 40 and 2 mg/L respectively, the removal rates of turbidity and SS reached 99.4%and 96.9%respectively.

coalmine wastewater;enhanced coagulation;PAC;PAM;Zeta potential

X752.031

A

1009－2455（2016）06－0017－05

吴珍（1983-），女，湖北赤壁人，讲师，博士后，研究方向为水污染控制技术，（电子信箱）wu9_9@163.com。

2016-07-08（修回稿）

国家自然科学基金项目（21176135，71563031）；国家科技部科研院所技术开发研究专项资金项目（2013EG111129）；内蒙古自治区高等学校科学研究项目（NJZZ16370，NJZZ13017，NJZY16373）