磁混凝工艺在选矿废水处理的应用研究

2023-01-28刘芸

山西化工 2022年8期

刘芸

（西山煤电（集团）有限责任公司环保绿化分公司，山西太原 030053）

引言

有效去除选矿废水中的悬浮物，对提升矿物品位、实现选矿废水的处理和资源化回用尤为重要。目前，针对选矿废水中悬浮物的去除工艺，多采用混凝、沉淀、过滤等常规的净化处理技术[1]。较为常见的混凝剂和助凝剂包括聚合氯化铝（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM）、硫酸铝[Al2（SO4）3]、硫酸亚铁（FeSO4）、三氯化铁（FeCl3）等。近年来，磁混凝沉淀技术成为大量应用的水处理技术，磁混凝该技术是在普通的混凝沉淀工艺中添加磁粉，使得混凝剂、污染物和磁粉絮凝结合在一起，以磁粉为中心形成高密度絮体，进而提高混凝沉淀的效果。基于上述理论可知，将磁混凝沉淀技术应用于选矿废水SS 去除具有可行性，但诸多因素如混凝剂的选择、助凝剂和磁种的添加量尚不明确[2]。本研究对西曲选煤厂选矿废水进行研究，采用3 种常见的混凝剂和助凝剂，加入不同尺寸的磁粉，通过批次实验，对比不同混凝剂的最佳浓度。在3 种磁混凝体系中，对比磁种添加前后模拟废水中悬浮物的浓度变化，以期为磁混凝沉淀技术在选矿废水中的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验仪器及试剂

磁力搅拌，HJ-6A，欧莱博；浊度仪，WZB-170，HACH。试验所用水样由高岭土溶液制成，混凝剂为聚合氯化铝（PAC）有效含量＞26%；聚合硫酸铁（PFS），有效含量＞19%；聚合硫酸铝（PAS），有效含量＞90%；高岭土，化学纯。助凝剂聚丙烯酰胺（阴离子PAM），相对分子质量为800、1 100、1 400、1 700、2 000 万Da。磁种主要成分为Fe3O4，分析纯，有效含量99%。

1.2 溶液配制

1.2.1 高岭土储备液制备

称取高岭土30 g 溶于于1 000 mL 烧杯中，磁力搅拌30 min，沉淀30 min 去除高岭土中含有的易沉降杂质。

1.2.2 混凝剂储备液制备

PAC 储备液：称取20 g PAC 混凝剂固体，溶于1 000 mL 容量瓶中，配制成20 g/L 的混凝剂溶液备用。

PFS 储备液：称取20 g 的PFS 混凝剂固体，溶于1 000 mL 容量瓶中，配制成20 g/L 混凝剂溶液备用。

PAS 储备液：称取20 g 的PAS 混凝剂固体，溶于1 000 mL 容量瓶中，配制成20 g/L 混凝剂溶液备用。

1.2.3 助凝剂储备液制备

称取2 g 聚丙烯酰胺（PAM）用去离子水定容至1 000 mL，配制成2 g/L PAM 溶液备用。

1.3 实验方法

最适混凝剂浓度、PAM 相对分子质量、磁粉确定。取一定量混凝剂母液（20 g/L）的上清液倒入烧杯中，随后定容至800 mL，该溶液中混凝剂质量浓度为3 000 mg/L。随后分别将相对分子质量分为0、800、1 100、1 400、1 700、2 000 万Da PAM 加入到上述溶液中，500 r/min 的磁力搅拌器下快速搅拌30 s，然后再以50 r/min 的转速慢搅拌10 min，最后静置10 min，在距离液面5 cm 处取上清液，测定其浊度，以确定最佳PAM 分子量。按照上述相同步骤，通过对不同粒径[0、40、80、120、160、200 目（380、180、120、96、75 μm，下同）的磁粉48 mg，以及投加质量为0、24、48、72、96、120 mg 的磁粉，确定最佳磁粉投加质量。

2 结果与讨论

2.1 聚合氯化铝混凝技术静态模拟

2.1.1 聚合氯化铝混凝体系中最佳混凝剂、助凝剂及磁粉的确定

由图1-1观察得知，随着PAC 投加量的增加，水中浊度显著降低。然而，当PAC 投加量超过3 mL 后，其浊度并未明显降低。因此，在PAC 为20 g/L 的质量浓度下，3 mL 体积为最适投加体积。此外，在该PAC投加量下，研究了PAM 相对分子质量对浊度降低性能的影响（图1-2）。在悬浮废水中未加PAM 时所测的浊度远高于添加PAM 的，这表明PAM 可作为良好的助凝剂，其促进了PAC 的混凝效果，有效降低了水的浊度。当PAM 相对分子质量在1 400 万Da 时，浊度最低。继续增加PAM 相对分子质量，其浊度并未降低。这可能是因为，大分子量的PAM 使絮凝团发生复稳，而较小分子量的PAM 可能有利于絮状矾花的形成。因此，考察以上实验变量后，可选择投加3 mL 20 g/L PAC，PAM 相对分子质量为1 400 万Da，投加体积为2 mL，后续实验均按照此投加量进行。所选的PAC、PAM 投加于SS 质量浓度为3 000 mg/L 浊液中，再分别加入质量为48 mg、粒径为0、40、80、120、160、200目的磁粉。实验操作过程均保持液体体积为800 mL。由图1-3 可见，不同粒径的磁粉对浊度去除的影响，80 目（180 μm）的磁粉效果较好，这可能是由于80目的磁粉有较大的比表面积，与混凝剂接触效果较好。为探究不同磁粉投加量对混凝效果的影响，在120 目（96 μm）的磁粉下，选取不同磁粉投加量（0、24、48、72、96、120 mg），其结果如图1-4 所示。随着磁粉投加量的增加，其浊度有降低的趋势，在磁粉质量为48 mg 时，废水浊度最低。随着磁粉投加量进一步增加，其浊度并未得到显著降低。这可能因为，添加过多的磁粉，磁粉颗粒团聚，导致磁粉表面难以充分利用。因此，鉴于对成本和效果的考虑，在聚合氯化铝混凝体系中，采用80 目（180 μm）磁粉，投加量48 mg为最优条件。

图1 混凝体系中各参数对浊度去除的影响

2.1.2 磁聚合氯化铝混凝对废水中浊度去除效果

实验模拟西曲选煤厂的整体水况，PAC、PAM、磁粉和搅拌等条件控制在上述最优条件。通过对比溶液静置5、10、20、30、60、90 min 后浊度，确定最佳静置时间为90 min。后续磁体系与普通体系的浊度处理效果对比都以90 min 的静置时间操作。图2 为对比磁粉加入前后聚合氯化铝混凝对废水浊度去除效果。

图2 添加磁粉前后PAC 絮凝对浊度去除效果对比图

由图2 可知，加磁粉能促进浊度的降低，磁粉的添加使得混凝剂和SS 之间的作用增大，导致混凝剂效果提升。未投加磁粉时混凝平衡所需的静置时间明显延长。加磁粉时，3 种SS 浓度的浊液均在40 min 左右去除效果达到最低，且处于平衡状态。然而，当未投加磁粉时，三种浓度的SS 浊液静置时间在90 min 时仍未达到平衡，且浊度高于加磁粉的状态。

2.2 聚合硫酸铁混凝技术静态模拟

2.2.1 聚合硫酸铁混凝体系中最佳混凝剂、助凝剂及磁粉的确定

通过对聚合硫酸铁（PFS）混凝体系中不同混凝剂、助凝剂以及磁粉量的投加对废水中悬浮物去除的对比可知，随着PFS 投加量的增加，浊度逐渐降低，当投加量超过3 mL 后，浊度并未明显降低；PFS 的混凝效果明显低于PAC；助凝剂实验表明，不同相对分子质量助凝剂对浊度去除影响不大。磁混凝实验结果和未加磁粉相比，投加磁粉后浊度有所降低。80 目（180 μm）磁粉效果最好，当磁粉粒径逐渐减小，浊度反而提高。这可能是由于，低粒径四氧化铁和聚合硫酸铁同时存在时，易于使SS 稳定，从而使得水中的SS 难以脱稳沉淀。低剂量磁粉会降低浊度，随着磁粉质量的增加，浊度反而增加。

2.2.2 磁聚合硫酸铁混凝对废水中浊度去除效果

在相同浓度SS 下，加磁粉显著降低了溶液浊度，表明磁粉加快了絮体沉降。磁粉的添加提高了混凝剂和SS 的重力沉降速度，加磁粉时，SS 絮体矾花在磁粉作用下发生加速沉降。当静置时间达到30 min 后，浊度趋于稳定。未投加磁粉时，相同SS 浓度下，其浊度明显较高。

2.3 聚合硫酸铝混凝技术静态模拟

2.3.1 聚合硫酸铝混凝体系中最佳混凝剂、助凝剂及磁粉的确定

随着聚合硫酸铝（PAS）的投加，浊度逐渐降低。当PAS 投加量超过4 mL 时，浊度并未进一步降低，这表明PAS 混凝剂的不断投加并未连续促进混凝效果。这可能是因为，高的混凝剂的添加会促使SS 复稳。此外，PAM 分子量的不同也导致混凝沉淀后溶液的浊度不同，相对分子质量为1 400 万Da 的PAM 显示出较为优越的混凝效果。当PAM 相对分子质量超过1 400 万Da 后，其样品浊度并未降低，增加了SS之间的空间位阻。相比于未加磁粉的溶液，加磁粉后溶液浊度明显降低，当磁粉粒径＜80 目（180 μm）后，浊度反而出现略微增加，可选择80 目（180 μm）的磁粉用于后续混凝实验。随着磁粉质量的增加，浊度逐渐降低，有利于磁混凝沉淀过程的实现。

2.3.2 磁聚合硫酸铁混凝对废水中浊度去除效果

同样地，在聚合硫酸铁混凝体系中，对投加磁粉前后，相同静置时间下的废水浊度进行了对比。在添加磁粉后，体系中浊度明显降低。磁粉的添加提高了混凝剂和SS 的重力沉降速度，加磁粉时，SS 絮体矾花在磁粉作用下发生加速沉降。在浊度4 500 NTU时，在静置时间60 min～90 min，体系的浊度基本维持在1 000 NTU，而添加磁粉后，其浊度能够进一步降低至750 NTU 以下。同时，添加磁粉后，3 种浊度废水均能在前40 min 达到基本沉降平衡，这说明在投加磁粉后可以缩短混凝沉降平衡的时间。