磁分离技术在矿井水处理中的运用研究

郎国成，苏元戎，刘洒，王宏义，柳金贤，张新

（1.中煤华晋集团有限公司王家岭矿，山西 河津 043300；2.中煤张家口煤矿机械有限责任公司 河北省高端智能矿山装备技术创新中心，河北 张家口 075000；3.中建环能（山东）环境科技有限公司，山东 泰安 271000）

磁分离技术作为一种把物质利用磁场处理的技术手段，其是借助组成元素的磁敏感性差异来完成分离的。磁分离技术能够将水中的浮油、悬浮颗粒、藻类、磷类、重金属等有效分离出来，同时，对一部分病原微生物也可以达到很好的处理效果，能够有效处理环境污染问题，因此，加强对磁分离技术方面的研究是非常有必要的。

1 磁分离技术的概述

磁分离技术作为一项物理分离处理技术，其是利用磁场力的作用分离出不同的磁性物质。由于污水中存在多种多样的污染物，使用高梯度磁分离技术能够把磁性较强的污染物分离出来，在磁性相对较弱的污染物中投入混凝剂和赤铁矿、磁铁矿、铁粉等微粒，促使污染物和磁种有效结合，再借助高梯度的磁分离技术进行分离。磁分离技术的原理就是借助外加磁场产生的磁力将污水中带有磁性的悬浮颗粒吸附分离出来，进而实现回收和去除的作用。

2 磁分离技术的实际原理

2.1 磁混凝原理

比表面积相对较大的磁粉与使用了混凝剂而将矿井井水中细小的胶体微粒和悬浮物进一步聚集后，能够产生极易沉淀的大颗粒絮体，进而增强其重力，提升污染物在后续固液分离的效率。其工艺原理同Dualsand的微砂絮凝工艺原理、DensaDeg的微砂絮凝工艺原理、 Actiflo的微砂絮凝工艺原理等类似。

2.2 磁分离原理

针对磁场而言，与其他磁力的竞争力相比，磁场中磁性颗粒较大的磁力较弱，而磁场中非磁性或弱磁性颗粒的磁力竞争相反。与此同时，实际流体颗粒物的运动轨迹是由合力决定的，能够把物料有效分离出来。结合絮凝体固液分离处理技术，其磁分离过程是由磁力吸附分离和磁混凝沉降分离组成。如果根据装置的原理进行分类，通常有高梯度、磁盘、重力3种分离方式。磁力吸附分离作为一种磁盘分离装置的分离方式，其是通过转动的磁盘装置将污水中附着的磁性絮体吸附出来，最后，当磁盘升出水面后，再将附着在磁盘上的絮体使用刮泥板清理干净，然后，再将磁盘投入水体中循环吸附水体颗粒。

而磁力吸附分离是借助高梯度磁分离装置形成的一种分离方式，高梯度磁分离装置是将高饱和磁密不锈钢聚磁钢毛作为载体，当水中的磁性絮体重力和黏性阻力小于钢毛磁力的情况下，钢毛载体会截留污染物，当切断磁路后磁力也会随之消失，被钢毛载体截留的污染物通过气或水反复冲洗下来，就可以起到把污染物从废水中除去的作用。

磁混凝沉降分离是借助重力分离装置形成的一种分离方式，传统的澄清工艺或沉淀工艺与此装置的工作原理相似，因为磁粉的比表面积相对较大，所以使得占地面积降低、水力停留时间缩短、液面负荷和沉降速度得以有效提升，进而节省一部分安装费用。重力分离装置的磁粉比微砂絮凝工艺的回收率相对更高一些，进而有效降低了整体的运行成本。

3 磁分离技术特征

3.1 高效性

比表面积较大是磁粉的特性，而同样具备此特性的还有混凝时产生的大颗粒絮凝体，其可以使分离构筑物的体积得以缩小，使停留时间得以缩短，相比传统工艺而言，磁分离技术具有高效性。为提升分离效果，需要在污水中添加具有较强磁性的磁粉，能够有效提升净化污水的效果，其可以把污水中部分有害物质吸附出来，这部分磁性较小的颗粒物就是污水中存在的有害物质，借助磁分离技术能够有效将其进行吸附，进而实现清除的作用。为有效提升工作效率，可将絮凝剂添加到污水中，能够有效提升污水中磁性小颗粒的吸附能力，进而提升整体的分离效果，将污水中的有害物质快速分离出来，促使污水的净化效果得以有效提升。特别是能够很好地分离出工业污水中含有的重金属、合成洗涤剂、病毒、细菌等污染物质。磁分离技术与以往的化学处理方法和生物处理方法存在一定的差异性，但存在各自特有的优点。磁分离技术高效地分离出污水中的有害物质后将污水处理成清水，其不会受到污染物毒性带来的不利影响，其有效性较强，所以被越来越多的企业和工程项目所使用。与此同时，磁分离技术不会受到自然温度带来的太大影响，对于浓度较低且悬浮物较细小的污水也可以达到更好的分离效果，在污水处理中，有效应用磁分离技术能获取较显著的高效性。

3.2 磁分离技术的节能性

与传统污水处理技术相比，磁分离技术对能源消耗要求相对较低，同时，在实际使用过程中，其能够比传统污水处理技术节省5%的耗电量，由此可见，其节能性能较强。

3.3 磁分离技术的经济性

磁分离技术只需要投放少许混凝剂就能够让水中的污染物变成絮凝状态，其能够在一定程度上降低药剂的实际使用量。因为构建物体积的减少和停留时间的缩短，使得磁分离技术的实际用地面积得以减少，降低了购地的成本。同时，其井下项目和改造项目的优势也较高。

4 在煤矿矿井水处理中应用磁分离技术

4.1 矿井水的理化性质

采煤期间需要将水排出，国内煤矿每吨煤会排放约2～2.5m3的水。据统计，2005年，国内所有矿井约排放42亿m3，现今已超过60亿m3。从本质上说，矿区开拓巷道和采层附近的地下水就是矿井水，时常还会有部分地表水会从地表裂隙中渗透出来。矿床地质构造、水文地质以及开采等条件都会直接影响煤矿矿井水的水质。煤矿矿井水具备一定的煤炭行业特性，所以水质与普通地表水存在显著的差别。高矿化度、酸性、含悬浮物、清洁等矿井水是国内主要的煤矿矿井水的类型，其中最常见的是含悬浮物矿井水，其含有的污染物主要由石油类、COD(化学需氧量)、SS(悬浮物)、pH以及部分金属非金属元素成分。有相关统计调查展示，1～20mg/L的矿井水中油占79%、100～400mg/L的矿井水中COD占76%、600～3000mg/L的矿井水中SS占73%，含悬浮物的矿井水中所含的岩粉悬浮物和煤粒悬浮物等相对较多，同时，所含的黑色COD相对较少，可是矿化度和硬度却都相对较低，常被认为其是由于SS的去除而随之消失的，因此，仅用混凝方法、沉淀方法、过滤方法或者使用自然沉淀的方法就能够把矿井水中的SS除去，所呈现的处理效果也比较显著。

4.2 磁分离技术的应用现状

4.2.1 磁分离技术与传统工艺的对比

针对含有悬浮物的矿井水而言，主要是为了处理矿井水中的胶体和悬浮物。其中混凝、沉淀、过滤处理工艺是我国应用最广泛的一种处理工艺，主要以隔板絮凝池或网格絮凝池进行混凝。以效率更高的高密度迷宫斜板沉淀池、斜板沉淀池、斜管沉淀池为主要的沉淀池，重力式无阀滤池则作为常见的一种滤池。相对而言，磁分离技术的工艺效率经济技术指标比传统工艺高8.3倍，能够节约83%的占地，能够降低60%的PAM加药量，降低58%的PAC加药量，提升75%的污泥浓度，节省40%左右的运行成本，处理时间也缩短了70%，同时，能够减少70%的施工周期。

4.2.2 比对井上设置与井下设置的优缺点

构筑物通体量相对较大是传统井水处理的一大特性，为避免在冬季构筑物出现结冰的情况，还应采取保温措施。为此，相对矿井水下处理而言，将其设置在矿井水地面上更适合。同时，因为矿井水井下采煤作业的过程中需使用的水量较大，经过地面处理后的水还应该再输送到井下，进而极易导致能源的浪费问题。针对磁分离技术而言，其具备一体化、布局调整性较大等优势，所以，其相对而言，更适合井下处理工艺。将处理站建设在井下具备5大优势：（1）井下排水管路的使用寿命得以延长，排水泵所需的维护成本相对较低。在井下所建的矿井水处理站，因常年处于运转状态下的排水泵，其流体中所含杂质不多，不会大面积损害排水泵，所以无须花费较多的维护费用。此外，污染物对排水泵管路的腐蚀和磨损的程度较低，所以会延长其使用寿命。（2）方便就近复用。现今，国内大部分矿井水回用主要是用于井下煤层注水、降尘洒水等井下生产用水。将处理站建设到矿井下，不但会减少矿井水回用环节，而且还能够有效降低成本。（3）降低征地。将处理站建设在矿井下，只需要在地面上建立一个清水池就可以，不需要另外征用多余的土地，直接开凿硐室在矿井下就可以，改扩建项目还可使用原有的巷道或硐室，能够有效降低井巷的工程建设量。（4）避免了气候带来的不利影响。国内寒冷地区的煤炭资源分布较广，当把处理站建在地面上还应该采取防冻措施，但是，将处理站建设到矿井下，就不用考虑气候带来的影响，有效降低了工程量。（5）水仓有效容积增大，降低了水仓清理的次数。将处理站建设到矿井下，还能够对矿井水进行持续处理作业，可以对沉积在井下水仓底部的污染物起到一定的清理作用，逐步增加水仓有效容积，使清理水仓的次数得以降低。

通过以上分析，了解到将处理站建设到矿井下的优势较多，但其同样有一定的局限性。（1）受井下特殊环境的限制，应做好通风、支撑保护、防爆防腐等干扰因素。（2）受井巷尺寸的限制，无形中增加了水处理设备的安装和水处理配备维护的难度。（3）对于矿井井下工作，通常情况下，都禁止进行焊接操作，进而使得井下水处理站的施工作业增加了一定的难度。

5 磁分离技术存在的问题以及未来的展望

磁分离技术工艺比传统技术工艺具备处理矿井水的优势更大，其具备适用性强、节省占地面积、药剂投加量少等优势，可是也同样有问题存在，主要包含：（1）由于所需使用的磁粉价格相对偏高，个别磁粉还需要进口，因此，应该加大对优质磁粉和廉价磁粉的研发。（2）整体磁粉的回收率不高，现阶段，实验室试验阶段的磁粉回收率相比矿井工程磁粉的回收率相差较大，所以加强磁粉回收率的可行性方案研究是极其有必要的。（3）无法确认磁分离效果会受到高矿化度矿井水中磁性污染物产生的多大影响。磁分离技术不但是一项环保项目，而且还是一项循环经济和清洁生产的项目。不但具备绿色环保、节水节能、降低污染物排放量、资源的回收再利用等综合功效，同时，其经济、安全、社会和环境等效益也相对较高，因此，其未来的发展前景极其开阔。

6 结语

磁分离技术有效应用了物理高能磁场、物理处理法、化学处理法，能够对固体废弃物和不同污水进行有效的分离处理，具备较强的环保性，能够实现废物再利用的效果，提升了资源的利用率，降低了环境污染问题。将磁分离技术有效应用于矿井水处理工艺中，能够将矿井下的泥水进行有效分离，提升矿井水质，不但可以提升矿区的环保效果，而且还能够有效提升经济效益，满足国内可持续发展建设的理念和目标，所以可以被进一步推广和应用。