磁混凝技術在煤礦礦井水處理中的應用

張永杰 蘇孝杰 王瑩春 殷世強 顧效綱

（1.河南平煤神馬環保節能有限公司，河南 平頂山，467000；2.河南城建學院 市政與環境工程學院，河南 平頂山，467036）

煤礦礦井水主要指采礦過程中滲入井下采礦空間的地下水、少量地表水及生產過程中產生的煤礦廢水。根據相關研究，我國每年的礦井水產生量近70 億噸，噸煤產水量約為2.1 噸[1,2]。礦井水水質與煤礦所處位置、地質結構和開采方式密不可分[2,3]。煤礦礦井水的水質類型根據礦井水所含污染物的成分，大致可劃分為受污染程度小的潔凈礦井水，高懸浮物的礦井水，主要含有Ca2+、Mg2+、SO42-、CO32-、HCO3-等離子的高礦化度礦井水(又稱苦咸水)，pH≈3 的酸性礦井水混凝和含特殊組分(含F、Fe、Mn 或者重金屬等)的礦井水五類[4,5]。煤礦礦井水的直接排放不僅造成水資源的大量浪費，而且礦井水中含有的如煤粉、巖粉、細菌等對地下水、地表水及礦區水生態環境等造成嚴重的污染。

針對不同特征的礦井水所采用的處理工藝不盡相同。針對懸浮物的去除，混凝沉淀過濾是最常見的處理工藝[6]。混凝（coagulation）是指向處理廢水中投加混凝劑，在一定水力條件下完成水解、縮聚反應，改善膠體的穩定狀態，進而形成新的絮凝體的過程。簡單地說，混凝沉淀過濾就是將小顆粒結合成較大的聚集體（絮狀物）的過程，并將溶解的有機物吸附在顆粒聚合體上，以便在固/ 液分離過程中有效去除有機物。

20 世紀60 年代，磁分離技術開始被發達國家應用到廢水處理中；20 世紀70 年代，我國開始將該技術和混凝相結合用于廢水的處理。與傳統的混凝技術相比，該技術主要是在投加絮凝劑、助凝劑的基礎上同步加入磁種，以磁種為絮體晶核，形成一種特殊磁性復合體。水中膠體顆粒、懸浮顆粒、溶解性有機物質等通過與磁性復合體的碰撞脫穩形成較大絮體，進而實現去除廢水中懸浮物質的目的。磁種的加入使得形成絮體的密度增大，加快沉淀速度，減少沉降時間。

1 磁混凝技術

1.1 磁混凝技術原理

混凝的過程可以概括為兩個階段：凝聚和絮凝。凝聚可作積聚、聚合理解，在廢水處理過程中主要是指由于混凝劑的添加造成膠體脫穩、聚合成微小聚集體的過程；而絮凝主要是指懸浮態或膠體態的微小粒子形成較大顆粒的過程。混凝機理簡單地說是通過混凝劑的加入改變膠體或者懸浮顆粒表面的物理化學性質，使膠體或者顆粒之間的結合能大于排斥能，膠粒得以迅速凝聚；然后在絮凝劑的作用下通過吸附架橋作用機理使膠粒凝聚為大的絮凝體。

2004 年陳文松等人[7]通過對比實驗，發現磁絮凝反應過程中磁種參與與否對該過程產生的效果沒有本質區別，混凝劑對磁性顆粒的作用與其他顆粒的一樣。傳統混凝機理對磁混凝同樣具有指導作用[8]，應注意的是在強化混凝作用的同時磁種與顆粒的適宜配比[8]。

1.2 磁混凝技術的影響因素

（1）磁種的影響

首先，磁種粒徑。陳文松等人[7]在研究磁混凝原理時指出磁種的粒徑應小于10μm，磁種粒徑的大小影響絮體的大小及結構的形成。較大粒徑的磁種形成的絮體顆粒較大會加快沉降速度，影響去除效果。

其次，磁種的種類。常見的磁種種類有鐵粉、磁性氧化鐵、粉煤灰磁珠、磁鐵礦顆粒等，種類不同導致磁性大小不同，對污染物的作用大小也不同，影響磁混凝效果[9]。

最后，磁種的投加量。一般情況下，磁種量相對少時，磁粉與周圍大量懸浮物碰撞、吸附和凝聚的機會較多，與污染物凝聚成大絮團的概率較大，絮凝率較高。反之，增加磁種與磁種之間的碰撞、凝聚的機會，絮凝率會較低。但在一定范圍內增加絮凝反應的晶核（磁種），有利于加快反應的速度，降低反應的時間。

（2）混凝劑/ 絮凝劑的影響

混凝劑/ 絮凝劑的類型不同，進而產生的混凝沉淀的效果不同；相同種類的藥劑，添加量不同，效果亦存在差異。

（3）藥劑的投加順序的影響

根據磁混凝原理可知，磁混凝過程中可沉淀絮體的形成主要依賴吸附、架橋作用，絮凝劑對該過程有決定性的作用，所以磁種的投加一定要和絮凝劑的投加同時進行或者提前投加[9,10]。

（4）攪拌速率的影響

攪拌速率過快或者過慢均不利于絮體的形成。過快不利于絮體的形成；過慢不利于磁種的擴散。合適的攪拌速率可以在提高磁性復合絮體形成的同時防止絮體的破碎。

2 磁混凝技術在礦井水中的應用

磁混凝技術作為磁分離技術與傳統混凝沉淀技術的結合，相對于傳統的混凝工藝具有以下優勢：（1）磁性顆粒提供的高電荷密度，能夠減少傳統混凝劑/ 絮凝劑的使用。（2）縮短混凝/ 絮凝的時間。磁性顆粒與不穩定的污染物之間的磁偶極吸引，縮短了混凝/ 絮凝的時間。（3）使用外部磁場可以實現對使用過的/ 用完的磁性混凝劑/ 絮凝劑的回收，從而降低材料成本。目前，磁混凝初沉技術已在城市污水[11,12]、中水回用[13]、工業廢水[14，15]等水處理領域得到廣泛應用。

近年來，隨著磁混凝技術的不斷完善，其在礦井水處理方面也取得一定的成果[16]。最近，景長勇等人[17]將磁混凝技術應用到某煤礦礦井水處理中，并利用“3 因素4 水平正交實驗”確定了處理該煤礦礦井廢水的最佳條件，考察了不同型號的聚丙烯酰胺（PAM）、聚合氯化鋁(PAC)的用量及投加時間對處理效果的影響，除此之外，還研究了混凝劑及磁種用量對處理效果好壞的先后順序。該研究在給出3 種處理效果較好的PAM 及相應的PAC、磁種的添加量之外，同時指出煤礦礦井水的處理應在磁混凝的最佳條件下結合微濾技術。廖慶花等人[18]提出將磁混凝沉淀一體化設備應用到礦井水應急處理中，并在寧夏回族自治區某煤礦應急處置工程中試用。相較于傳統的混凝沉淀工藝構筑物，該設備不僅具有建設周期短、占地面積小、靈活搬遷等優勢，而且礦井水出水水質優于一級A 標準，個別水質指標如COD、氨氮達到地表水Ⅲ類標準，既為磁混凝在礦井水中的應用提供了一種新的思路，也為礦井水處理積累了寶貴經驗。

3 展望

礦井水作為煤礦開采過程中的必然品，經過合理的處理后既可以減少生產成本、節約水資源、創造經濟價值，也可以實現礦井水的零排放，將煤炭行業對環境的影響降到最低。

混凝沉淀在廢水處理過程中應用廣泛，也是最重要的過程；但同時存在如出水水質不穩、混凝劑投加量大等缺點。磁混凝由于磁種的加入不僅增加了混凝效果、縮短了時間，還能滿足降低基建投資及穩定出水水質的要求；但磁混凝技術中磁種的種類少及磁種投加量和回用利用技術的不足限制了其發展。在今后針對煤礦礦井水磁混凝技術的研究中，應側重于對高效的、廉價的磁種及混凝劑種類的研發，同時優化投加量及磁回用技術，提高混凝效果。磁混凝技術在礦井水應用方面仍處于探索階段，應用案例相對較少。在研發方面，可利用學科交叉，加強磁混凝與材料、化學等相關領域的結合；在工藝及設備方面，加強磁混凝技術在一體化水處理設備的應用，并將研究與實際應用相結合應用到礦井水處理領域。