礦坑廢水是伴隨煤炭資源開采而產生的工業廢水，一般因含有大量的煤粉、碎屑而具有高濁度、高礦化度、高色度的特點，通常采用傳統的混凝-沉淀-過濾等工藝對其進行處理即可達到排放標準或回用標準要求。然而對于低濁、富含重金屬離子的有機礦井水，采用現有的混凝工藝不僅對溶解性物質和有機污染物去除率較低，同時出水濁度也通常偏高。為了滿足出水濁度的要求，往往增加混凝劑投加量，其投加量可高達50~70 mg/L，這種做法使礦坑廢水的資源化成本大增，無法從根本上解決煤礦產區嚴重缺水和礦坑水污染的問題〔1〕。
低濁礦坑廢水雜質的主要成分是細小的膠體分散體系，動力和凝聚穩定性較強，帶負電的膠體微粒數量很少，經過混凝過程形成的絮凝體直徑小、密度輕，導致沉淀效果不理想〔2〕。為了解決某礦低濁礦坑廢水混凝處理效果不佳、混凝劑投加量大等問題，筆者以該煤礦礦坑廢水為試驗對象，以濁度去除率作為評價指標，通過正交試驗及單因素試驗，分析了影響混凝效果的因素，探討了最優混凝條件，以期為低濁礦坑廢水混凝工藝的資源化利用提供參考。
1 試驗藥品及方法
1.1 試驗藥品
試驗選用高分子混凝劑聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鐵(PFS)、聚合氯化鋁鐵(PAFC)以及常規無機混凝劑硫酸鋁〔Al2(SO4)3〕、氯化鐵(FeC13)作為試驗藥劑，上述藥劑均為分析純，產自沈陽市華東試劑廠。上述藥劑在使用之前均配制成10 g/L的溶液。為探討高分子助凝劑與混凝劑配比對低濁礦坑廢水混凝效果的影響，試驗中配制1 g/L的聚丙烯酰胺(PAM)溶液作為助凝劑。
1.2 試驗用水
試驗用水取自內蒙古東北部某煤礦礦坑水，根據《煤炭工業污染物排放標準》(GB 20426—2006)，參考《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)，該礦坑水的特征污染物有SS、COD、NH3-N、PO43--P、Mn2+，水質評價結果屬于V類水，該礦坑廢水為低濁含氮磷的有機煤礦廢水。試驗用水水質：SS 9.02 NTU，COD 201 mg/L，NH3-N 48 mg/L，PO43--P 1.5 mg/L，Mn2+ 15 mg/L，pH=8.01。試驗水樣平均溫度為20 ℃。
1.3 試驗方法
在前期試驗研究的基礎上，著重考察影響混凝效果的6個因素，即：混凝劑種類、混凝劑投加量、原水pH、PAM投加量、PAM投加時間、水力條件，并對其進行優化。首先以SS去除率為評價指標，進行5水平6因素L25(56)正交試驗，確定各因素影響混凝效果的顯著性;然后在此基礎上進行單因素試驗，探討各因素影響混凝效果的機理，并確定各因素的最優混凝水平，驗證正交試驗結論的可靠性。混凝劑及編號見表 1，水力條件及編號見表 2。試驗中用六聯攪拌機攪拌至所需時間后，靜置30 min，取上清液進行監測。
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1.4 監測項目及方法
SS：散射比濁法;pH：玻璃電極法;Mn2+：高碘酸鉀分光光度法;NH3-N：納氏試劑分光光度法;COD：重鉻酸鉀法。
2 結果與分析
2.1 正交試驗
正交試驗結果見表 3。
由表 3可知，各因素對混凝效果影響的顯著性為混凝劑投加量>pH>PAM投加時間>水力條件>混凝劑種類>PAM投加量，最優混凝操作條件：按4#水力條件進行操作;原水pH=7;以PAC為混凝劑，投加量為50 mg/L;在快速攪拌結束時投加PAM，投加量為0.5 mg/L，投加時間為30 s。
以往的研究表明，與PAC相比較，PAFC對低濁湖庫水具有更好的混凝效果〔2〕。但在該研究中PAFC并沒有體現出混凝優勢，其和PAC的混凝效果幾乎一樣。分析原因可能是礦坑廢水中的懸浮物和膠體主要是煤雜質這種特殊的物質，其混凝動力學和穩定性不同于湖庫水中的膠體顆粒。考慮到PAFC市場價格昂貴，因此，對低濁礦坑廢水PAC混凝劑有較大的優勢。
2.2 單因素試驗
2.2.1 PAC投加量對混凝效果的影響
試驗條件：按4#水力條件進行操作;原水pH=7;在快速攪拌結束時投加PAM，投加時間為30 s，投加量為0.5 mg/L。改變PAC投加量，考察PAC投加量對混凝效果的影響，結果見圖 1。
?圖 1 PAC投加量對SS去除率的影響
由圖 1可知，PAC對混凝有很大的促進作用，隨著PAC投加量的增加，SS去除率增大。當PAC投加量達到20 mg/L時，SS去除率達到97.47%;進一步提高PAC投加量，SS去除率反而有下降的趨勢，同時發現絮體沉降性也變差，這與李志偉等〔3〕的研究結論相符。對于某一特征水質，在最佳投加量(OH-/Al)條件下，PAC水解產物中不僅含有單位鋁正電荷高的Ala，而且聚合鋁Alb、Alc含量也較高，其電性中和、吸附架橋、網捕卷掃等混凝機制可發揮最佳作用〔4〕。若PAC投加量不足，PAC所提供的正電荷較少，不足以中和膠體表面的負電荷，形成的絮體尺寸較小，不易固液分離〔5〕;而PAC投加量過多，會導致顆粒表面物理化學性質發生改變，已絮凝的顆粒會再穩定。考慮到經濟性，確定混凝劑PAC最佳投加量為20 mg/L。
2.2.2 PAM投加量對混凝效果的影響
試驗條件：按4#水力條件進行操作;原水pH=7;在快速攪拌結束時投加PAM，投加時間為30 s;PAC投加量為20 mg/L。改變PAM投加量，考察PAM投加量對混凝效果的影響，結果見圖 2。
?圖 2 PAM投加量對SS去除率的影響
助凝劑的投加與否對SS的去除效果有較大影響。由圖 2可知，不加助凝劑時，SS去除率僅為58%;當PAM投加量達到0.5 mg/L時，SS去除率達到96%;進一步增加PAM投加量，SS去除率基本不變。在混凝過程中加入陽離子型助凝劑PAM，顆粒表面的負電荷可得到進一步中和，同時由于其較大的分子質量，能有效地將PAC水解產物及膠體顆粒架橋連接，形成較大的易于沉降的絮體。但PAM具有微弱的毒性，為使其既能在技術上達到最佳的混凝效果且經濟上合理，又避免投加過量對人體造成危害，控制其投加量在0.5 mg/L。
2.2.3 原水pH對混凝效果的影響
試驗條件：按4#水力條件進行操作;PAC投加量為20 mg/L;在快速攪拌結束時投加PAM，投加時間為30 s，投加量為0.5 mg/L。改變原水pH，考察原水pH對混凝效果的影響，結果見圖 3。
?圖 3 原水pH對SS去除率的影響
原水pH決定膠體顆粒物表面酸堿和電荷特性、金屬混凝劑的水解速率，決定Al水解形態分布和轉化，從而影響混凝過程中顆粒物-混凝劑-溶液之間的兩兩相互作用，影響后續絮體的形成及固液分離效果〔6〕。張衛飛〔7〕的研究表明，pH影響PAC中Al的形態，pH低時，Al主要以低電荷單體鋁形態Ala存在; pH升高，Ala含量減少，高電荷多聚物Alb增加，電中和黏結架橋能力增強;pH過高時，PAC中的Al將會水解轉化成低電荷的Al(OH)3(am)溶膠-沉淀形態，電中和能力下降。由圖 3可知，當原水pH為8時，混凝效果最好，SS去除率可達96.03%。
2.2.4 水力條件對混凝效果的影響
試驗條件：原水pH=8;PAC投加量為20 mg/L;在快速攪拌結束時投加PAM，投加時間為30 s，投加量為0.5 mg/L。改變水力條件，考察水力條件對混凝效果的影響，結果見圖 4。
?圖 4 水力條件對SS去除率的影響
由圖 4可知，4#水力條件下的SS去除率略好于其他水力條件，SS去除率約為97%。混凝過程分為混合階段和反應階段，對于高分子混凝劑PAC，由于其水解有效形態不像無機混凝劑那樣受時間的影響，混合階段主要是使藥劑在水中均勻分散，對快速和劇烈攪拌的要求不高；在反應階段PAC水解的多羥基鋁聚合物通過電中和、吸附架橋、網捕卷掃作用使顆粒脫穩并借助布朗運動和紊流作用進行凝聚。為了避免形成的絮凝體在高速攪拌條件下被打碎，反應階段的攪拌強度應隨著絮凝體的結大而逐漸降低，同時延長攪拌時間，使得混凝劑與懸浮物質充分接觸混合，并沉降完全。對于5#水力條件下的混凝效果略有下降的原因有待進一步研究分析。水力條件確定為4#。
2.3 最佳混凝條件下處理礦坑廢水效果
在上述正交試驗與單因素試驗基礎上確定的最優混凝操作條件：以PAC為混凝劑，投加量為20 mg/L；原水pH為8；依次快速（250 r/min）攪拌30 s，中速（100 r/min）攪拌8 min，慢速（40 r/min）攪拌12 min；在快速攪拌之后投加PAM，投加量為0.5 mg/L，投加時間為30 s。在最優混凝條件下對試驗水樣進行處理，考察優化混凝對SS及其他污染物的去除效果，結果如圖 5所示。
?圖 5 優化混凝對廢水的處理效果
由圖 5可知，優化混凝對SS的去除效果很好，SS去除率達90%以上;對COD、PO43--P、Mn2+的去除效果不理想，相應的去除率分別僅為10%~20%;對NH3-N的去除效果極低。這與黃天寅等〔8〕的研究結論一致。混凝作用能去除懸浮物、膠體顆粒，而對溶解性離子幾乎不起作用，至于對COD、PO43--P和Mn2+有一定的去除率，是混凝劑形成的絮凝體對其有一定的吸附去除作用，但該效果往往在混凝工藝中不明顯。因此，要同時去除水中的COD、NH3-N、PO43--P和Mn2+等微污染物質，除了采用混凝+沉淀+過濾工藝外，還可考慮采用預處理和深度處理相結合的工藝，實現礦坑廢水的資源化利用。具體參見污水技術資料更多相關技術文檔。
3 結論與建議
試驗結果表明，各因素對混凝效果影響的顯著性為混凝劑投加量>pH>PAM投加時間>水力條件>混凝劑種類>PAM投加量。最優混凝操作條件：以PAC為混凝劑，投加量為20 mg/L;原水pH為8;依次快速(250 r/min)攪拌30 s，中速(100 r/min)攪拌8 min，慢速(40 r/min)攪拌12 min;在快速攪拌之后投加PAM，投加量為0.5 mg/L，投加時間為30 s。在最優混凝條件下，SS去除率高達90%以上，但對NH3-N、PO43--P、Mn2+及COD的去除效果不佳，需要采用“預氧化+混凝+沉淀+過濾+生物活性炭”等聯合工藝，以滿足礦坑廢水資源化利用對水質的要求。
