作者：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） 基金项目： 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） 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 摘要： 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%。

关键词： 煤矿井下废水； 强化混凝； PAC； PAM； Zeta 电位

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。 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（OH）2 ＋ 、 Al2（OH）2 4＋ 、 Al3（OH）4 5＋ 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 Al（OH）4 － 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。 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。 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％。

2．6 PAM 投加量对混凝出水 Zeta 电位及电导率的 影响 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％。