絮凝污泥回流強化混凝的研究及應用

王振平 郝亮亮 白世剛 李彎彎 侯志勇 高偉

（陜西煤業化工新型能源科技股份有限公司神木分公司 陜西神木 719300）

0 引言

在煤礦井下污水處理中，投加高分子聚合物“PAC+PAM”是去除水中懸浮物和膠體最常用的工藝，也是最關鍵的一步［1］。PAC 及PAM 的投加方式有干投法和濕投法2 種。為使混凝效果較好，目前煤礦污水處理一般均采用濕投法，即將PAC 和PAM 溶解、配制成一定濃度的溶液后向待處理污水定量投加的方法。使藥劑迅速而均勻地擴散到水中是影響混凝效果的重要因素［2］。實際運行案例中，有部分由于設計缺陷，攪拌強度（速度梯度G 值）和絮凝時間（T 值）達不到運行要求。礦井水中的污染物主要是煤粉和巖粉，煤粉密度約1.05 t/m3～1.80 t/m3，遠遠小于地表水泥沙密度（2.50 t/m3），因此穩定性較好，傳統方法采用添加大分子混凝劑，用量大、成本高［3］。張玉婷［4］研究發現絮凝的煤泥水中含有大量鋁、鐵金屬氧化物和混凝劑水解產生的膠體顆粒，煤泥水的ζ 電位一般為正值而原水的ζ 電位一般為負值，煤泥回流可加強混凝吸附電中和作用，并且適當的煤泥回流增加了膠體及懸浮物碰撞概率，絮體本身亦可作為礬花骨架吸附小顆粒物質，促進膠體凝聚。

1 實驗

1.1 實驗水質及煤泥性質

礦井水原水水質見表1。

表1 礦井水原水水質

1.2 實驗儀器及材料

XSP-16A 型六連攪拌器，HACH2100P 型便攜式濁度計，精密pH 計，電子天平（精度10-5）。實驗所用藥品為聚合氯化鋁（PAC），有效含量30%（配置濃度1%）；陰離子聚丙烯酰胺（PAM），分子量不低于600 萬（配置濃度0.2‰）。

2 實驗結果及分析

2.1 無煤泥回流最佳投藥量

原水濁度為700 NTU，設計正交試驗選擇合適的PAC、PAM 投藥量，無絮凝煤泥回流。取500 mL 原水，測得濁度，倒入500 mL 燒杯中，加入適量PAC 溶液快速攪拌2 min（200 r/min），加入適量PAM 溶液慢速攪拌7 min（70 r/min）。靜置10 min，在液面下方2 cm 處取上清液，測定其濁度。上清液濁度小于5 NTU 為達標。投藥量對剩余濁度的影響見圖1。

圖1 投藥量對剩余濁度的影響

由圖1 可知，PAC 用量相同，隨著PAM 用量的增加剩余濁度降低；且縱向對比，顯然當PAM 用量為0.20 mg/L～0.32 mg/L時，PAC 的變化對剩余濁度的影響更明顯。這是由于：首先，PAC 在水中發生離解或水解，生成各種類似于雙親分子的絡合 離子或多核離子 如［Al（H2O）6］3+、［Al（OH）（H2O）5］2+、［Al2（OH）2（H2O）8］4+和［Al3（OH）5（H2O）9］4+等，這些絡合離子不但能壓縮雙電子層，而且能夠通過膠核外圍的反離子層進入固液界面，并中和電位離子所帶電荷，使Ψ 電位降低，ζ 電位也隨之減小，從而達到膠粒脫穩和凝聚，然后通過架橋和網捕作用形成ζ 電位為正的細小顆粒；其次，投入PAM 陰離子，利用PAM 陰離子大分子鏈上攜帶的羥基等官能團吸附帶正電的細小顆粒，使其成長為較大的礬花絮體。可見第一步投加PAC 起凝聚作用，主要吸附污水中懸浮物和膠體形成細小顆粒，第二步PAM 大分子將細小顆粒吸附長成更大的礬花絮體，使其可以在短時間內沉淀。

圖1 中A 點處剩余濁度為4.95 NTU（小于5 NTU），因此原水濁度為700 NTU 時，PAC 與PAM 的最佳投藥量分別為80 mg/L、0.32 mg/L。

2.2 絮凝污泥回流的最佳比例

從斜板凈水器下方排泥閥處取得絮凝煤泥，PAC、PAM 投藥量分別為80 mg/L、0.32 mg/L，研究煤泥回流比為1%、5%、10%、15%、20%時對出水剩余濁度的影響。原水濁度為700 NTU不變，污泥回流比例對剩余濁度的影響見圖2。

圖2 污泥回流比例對剩余濁度的影響

實驗表明，當煤泥回流在1%～5%范圍內時，剩余濁度為3.28 NTU～4.05 NTU，均低于A 點，此時煤泥回流可以強化混凝效果。當煤泥回流超過5%時，濁度去除率明顯降低，剩余濁度驟然升高，說明回流污泥量太大會起到反作用。

2.3 絮凝污泥回流的節藥率

由圖2 可知，污泥回流比為1%時效果最佳。以圖1 為基礎，試驗PAC 投藥量為60 mg/L，PAM 投藥量為0.20 mg/L、0.24 mg/L、0.28 mg/L、0.32 mg/L、0.36 mg/L、0.40 mg/L，混凝前加入1%煤泥回流，煤泥回流節藥率見圖3。

圖3 煤泥回流節藥率

由圖3 可看出，1%污泥回流可降低剩余濁度，強化濁度去除率。這是由于回流的煤泥水中含有大量鋁、鐵金屬離子和混凝劑水解產生的膠體顆粒，檢測發現煤泥水的ζ 電位一般為正值而原水的ζ 電位一般為負值，所以煤泥回流可加強吸附電中和作用；且適當的煤泥回流增加了膠體及懸浮物碰撞概率，絮體本身也可作為礬花骨架吸附小顆粒物質，促進膠體凝聚。

當PAC、PAM 的投藥量分別為60 mg/L、0.2 mg/L 時，出水濁度為4.89 NTU，出水達標；與無煤泥回流的最佳投藥量PAC為80 mg/L、PAM 為0.32 mg/L 時相比，PAC 節約25.0%，PAM節約37.5%。

為了進一步探索污泥回流對混凝的影響，了解污泥回流后絮體的變化，使用光學顯微鏡觀察絮體，結果如圖4 所示。

由圖4 可看出，回流前絮體松散，水、泥界面模糊；回流后絮體結構緊實，水、泥界面清晰。這說明絮凝污泥回流確實可以改善絮體結構，對絮凝起到良好作用。

圖4 回流前、后絮體變化

3 工程實踐

本實驗原材料均來于陜北小保當礦井污水處理站，將此絮凝污泥回流工藝應用在小保當煤礦礦井污水處理站中，改造其中1 臺高效絮凝沉淀斜板凈水器，以另1 臺斜板凈水器作為對照，工藝流程見圖5。

圖5 工藝流程

連續運行7 d，測量每天斜板凈水器出水濁度進行對比，結果如圖6 所示。現場運行數據表明，采用1%絮凝污泥回流可以明顯改善出水水質，且出水水質穩定。

圖6 有/無回流水質對比

4 結論

由實驗及工程實踐結果得出以下結論：

（1）在原水濁度在300 NTU～1 000 NTU，通過絮凝煤泥回流可強化混凝沉淀效果。

（2）煤泥回流最佳體積比為1%。

（3）原水濁度為700 NTU 時，與無煤泥回流情況相比，PAC、PAM 的節藥率分別可達25.0%和37.5%。

（4）工程上，絮凝污泥回流可強化混凝，改善絮凝沉淀池出水水質并穩定出水水質。