磁场强化混凝处理矿井水

李　哲,　刘凤娟

(黑龙江科技学院 资源与环境工程学院, 哈尔滨 150027)



磁场强化混凝处理矿井水

李哲,刘凤娟

(黑龙江科技学院 资源与环境工程学院, 哈尔滨 150027)

为提高矿井水的处理效果、降低处理成本，采用磁场与混凝沉淀相结合的方法对矿井水进行处理，分析非磁化PAC溶液的混凝处理效果及磁化水样、磁化PAC溶液对混凝效果的影响。结果表明：PAC溶液投加量为25 mg/L时，浊度去除率达到最大为86%；磁化水样、磁化PAC溶液对矿井水混凝效果均有积极影响，但后者影响更为明显。在磁感应强度0.2 T、磁化时间8 min后，磁化PAC溶液对矿井水的混凝效果最好，此时浊度去除率达到最高，比非磁化时提高4.5%。该研究表明磁化混凝工艺在短时间内可有效净化矿井水。

矿井水； 混凝沉淀； 磁化处理； 浊度去除率

随着煤炭工业的发展,矿井涌水量日益增多。由于技术所限和认识不足,大量的矿井涌水并未得到治理和利用,而被当成水害排放掉。这不仅造成水资源的浪费,还严重污染周边环境。因此,寻求先进又经济可行的工艺和技术将矿井水处理为生产和生活用水,对矿井水资源化具有十分重要的意义[1-3]。

目前,我国矿井水通常采用城市污水的处理工艺——混凝沉淀法进行净化处理。但传统混凝处理具有用药量大、处理效率相对低、处理成本较高、易造成药剂二次污染等不足[4-5],故应研发新的处理工艺、技术措施。磁场在水处理中被广泛应用,有关研究表明,磁化处理能够改变水的微观结构和性质,有利于水的净化处理[6-7]。因此,笔者将磁场与混凝沉淀法结合来研究矿井水处理问题。

1　实　验

1.1实验水样

实验用水取自东北某矿矿井水,经水质检测分析知,除悬浮物(SS)、浊度较高外,总体水质较好,为矿井水的净化处理提供了有利的先决条件。主要参数为:浊度120 NTU,悬浮物质量浓度232 mg/L,pH为8.1。

1.2仪器和试剂

仪器:MY-3000-6G型智能混凝搅拌器;PP-20 pH计;WGZ-200型浊度计;BT224S精密电子天平;CTS24型霍尔效应数字磁强计;秒表。

磁化装置:根据实验需要,定制不同尺寸的方形有机玻璃管,将表面磁感应强度相同(0.32 T)的两块磁铁固定于方形管的两侧,通过更换有机玻璃管来调节磁铁的间距,从而改变玻璃管中心位置的磁感应强度。

试剂:1%聚合氯化铝(PAC)溶液作混凝剂。

1.3实验方法

为了考察磁场对矿井水混凝效果的影响及联合作用效果,实验中采取改变磁感应强度、磁化时间的方式分别对水样及混凝剂溶液进行磁化处理,并确定浊度为控制参数,去除率为混凝处理效果的评价指标。浊度由浊度计直接测定。

混凝方法:将原水水样充分混合,在不改变原水水质条件下,用量筒分别量取200 mL待处理水样,倒入6个相同容量的烧杯中,加入预先设计好的药剂投加量,调节搅拌机的转数和搅拌时间(高速运转230 r/min,1 min;中速运转140 r/min,2 min;低速运转60 r/min,10 min),依次搅拌。搅拌停止后,静置10 min,取一定量上清液进行监测分析。

磁化方法:利用特斯拉计测得磁化装置的磁感应强度,将量取好的水样或混凝剂溶液倒入其中,并置于搅拌器(200 r/min)下搅拌到规定时间。

2　结果与讨论

2.1PAC溶液的混凝效果

投加不同量的混凝剂对矿井水进行混凝处理,其浊度去除率的变化情况如图1所示。由图1可知,混凝剂PAC的投加量ρPAC对矿井水的净化处理有很大影响。当ρPAC小于25 mg/L时,随ρPAC的不断增加,浊度去除率η逐渐上升,其处理效果明显提高;当ρPAC大于25 mg/L时,η基本趋于稳定,若继续增加混凝剂的投加量,反而出现浊度去除率降低的情况。这是由于当混凝剂投加量达到一定程度后,浊度已基本去除,而混凝剂与已形成的絮体带有同一性质的电荷,继续增加其投加量,将使已形成的絮体重新达到稳定状态。因此,当混凝剂投加量过高时,水中胶体将会发生再稳现象[8]。分析可知,混凝剂投加量为25 mg/L时,矿井水的处理效果相对较好,其浊度去除率达到最大为86%。

图1　不同药剂用量的浊度去除效果

Fig. 1Turbidity removal effects at different reagent dosages

2.2磁化水样的混凝效果

2.2.1磁感应强度的影响

在混凝剂最佳投加量(25 mg/L)下,用不同磁感应强度B(0、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 T)磁化处理水样后,矿井水的混凝处理效果如图2所示。

图2　磁化水样的浊度去除率随磁感应强度的变化Fig. 2　Changes of turbidity removal rate with magnetic field strength under magnetic processing water samples

实验结果表明,随磁感应强度B的不断增大,η总体逐渐提高,当B达到一定程度后,η基本趋于稳定;B为0.4 T时,η达到最高,矿井水处理效果最好。其原因可能是水样中的粒子受到磁场力的作用,形成结构松散、形状较大的聚合体[9],这种聚合体在混凝剂的作用下,能够形成更大的絮体而快速下沉,使矿井水浊度降低,浊度去除率得以提高,但当磁感应强度过高时,易造成磁化过剩反而使磁化效应不明显。

2.2.2磁化时间的影响

在混凝剂最佳投加量(25 mg/L)及最佳磁感应强度(0.4 T)条件下,改变水样的磁化时间t(2、4、6、8、10和12 min),矿井水浊度去除率的变化情况见图3。实验结果表明,当t小于6 min时,随t的不断延长,η逐渐上升;当t为6 min时,η达到最大值,比未磁化直接混凝处理约提高1%;若继续延长磁化时间,其处理效果反而下降。这是由于当磁感应强度一定时,随着磁化时间的不断延长,将产生更多的磁化能,磁化能的增加能够消弱水分子间的内聚力,降低水的黏度,从而有利于胶粒的碰撞聚集,使其快速沉淀,因而浊度去除率得到提高;但当磁化时间过长时,在强磁场作用下,会产生磁能共振,磁能共振的能量会造成水中悬浮物及其他粒子的分子键断裂,从而形成较多胶体物质,使胶体产生Tyndall效应,造成散射光增加,透射光减少,浊度增大,其去除率反而降低[10]。

图3　磁化水样的浊度去除率随磁化时间的变化

Fig. 3Changes of turbidity removal rate with magnetizing time under magnetic processing water samples

2.3磁化PAC溶液的混凝效果

2.3.1磁感应强度的影响

分别用不同的磁感应强度B(0、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 T)磁化50 mL混凝剂溶液,并按其最佳投加量(25 mg/L)对水样进行混凝处理,得到的浊度去除效果见图4。实验结果表明,在磁感应强度B小于0.2 T时,随B的不断增强,η不断提高;当B为0.2 T时,矿井水处理效果达到最好;之后若磁感应强度进一步增强,其处理效果将会降低。由图4可知,磁化混凝剂溶液时,磁感应强度对矿井水混凝效果影响较为显著。

图4　磁化混凝剂溶液的浊度去除率随磁感应强度的变化

Fig. 4Changes of turbidity removal rate with magnetic field strength under magnetic processing coagulant solution

2.3.2磁化时间的影响

在最佳磁感应强度(0.2 T)下,改变混凝剂溶液的磁化时间t(2、4、6、8、10和12 min),按PAC最佳投加量25 mg/L对矿井水进行混凝处理的实验结果如图5所示。实验结果表明,当t小于8 min时,随t的不断延长,η逐渐上升;当t为8 min时,η达到最大值,比未磁化直接混凝处理提高4.5%;若继续延长磁化时间,其处理效果反而会下降。由图5分析可知,磁化混凝剂溶液对矿井水的混凝效果有一定积极效应,能够起到强化混凝的作用。

图5　磁化混凝剂溶液的浊度去除率随磁化时间的变化

Fig. 5Changes of turbidity removal rate with magnetizing time under magnetic processing coagulant solution

3　结　论

(1)随PAC投加量的增加,矿井水的处理效果不断提高,当达到一定程度后,其混凝效果基本趋于稳定,继续增加混凝剂用量,其去除效果反而降低。由实验确定PAC的最佳投加量为25 mg/L。

(2)磁化处理矿井水水样对其混凝效果有一定的积极影响,同未磁化直接混凝处理相比,其浊度去除率最大可提高1%。

(3)磁化处理PAC溶液的最佳参数为:磁感应强度0.2 T,磁化时间8 min;经该条件磁化的PAC溶液的混凝效果比未磁化的提高4.5%。证明磁化处理混凝剂溶液可促进矿井水中悬浮物混凝沉淀,强化效应明显,有利于矿井水的净化处理。

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(编辑王冬)

Magnetic field strengthening coagulation treatment of mine water

LIZhe,LIUFengjuan

(College of Resources & Environmental Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

Aimed at an improved treatment efficiency of mine water and reduced cost of processing, this paper introduces the treatment of mine water by combining magnetic field with coagulating sedimentation and the analysis of the coagulation effects of PAC solution under non-magnetization and the coagulation effects of PAC solution under magnetization condition or water samples under magnetization condition. The results show that adding the PAC solution dosage of 25 mg/L gives a turbidity removal rate of 86%. Both magnetization treatment of water samples and PAC solution have a positive effects on mine water coagulation, with the latter more obvious. Magnetic field intensity of 0.2 T and magnetizing time of 8 minutes produce the best effect of magnetization PAC solution on the coagulation of the mine water, resulting in the highest turbidity removal value, 4.5% higher than does non-magnetization. The study proves that magnetization coagulation process enables an effective purification of mine water in a shorter period of time.

mine water; coagulating sedimentation; magnetization treatment; turbidity removal rate

1671-0118(2012)06-0581-04

2012-10-26

李哲(1964-),男,河北省平泉人,教授,博士,研究方向:矿物加工及矿物特性,E-mail:zheli2003@163.com。

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