摘要：針對我國當(dāng)前礦井水凈化處理現(xiàn)狀，指出了礦井水混凝處理過程中存在的主要問題，闡述了傳統(tǒng)絮凝劑聚合氯化鋁的不足之處。根據(jù)對聚合氯化鋁鐵性能、特點以及經(jīng)濟性等方面的詳細論述，分析了聚合氯化鋁鐵在礦井水混凝處理中的優(yōu)勢及應(yīng)用前景，并對聚合氯化鋁鐵今后在礦井水處理應(yīng)用中的發(fā)展方向提出了建議。
我國是一個水資源短缺的國家，但同時礦井水資源卻十分豐富，截止2010年，全國礦井水排放量約為61億m3，位居世界前列。礦井水是煤炭在開采過程中，地下水和少量地表滲水受井下生產(chǎn)活動影響所排出的一種廢水，水中常含有一些煤粉、巖粉等固體懸浮物及少量油類物質(zhì)，感官性能差，若直接排放會給礦區(qū)周邊的水環(huán)境造成污染，但經(jīng)過凈化處理后便可用作井下生產(chǎn)、煤炭加工以及礦區(qū)生活等用水，能夠有效的緩解礦區(qū)水資源不足，改善礦區(qū)環(huán)境及礦鄰關(guān)系，社會、環(huán)境及經(jīng)濟效益突出。
長期以來，我國對礦井水的資源化利用十分重視，國家發(fā)展改革委員會在十二五《礦井水利用發(fā)展規(guī)劃》中曾明確提出：到2015年，全國煤礦礦井水排放量達71億m3，利用量54億m3，利用率提高到75%，新增礦井水利用量18億m3，加上非煤礦山新增礦井水利用量約5億m3，全國新增礦井水利用量約23億m3。因此，選擇混凝劑來提高礦井水凈化處理工藝中核心的混凝處理效果，進一步優(yōu)化礦井水處理后的出水水質(zhì)，便能拓展礦井水的復(fù)用途徑，提高礦井水整體利用率，具有十分重要的意義。
聚合氯化鋁鐵（PAFC）是近年來新型研制出的一種無機高分子復(fù)合絮凝劑。它以分子鏈為基本結(jié)構(gòu)，具有多種聚合態(tài)，其化學(xué)通式為：[Al2(OH)nCl6-n]m·[Fe2(OH)nCl6-n]m（式中：n≤5，m≤10），是依據(jù)協(xié)同增效原理，通過加入PAFC單質(zhì)鐵離子或三氧化鐵和其它含鐵化合物復(fù)合制得。由于PAFC集鋁鹽和鐵鹽各自的優(yōu)點，既擁有了鋁鹽絮凝劑礬花大、水處理面寬、腐蝕性小等優(yōu)點，又具備鐵鹽絮凝劑沉速快、易分離、低溫水處理效果好等優(yōu)異性能。目前PAFC已廣泛應(yīng)用于飲用水、工業(yè)用水及多種工業(yè)廢水的處理，并取得了顯著的應(yīng)用效果。
1、礦井水混凝處理存在問題
我國礦井水的混凝處理技術(shù)起步于上世紀(jì)70年代，當(dāng)時的礦井水處理工作還處于為排放而治理的階段，大部分礦井水只是經(jīng)過簡單的自然沉淀便直接排放，礦井水處理技術(shù)相對比較粗放和落后。進入上世紀(jì)90年代后，國內(nèi)一些礦山企業(yè)和相關(guān)科硏院所，如中國煤炭科工集團杭州研究院和中國礦業(yè)大學(xué)（北京）水污染控制工程研究所等單位經(jīng)過多年的研究，成功研發(fā)、推廣了一系列礦井水凈化處理技術(shù)，取得了很多成功經(jīng)驗，較大程度地提高了我國礦井水資源化利用水平。但隨著煤炭工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，煤礦企業(yè)對分質(zhì)供水水質(zhì)要求越來越高，因此，進一步提高礦井水凈化處理技術(shù)，提高礦井水凈化后的出水水質(zhì)及穩(wěn)定性就顯得十分必要。
混凝是礦井水凈化處理技術(shù)中重要一個環(huán)節(jié)，直接影響著礦井水凈化處理的出水效果。目前，我國礦井水在混凝處理領(lǐng)域中主要存在以下問題：
（1）礦井水中的懸浮固體顆粒小，比重輕，致使礦井水在混凝過程中絮凝沉降速度慢。
（2）礦井水中的懸浮固體含量高，懸浮物含量不穩(wěn)定，使混凝處理構(gòu)筑物沖擊負荷變大。
（3）我國煤礦多位于北方地區(qū)，礦井水混凝構(gòu)筑物又多處于室外，低溫的影響使礦井水混凝效果變差。
（4）礦井水中含有很多油類物質(zhì)和少量有機物質(zhì)，尤其在煤礦井下工作面設(shè)備檢修及搬遷時，礦井水的機油和乳化油含量更高，嚴(yán)重影響了混凝的處理效果。
（5）絮凝劑投加控制技術(shù)、設(shè)備不能有效的匹配礦井水水質(zhì)和水量的波動。
2、聚合氯化鋁處理礦井水的不足
我國礦井水凈化處理目前絕大多數(shù)都采用聚合氯化鋁（PAC）作為絮凝劑。PAC是一種比較成熟的無機高分子絮凝劑，因其貨源廣泛、價格適中、使用條件廣、絮凝效果好等優(yōu)點，受到水處理領(lǐng)域的一致認可，已在國內(nèi)飲用水、工業(yè)廢水等領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用。礦井水凈化處理中，由于礦井水特殊的行業(yè)特征，PAC在實際應(yīng)用中盡管取得了很好的處理效果，但仍有一些不足之處。
首先，由于礦井水中所含懸浮固體細小且輕，使礦井水中的懸浮顆粒和膠體絮凝程度很難沉降，并需要較長的絮凝時間和大量電解質(zhì)聚合氯化鋁，即使配合一些高分子助凝劑使用，電解質(zhì)PAC投加量仍然很大。筆者通過在淮南礦區(qū)的14座礦井水處理設(shè)施中調(diào)查發(fā)現(xiàn)，淮南礦區(qū)礦井水的進水濁度在50-3000NTU之間，平均值約為600NTU，而絮凝劑PAC的投加量平均達到了200mg/L，投加量遠遠超過了其它行業(yè)水處理混凝中PAC的投加量。
其次，礦井水中大量的懸浮物和較高的絮凝劑投加量使礦井水處理系統(tǒng)中的絮凝劑制備和投加系統(tǒng)、煤泥水排放系統(tǒng)和煤泥水脫水系統(tǒng)運行負荷變大，給礦井水處理系統(tǒng)的日常運行管理和操作帶來諸多難題和挑戰(zhàn)。
此外，PAC對礦井水中常見的一些油類和有機物質(zhì)沒有很好的去除效果，需另外單獨考慮礦井水中油類和有機物質(zhì)去除的設(shè)施和設(shè)備，進一步增加了礦井水處理設(shè)施的建設(shè)成本和管理難度。
3、聚合氯化鋁鐵的優(yōu)勢及技術(shù)經(jīng)濟分析
3.1 聚合氯化鋁鐵在礦井水混凝處理中的優(yōu)勢
與礦井水凈化處理中應(yīng)用較多的傳統(tǒng)絮凝劑PAC相比，PAFC具有以下優(yōu)點：
3.1.1 混凝效果好，投加量少
聚合氯化鋁鐵本身就是Al3+、Fe3+的預(yù)水介產(chǎn)物，除能生成一般鐵、鋁鹽在水解過程中生成的簡單低價水解羥基離子外，還能生成大量的高價聚羥基陽離子，中和水中膠體微粒電荷和壓縮雙電層，同時還發(fā)生羥基架橋、交聯(lián)、表面吸附等一系列反應(yīng)，在相互碰撞情況下形成了大的礬花。同時，聚合氯化鋁鐵中10%-20%左右含量的鐵能使礦井水在混凝過程中形成的礬花密實度大，沉速更快。
表1為淮南礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司顧橋煤礦礦井水處理站現(xiàn)場混凝試驗篩選出的較佳絮凝劑投加量統(tǒng)計分析表。從表1中可以看出，PAFC用75%-80%PAC的投加量卻達到了更好的脫濁效果。
表1 絮凝試驗混凝劑較佳用量分析統(tǒng)計
| 絮凝劑種類 | 較佳用量（mg/L） | 出水濁度（NTU） | 煤泥含水率/% |
| PAC | 250 | 5.8 | 95.8 |
| PAC+PAM | 200±1.0 | 3.1 | 95.2 |
| PAFC | 200 | 4.9 | 92.1 |
| PAFC+PAM | 150±0.5 | 2.5 | 91.0 |
3.1.2 減輕了投藥和煤泥水脫水系統(tǒng)負荷
從表1中得知，經(jīng)過15min沉淀后，PAFC混凝形成的煤泥水含水率較低，因而能夠使煤泥水濃縮和脫水系統(tǒng)的工作效率得到進一步的提高。此外，由于PAFC混凝效果要比PAC好，可有效的減輕礦井水凈化處理中絮凝劑的溶液配置和投加系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)負荷，同時還降低了操作人員的勞動強度。
3.1.3 低溫時混凝處理效果好
冬季礦井水絮凝構(gòu)筑物進水水溫低時，水的粘度變大而使沉速減小，加之低溫時氣體的溶解度大，使形成的絮凝體密度降低，溶解性氣體大量吸附在絮凝體周圍，不利于沉淀，而PAFC具備鐵鹽絮凝劑的特性，就能夠很好的解決絮凝體密度低和沉速慢這一問題。
3.14 對有機物和油類物質(zhì)去除效果明顯
絮凝劑的聚合度及分子質(zhì)量是影響絮凝效果的重要因素，隨著聚合度及分子質(zhì)量的提高，絮凝劑的吸附架橋能力會大大提高。PAFC無論在聚合度還是分子質(zhì)量上都高于PAC，其對有機物和油類物質(zhì)的去除效果顯然要優(yōu)于PAC。
3.1.5 采購便捷，腐蝕性小
PAFC可以用多種工業(yè)廢渣來制備，原料來源廣泛，成本低廉。目前，國內(nèi)絕大多數(shù)混凝劑生產(chǎn)廠家都有生產(chǎn)PAFC技術(shù)和產(chǎn)品，以往的貨源問題已得到有效的解決。另外，PAFC中的鐵含量只占到10%-20%的比例，腐蝕性也小。
3.2 PAFC技術(shù)經(jīng)濟分析
根據(jù)表1提供的顧橋煤礦礦井水混凝試驗絮凝劑較佳用量試驗數(shù)據(jù)，分析得出了PAC、PAFC單獨投加與聯(lián)合高分子助凝劑PAM投加的經(jīng)濟分析比較情況，結(jié)果如表2。
表2 絮凝劑經(jīng)濟分析比較
| 絮凝劑種類 | 絮凝劑較佳用量/（mg/L） | 絮凝劑價格/（元/t） | 絮凝劑消耗量/（t/d） | 總處理成本/（元/d） | 噸水處理成本/元 | 出水濁度/NTU |
| PAC | 250 | 1500 | 0.75 | 1125 | 0.375 | 5.8 |
| PAC+PAM | 200±1.0 | 1500+20000 | 0.6+0.003 | 960 | 0.32 | 3.1 |
| PAFC | 200 | 1800 | 0.6 | 1080 | 0.36 | 4.9 |
| PAFC+PAM | 150±0.5 | 1800+20000 | 0.6+0.0015 | 930 | 0.31 | 2.5 |
表2的數(shù)據(jù)表明，單獨使用絮凝劑PAC、PAFC處理顧橋煤礦礦井水的成本分別為0.375元/t水、0.36元/t水；絮凝劑PAC、PAFC聯(lián)合高分子助凝劑PAM的處理成本分別為0.32元/t水、0.31元/t水。可以認為，PAFC無論單獨投加還是聯(lián)合PAM投加的處理成本都要優(yōu)于PAC，并且脫濁效果更好。
4、聚合氯化鋁鐵的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀
自1982年Kuo和Wamser首先合成PAFC以來，各國科研工作者相繼對其進行了深入的研究。高寶玉等利用煤矸石和鐵礦石為原料采取一定的工藝條件研制成了PAFC，并把它用以處理煤礦礦井水和油田含油廢水，結(jié)果表明：僅投加40mg/L的PAFC，煤礦礦井水的COD和SS去除率分別達到82%和90%；而對油田含油廢水的除油率和SS去除率都超過了90%。葛中巧等人用PAFC處理電鍍廢水，胡文慧等人用PAFC處理飲用水，戴捷等人用PAFC處理造紙中段廢水，都取得了比較好的處理效果。
目前，聚合氯化鋁鐵在國內(nèi)城市飲用水和一些工業(yè)廢水領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用很多，如上海市的泰和水廠，合肥市的四水廠等，并且都取得了較好的應(yīng)用效果。在礦井水凈化處理領(lǐng)域，煤礦企業(yè)由于受地域差異、絮凝劑采購模式、價格因素及一些固定思維等因素影響，PAFC應(yīng)用的實例鮮有報道。但隨著國家及煤礦企業(yè)對礦井水利用率和用水水質(zhì)要求的逐漸提高，礦井水凈化處理技術(shù)必將要得到進一步的完善和提高，而PAFC憑借其自身獨特的優(yōu)勢，在各方面都已具備取代PAC的條件，未來在礦井水凈化處理中勢必有著廣闊的應(yīng)用前景。
5、聚合氯化鋁鐵今后研究方向
大量研究資料表明，聚合氯化鋁鐵中的Al/Fe摩爾比不同，制成的絮凝劑對廢水的處理效果就不同，這主要是因為其自身結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性等性能不同所致。由于PAFC體系的復(fù)雜性，還缺少表征PAFC的特征參數(shù)，因而至今PAFC尚無統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)。今后應(yīng)加強對PAFC共聚機理的理論研究，充分發(fā)揮鋁鹽和鐵鹽的協(xié)同增效作用，使其能夠針對礦井水中污染物的種類及含量作出不同鋁鐵配比的調(diào)整。同時要不斷改進PAFC的制備方法和性質(zhì)，為PAFC的生產(chǎn)和運輸創(chuàng)造便利條件，促進其在礦井水處理領(lǐng)域得到更廣泛和有效應(yīng)用。
6、結(jié)語
由于礦井水特殊的行業(yè)特征，傳統(tǒng)絮凝劑聚合氯化鋁在礦井水混凝處理過程中往往投加量大，生成的煤泥密實度低，對有機物和油類物質(zhì)去除效果有限，并由此還帶來了絮凝劑加藥系統(tǒng)、煤泥水排放系統(tǒng)和煤泥水壓濾系統(tǒng)等環(huán)節(jié)上管理及操作上的困難。
聚合氯化鋁鐵由于擁有了鋁鹽和鐵鹽各自的優(yōu)點，能夠很好的解決上述問題，并且在經(jīng)濟上聚合氯化鋁鐵處理礦井水的成本也優(yōu)于聚合氯化鋁。雖然受一些因素影響，導(dǎo)致聚合氯化鋁鐵目前實際應(yīng)用較少，但綜合各方面分析，聚合氯化鋁鐵從各方面都已具備在礦井水處理應(yīng)用中取代傳統(tǒng)聚合氯化鋁的條件。
