有效去除选矿废水中的悬浮物，对提升矿物品位、实现选矿废水的处理和资源化回用尤为重要。目前，针对选矿废水中悬浮物的去除工艺，多采用混凝、沉淀、过滤等常规的净化处理技术。较为常见的混凝剂和助凝剂包括聚合氯化铝（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM）、硫酸铝、硫酸亚铁（FeSO4）、三氯化铁（FeCl3）等。近年来，磁混凝沉淀技术成为大量应用的水处理技术，磁混凝该技术是在普通的混凝沉淀工艺中添加磁粉，使得混凝剂、污染物和磁粉絮凝结合在一起，以磁粉为中心形成高密度絮体，进而提高混凝沉淀的效果。基于上述理论可知，将磁混凝沉淀技术应用于选矿废水SS去除具有可行性，但诸多因素如混凝剂的选择、助凝剂和磁种的添加量尚不明确。本研究对西曲选煤厂选矿废水进行研究，采用3种常见的混凝剂和助凝剂，加入不同尺寸的磁粉，通过批次实验，对比不同混凝剂的最佳浓度。在3种磁混凝体系中，对比磁种添加前后模拟废水中悬浮物的浓度变化，以期为磁混凝沉淀技术在选矿废水中的应用提供理论基础。
1、材料与方法
1.1 试验仪器及试剂
磁力搅拌，HJ-6A，欧莱博；浊度仪，WZB-170，HACH。试验所用水样由高岭土溶液制成，混凝剂为聚合氯化铝（PAC）有效含量>26%；聚合硫酸铁（PFS），有效含量＞19%；聚合硫酸铝（PAS），有效含量＞90%；高岭土，化学纯。助凝剂聚丙烯酰胺（阴离子PAM），相对分子质量为800、1100、1400、1700、2000万Da。磁种主要成分为Fe3O4，分析纯，有效含量99%。
1.2 溶液配制
1.2.1 高岭土储备液制备
称取高岭土30g溶于于1000mL烧杯中，磁力搅拌30min，沉淀30min去除高岭土中含有的易沉降杂质。
1.2.2 混凝剂储备液制备
PAC储备液：称取20gPAC混凝剂固体，溶于1000mL容量瓶中，配制成20g/L的混凝剂溶液备用。
PFS储备液：称取20g的PFS混凝剂固体，溶于1000mL容量瓶中，配制成20g/L混凝剂溶液备用。
PAS储备液：称取20g的PAS混凝剂固体，溶于1000mL容量瓶中，配制成20g/L混凝剂溶液备用。
1.2.3 助凝剂储备液制备
称取2g聚丙烯酰胺（PAM）用去离子水定容至1000mL，配制成2g/LPAM溶液备用。
1.3 实验方法
最适混凝剂浓度、PAM相对分子质量、磁粉确定。取一定量混凝剂母液（20g/L）的上清液倒入烧杯中，随后定容至800mL，该溶液中混凝剂质量浓度为3000mg/L。随后分别将相对分子质量分为0、800、1100、1400、1700、2000万DaPAM加入到上述溶液中，500r/min的磁力搅拌器下快速搅拌30s，然后再以50r/min的转速慢搅拌10min，最后静置10min，在距离液面5cm处取上清液，测定其浊度，以确定最佳PAM分子量。按照上述相同步骤，通过对不同粒径[0、40、80、120、160、200目（380、180、120、96、75μm，下同）的磁粉48mg，以及投加质量为0、24、48、72、96、120mg的磁粉，确定最佳磁粉投加质量。
2、结果与讨论
2.1 聚合氯化铝混凝技术静态模拟
2.1.1 聚合氯化铝混凝体系中最佳混凝剂、助凝剂及磁粉的确定
由图1-1观察得知，随着PAC投加量的增加，水中浊度显著降低。然而，当PAC投加量超过3mL后，其浊度并未明显降低。因此，在PAC为20g/L的质量浓度下，3mL体积为最适投加体积。此外，在该PAC投加量下，研究了PAM相对分子质量对浊度降低性能的影响（图1-2）。在悬浮废水中未加PAM时所测的浊度远高于添加PAM的，这表明PAM可作为良好的助凝剂，其促进了PAC的混凝效果，有效降低了水的浊度。当PAM相对分子质量在1400万Da时，浊度最低。继续增加PAM相对分子质量，其浊度并未降低。这可能是因为，大分子量的PAM使絮凝团发生复稳，而较小分子量的PAM可能有利于絮状矾花的形成。因此，考察以上实验变量后，可选择投加3mL20g/LPAC，PAM相对分子质量为1400万Da，投加体积为2mL，后续实验均按照此投加量进行。所选的PAC、PAM投加于SS质量浓度为3000mg/L浊液中，再分别加入质量为48mg、粒径为0、40、80、120、160、200目的磁粉。实验操作过程均保持液体体积为800mL。由图1-3可见，不同粒径的磁粉对浊度去除的影响，80目（180μm）的磁粉效果较好，这可能是由于80目的磁粉有较大的比表面积，与混凝剂接触效果较好。为探究不同磁粉投加量对混凝效果的影响，在120目（96μm）的磁粉下，选取不同磁粉投加量（0、24、48、72、96、120mg），其结果如图1-4所示。随着磁粉投加量的增加，其浊度有降低的趋势，在磁粉质量为48mg时，废水浊度最低。随着磁粉投加量进一步增加，其浊度并未得到显著降低。这可能因为，添加过多的磁粉，磁粉颗粒团聚，导致磁粉表面难以充分利用。因此，鉴于对成本和效果的考虑，在聚合氯化铝混凝体系中，采用80目（180μm）磁粉，投加量48mg为最优条件。
2.1.2 磁聚合氯化铝混凝对废水中浊度去除效果
实验模拟西曲选煤厂的整体水况，PAC、PAM、磁粉和搅拌等条件控制在上述最优条件。通过对比溶液静置5、10、20、30、60、90min后浊度，确定最佳静置时间为90min。后续磁体系与普通体系的浊度处理效果对比都以90min的静置时间操作。图2为对比磁粉加入前后聚合氯化铝混凝对废水浊度去除效果。
由图2可知，加磁粉能促进浊度的降低，磁粉的添加使得混凝剂和SS之间的作用增大，导致混凝剂效果提升。未投加磁粉时混凝平衡所需的静置时间明显延长。加磁粉时，3种SS浓度的浊液均在40min左右去除效果达到最低，且处于平衡状态。然而，当未投加磁粉时，三种浓度的SS浊液静置时间在90min时仍未达到平衡，且浊度高于加磁粉的状态。
2.2 聚合硫酸铁混凝技术静态模拟
2.2.1 聚合硫酸铁混凝体系中最佳混凝剂、助凝剂及磁粉的确定
通过对聚合硫酸铁（PFS）混凝体系中不同混凝剂、助凝剂以及磁粉量的投加对废水中悬浮物去除的对比可知，随着PFS投加量的增加，浊度逐渐降低，当投加量超过3mL后，浊度并未明显降低；PFS的混凝效果明显低于PAC；助凝剂实验表明，不同相对分子质量助凝剂对浊度去除影响不大。磁混凝实验结果和未加磁粉相比，投加磁粉后浊度有所降低。80目（180μm）磁粉效果最好，当磁粉粒径逐渐减小，浊度反而提高。这可能是由于，低粒径四氧化铁和聚合硫酸铁同时存在时，易于使SS稳定，从而使得水中的SS难以脱稳沉淀。低剂量磁粉会降低浊度，随着磁粉质量的增加，浊度反而增加。
2.2.2 磁聚合硫酸铁混凝对废水中浊度去除效果
在相同浓度SS下，加磁粉显著降低了溶液浊度，表明磁粉加快了絮体沉降。磁粉的添加提高了混凝剂和SS的重力沉降速度，加磁粉时，SS絮体矾花在磁粉作用下发生加速沉降。当静置时间达到30min后，浊度趋于稳定。未投加磁粉时，相同SS浓度下，其浊度明显较高。
2.3 聚合硫酸铝混凝技术静态模拟
2.3.1 聚合硫酸铝混凝体系中最佳混凝剂、助凝剂及磁粉的确定
随着聚合硫酸铝（PAS）的投加，浊度逐渐降低。当PAS投加量超过4mL时，浊度并未进一步降低，这表明PAS混凝剂的不断投加并未连续促进混凝效果。这可能是因为，高的混凝剂的添加会促使SS复稳。此外，PAM分子量的不同也导致混凝沉淀后溶液的浊度不同，相对分子质量为1400万Da的PAM显示出较为优越的混凝效果。当PAM相对分子质量超过1400万Da后，其样品浊度并未降低，增加了SS之间的空间位阻。相比于未加磁粉的溶液，加磁粉后溶液浊度明显降低，当磁粉粒径＜80目（180μm）后，浊度反而出现略微增加，可选择80目（180μm）的磁粉用于后续混凝实验。随着磁粉质量的增加，浊度逐渐降低，有利于磁混凝沉淀过程的实现。
2.3.2 磁聚合硫酸铁混凝对废水中浊度去除效果
同样地，在聚合硫酸铁混凝体系中，对投加磁粉前后，相同静置时间下的废水浊度进行了对比。在添加磁粉后，体系中浊度明显降低。磁粉的添加提高了混凝剂和SS的重力沉降速度，加磁粉时，SS絮体矾花在磁粉作用下发生加速沉降。在浊度4500NTU时，在静置时间60min～90min，体系的浊度基本维持在1000NTU，而添加磁粉后，其浊度能够进一步降低至750NTU以下。同时，添加磁粉后，3种浊度废水均能在前40min达到基本沉降平衡，这说明在投加磁粉后可以缩短混凝沉降平衡的时间。
3、结论
相较于传统的混凝沉淀技术，磁混凝沉淀技术能够更快速有效地去除选矿废水中的SS，静置40min就能实现SS的去除。对比三种磁混凝体系，混凝剂PAC有更明显的效果，在磁PAC混凝体系中，SS去除率最高可达95%以上，高于PFS和PAS混凝体系中的SS去除率。（来源：西山煤电（集团）有限责任公司环保绿化分公司）
