安徽某大型矿山砂石骨料冲洗废水絮凝沉降特性研究

张康财 周 浩 李 杰 李昭旺 何 湛

（1.中电建安徽长九新材料股份有限公司；2.长沙矿山研究院有限责任公司）

随着我国基础建设的日益发展和环境保护治理力度不断加强，我国半数地区已出现了可采天然砂石资源逐步减少，甚至无资源可采的状况，天然砂资源日趋匮乏。所以，砂石行业将目光投向了机制砂，机制砂的生产与应用得到了飞速发展［1-4］。安徽某大型砂石骨料矿山是第一批建成的湿法制砂矿山，生产时产生了大量含高浓度固体悬浮物的废水［5］，由于砂石加工系统毗邻长江河道，需要采取合理的废水处理工艺，确保废水处理可靠、高效。对于超细尾泥的处理，往往需要通过添加絮凝剂的方法来提高尾泥的处理效率，维持矿山的正常生产秩序［6］。郭佳宾等［7-8］发现絮凝剂种类及其分子量对尾泥絮凝沉降效果具有显著影响，正确选用絮凝剂，既可加快尾泥沉降，又能降低矿山运营成本。

本研究以安徽某大型砂石骨料矿山冲洗废水为对象，采用不同类型的絮凝剂研究絮凝剂对该超细尾泥絮凝沉降及浓密效果的影响。通过澄清水SS、尾泥最大沉降速度、沉降层浓度及滤饼含水率确定絮凝沉降及浓密性能的优劣性，得出絮凝剂选用规律，以提高絮凝剂在该超细尾泥絮凝沉降及浓密过程中的应用效果。

1 试验原料

1.1 尾泥化学成分分析

絮凝沉降试验用废水取自安徽某大型砂石骨料矿山，废水质量浓度7.2%，pH 值7.3，使用X射线荧光光谱仪对其进行分析，结果见表1。

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由表1 可知，该废水中的尾泥主要成分是CaO，含量52.73%，其次是SiO2，含量2.55%，含有少量MgO、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O。

1.2 尾泥粒度组成分析

尾泥的粒级分布情况见表2。

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由表2 可知，尾泥中+37 μm 粒级含量为0，-25µm 粒级占86.57%，其中-23 μm 粒级占64.69%，属超细粒尾泥。因此，尾泥仅靠重力沉降速度较慢，且澄清层水较浑浊，为提高尾泥处理效率，需添加絮凝剂，加速尾泥絮凝沉降。

1.3 尾泥矿物组成

对该废水中的尾泥进行矿物组成分析，结果见表3。

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由表3 可知，该尾泥的主要成分为方解石，含有少量白云石、泥铁质矿物和微量石英。

2 试验结果与讨论

2.1 絮凝剂选型试验

该矿山排放的砂石骨料冲洗废水质量浓度处于波动状态，经现场取样测试，冲洗废水的质量浓度为3%～10%，质量浓度平均值为8%。结合现场实际生产情况，在冲洗废水浓度8%、絮凝剂用量70 g/t、絮凝剂配置浓度1‰、沉降层压滤为泥饼时压强0.8 MPa、压滤时间5 min 的条件下，进行絮凝剂选型试验，尾泥絮凝沉降曲线见图1，絮凝剂种类选型试验结果见表4。

由图1、表4 可知，3 种类型的絮凝剂都可使废水中尾泥絮凝加速沉降，其中阴离子聚丙烯酰胺的沉降速度最快，沉降层浓度最高，滤饼含水率最低，因此处理该废水最佳絮凝剂类型为阴离子聚丙烯酰胺。

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2.2 尾泥絮凝沉降试验及相关参数优化

2.2.1 尾泥絮凝沉降正交试验

根据矿山现场废水处理情况，以尾泥进料浓度、絮凝剂分子量、絮凝剂单耗为考察因素（依次为因素A、B、C），进行3 因素4 水平正交试验［9-10］。计算沉降曲线出现拐点之前的沉降速度为尾泥沉降过程中的最大沉降速度，与澄清层水SS、沉降层浓度和滤饼含水率等试验结果共同作为絮凝剂选用标准。试验因素水平安排见表5，试验结果见表6。此外增加尾泥进料浓度分别为4%，6%，8%，10%浓度下的自然沉降试验作为絮凝沉降的对照组，自然沉降对照组试验结果见表7。

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2.2.2 尾泥絮凝沉降正交试验因素分析

由于尾泥进料浓度不同，澄清层界面最终位置不同，为了更加直观地分析单因素对尾泥絮凝沉降的影响，对相同尾泥进料浓度下澄清层界面位置随沉降时间的变化进行分类对比，尾泥絮凝沉降曲线见图2。

由图2 可见，尾泥进料浓度升高，澄清层界面的最终位置降低，这是因为随着尾泥浓度的升高，泥土颗粒间的干涉沉降影响加剧，对尾泥的自然沉降和添加絮凝剂后尾泥的絮凝沉降有较大的阻碍作用。添加的絮凝剂分子量大于1 600 万时，相同浓度的尾泥絮凝沉降后澄清层界面的最终位置基本不变。在4 种分子量中，分子量大于1 600 万的絮凝剂对该尾泥的絮凝沉降效果最佳，尾泥的沉降速度明显快于添加絮凝剂分子量小于1 600 万的尾泥沉降速度。

2.2.3 方差分析

使用SPSS软件对上述试验结果进行方差分析，3个因素的主体间效应检验见表8。

注：a、b、c、d代表R2，R指相关系数，是衡量2个变量之间相关程度的系数，判定变量之间线性相关性的一个相对指标；a处R2=0.940（调整后R2=0.851），b处R2=0.914（调整后R2=0.784），c处R2=0.0728（调整后R2=0.321），d处R2=0.880（调整后R2=0.699）；F值是F检验统计量，是组间和组内的离差平方和与自由度值的比值，显著性就是与F统计量对应的显著性水平。

由表8 可知，对于澄清层水SS 指标，尾泥进料浓度、絮凝剂分子量及絮凝剂单耗3个因素的显著值分别为0.129，0.007，0.002，其中絮凝剂分子量和絮凝剂单耗的显著性p＜0.05，因此3 个因素对澄清层水SS的影响顺序为絮凝剂单耗＞絮凝剂分子量＞尾砂进料浓度，絮凝剂分子量对澄清层水SS 影响最大。对于最大沉降速度指标，尾泥进料浓度、絮凝剂分子量及絮凝剂单耗3个因素的显著值分别为0.018，0.011，0.070，其中尾泥进料浓度和絮凝剂分子量的显著性p＜0.05，故3 个因素对最大沉降速度的影响顺序为絮凝剂分子量＞尾泥进料浓度＞絮凝剂单耗，絮凝剂分子量对最大沉降速度影响最显著。对于沉降层浓度指标，尾泥进料浓度、絮凝剂分子量及絮凝剂单耗3 个因素的显著值分别为0.256，0.111，0.691，因此3个因素对沉降层浓度的影响顺序为絮凝剂分子量＞尾泥进料浓度＞絮凝剂单耗，絮凝剂分子量对沉降层浓度影响最大。对于滤饼含水率指标，尾泥进料浓度、絮凝剂分子量及絮凝剂单耗3个因素的显著值分别为0.373，0.075，0.011，其中絮凝剂单耗的显著性p＜0.05，因此3个因素对滤饼含水率的影响顺序为絮凝剂单耗＞絮凝剂分子量＞尾泥进料浓度，絮凝剂单耗对滤饼含水率影响最大。

尾泥进料浓度、絮凝剂分子量及絮凝剂单耗3个单因素对澄清层水SS、最大沉降速度、沉降层浓度和滤饼含水率的影响结果见表9～表11。

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由表9～表11 可知，对于尾泥进料浓度，浓度为4%的尾泥进料浓度对最大沉降速度和沉降层浓度影响最大。对于絮凝剂分子量，其分子量为1 600 万对澄清水SS和沉降层浓度影响最显著。对于絮凝剂单耗，单耗为60 g/t 时，对沉降层浓度影响最显著。因此，综合考虑各项指标，该废水中的尾泥絮凝沉降最佳条件为尾泥进料浓度4%，絮凝剂分子量1 600 万，絮凝剂单耗60 g/t。

2.3 现场工业试验

矿山现场废水处理系统设有4 座辐流沉淀池，单池直径34 m，中心深9.5 m，设计尾泥水处理能力2 500 m3/h，压滤设备为12 台HMZG800/2000-UI 高效隔膜压滤机。2023 年6 月16 日—28 日使用分子量1 600 万阴离子聚丙烯酰胺絮凝剂进行工业试验，试验结果见表12。

由表12可知，该尾泥的进料浓度波动较大，随着尾泥进料浓度的增大，溢流水SS有升高趋势，而尾泥进料浓度对滤饼含水率和沉淀池底流浓度影响较小。药剂单耗对溢流水SS 和滤饼含水率影响较大，随着药剂单耗的增加，溢流水SS下降，滤饼含水率升高。因辐流式沉淀池设计为露天式，天气状况会对溢流水SS产生一定影响，2023 年6月24—28日，使用1 600 万分子量的阴离子聚丙烯酰胺，在其用量60 g/t、尾泥进料平均浓度7.2%时，溢流水平均SS 为69.94 mg/L，滤饼平均含水率为17.89%，底流平均浓度为49.7%，试验结果满足溢流水SS小于100 mg/L 和滤饼含水率18%左右的工业生产要求。

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3 结 论

（1）某大型矿山砂石骨料冲洗废水尾泥中的-37 μm 粒级占比达100%，属超细尾泥，尾泥自然沉降速度慢，澄清水浑浊，沉降层浓度低，使用阴离子聚丙烯酰胺对该尾泥的絮凝沉降效果要优于非离子性聚丙烯酰胺和阳离子性聚丙烯酰胺。

（2）絮凝沉降正交试验结果表明，对澄清层水SS影响最大的是絮凝剂分子量和絮凝剂单耗，对最大沉降速度影响最大的是絮凝剂分子量和尾泥进料浓度，对沉降层浓度影响最大的是絮凝剂分子量，对滤饼含水率影响最大的是絮凝剂单耗。在尾泥进料浓度4%、絮凝剂分子量1 600 万、絮凝剂单耗60 g/t 的条件下，尾泥的絮凝沉降效果最佳。

（3）使用1 600 万分子量的阴离子聚丙烯酰胺，在其用量60 g/t、尾泥进料平均浓度7.2%时，溢流水平均SS 为69.94 mg/L，滤饼平均含水率为17.89%，底流平均浓度为49.7%，试验结果满足溢流水SS 小于100 mg/L 和滤饼含水率约18%的工业生产要求。该研究可为絮凝剂在其他砂石骨料矿山废水处理系统的工业应用提供经验借鉴。