安徽某大型礦山砂石骨料沖洗廢水絮凝沉降特性研究

張康財 周 浩 李 杰 李昭旺 何 湛

（1.中電建安徽長九新材料股份有限公司；2.長沙礦山研究院有限責任公司）

隨著我國基礎建設的日益發展和環境保護治理力度不斷加強，我國半數地區已出現了可采天然砂石資源逐步減少，甚至無資源可采的狀況，天然砂資源日趨匱乏。所以，砂石行業將目光投向了機制砂，機制砂的生產與應用得到了飛速發展［1-4］。安徽某大型砂石骨料礦山是第一批建成的濕法制砂礦山，生產時產生了大量含高濃度固體懸浮物的廢水［5］，由于砂石加工系統毗鄰長江河道，需要采取合理的廢水處理工藝，確保廢水處理可靠、高效。對于超細尾泥的處理，往往需要通過添加絮凝劑的方法來提高尾泥的處理效率，維持礦山的正常生產秩序［6］。郭佳賓等［7-8］發現絮凝劑種類及其分子量對尾泥絮凝沉降效果具有顯著影響，正確選用絮凝劑，既可加快尾泥沉降，又能降低礦山運營成本。

本研究以安徽某大型砂石骨料礦山沖洗廢水為對象，采用不同類型的絮凝劑研究絮凝劑對該超細尾泥絮凝沉降及濃密效果的影響。通過澄清水SS、尾泥最大沉降速度、沉降層濃度及濾餅含水率確定絮凝沉降及濃密性能的優劣性，得出絮凝劑選用規律，以提高絮凝劑在該超細尾泥絮凝沉降及濃密過程中的應用效果。

1 試驗原料

1.1 尾泥化學成分分析

絮凝沉降試驗用廢水取自安徽某大型砂石骨料礦山，廢水質量濃度7.2%，pH 值7.3，使用X射線熒光光譜儀對其進行分析，結果見表1。

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由表1 可知，該廢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 尾泥粒度組成分析

尾泥的粒級分布情況見表2。

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由表2 可知，尾泥中+37 μm 粒級含量為0，-25μm 粒級占86.57%，其中-23 μm 粒級占64.69%，屬超細粒尾泥。因此，尾泥僅靠重力沉降速度較慢，且澄清層水較渾濁，為提高尾泥處理效率，需添加絮凝劑，加速尾泥絮凝沉降。

1.3 尾泥礦物組成

對該廢水中的尾泥進行礦物組成分析，結果見表3。

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由表3 可知，該尾泥的主要成分為方解石，含有少量白云石、泥鐵質礦物和微量石英。

2 試驗結果與討論

2.1 絮凝劑選型試驗

該礦山排放的砂石骨料沖洗廢水質量濃度處于波動狀態，經現場取樣測試，沖洗廢水的質量濃度為3%～10%，質量濃度平均值為8%。結合現場實際生產情況，在沖洗廢水濃度8%、絮凝劑用量70 g/t、絮凝劑配置濃度1‰、沉降層壓濾為泥餅時壓強0.8 MPa、壓濾時間5 min 的條件下，進行絮凝劑選型試驗，尾泥絮凝沉降曲線見圖1，絮凝劑種類選型試驗結果見表4。

由圖1、表4 可知，3 種類型的絮凝劑都可使廢水中尾泥絮凝加速沉降，其中陰離子聚丙烯酰胺的沉降速度最快，沉降層濃度最高，濾餅含水率最低，因此處理該廢水最佳絮凝劑類型為陰離子聚丙烯酰胺。

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2.2 尾泥絮凝沉降試驗及相關參數優化

2.2.1 尾泥絮凝沉降正交試驗

根據礦山現場廢水處理情況，以尾泥進料濃度、絮凝劑分子量、絮凝劑單耗為考察因素（依次為因素A、B、C），進行3 因素4 水平正交試驗［9-10］。計算沉降曲線出現拐點之前的沉降速度為尾泥沉降過程中的最大沉降速度，與澄清層水SS、沉降層濃度和濾餅含水率等試驗結果共同作為絮凝劑選用標準。試驗因素水平安排見表5，試驗結果見表6。此外增加尾泥進料濃度分別為4%，6%，8%，10%濃度下的自然沉降試驗作為絮凝沉降的對照組，自然沉降對照組試驗結果見表7。

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2.2.2 尾泥絮凝沉降正交試驗因素分析

由于尾泥進料濃度不同，澄清層界面最終位置不同，為了更加直觀地分析單因素對尾泥絮凝沉降的影響，對相同尾泥進料濃度下澄清層界面位置隨沉降時間的變化進行分類對比，尾泥絮凝沉降曲線見圖2。

由圖2 可見，尾泥進料濃度升高，澄清層界面的最終位置降低，這是因為隨著尾泥濃度的升高，泥土顆粒間的干涉沉降影響加劇，對尾泥的自然沉降和添加絮凝劑后尾泥的絮凝沉降有較大的阻礙作用。添加的絮凝劑分子量大于1 600 萬時，相同濃度的尾泥絮凝沉降后澄清層界面的最終位置基本不變。在4 種分子量中，分子量大于1 600 萬的絮凝劑對該尾泥的絮凝沉降效果最佳，尾泥的沉降速度明顯快于添加絮凝劑分子量小于1 600 萬的尾泥沉降速度。

2.2.3 方差分析

使用SPSS軟件對上述試驗結果進行方差分析，3個因素的主體間效應檢驗見表8。

注：a、b、c、d代表R2，R指相關系數，是衡量2個變量之間相關程度的系數，判定變量之間線性相關性的一個相對指標；a處R2=0.940（調整后R2=0.851），b處R2=0.914（調整后R2=0.784），c處R2=0.0728（調整后R2=0.321），d處R2=0.880（調整后R2=0.699）；F值是F檢驗統計量，是組間和組內的離差平方和與自由度值的比值，顯著性就是與F統計量對應的顯著性水平。

由表8 可知，對于澄清層水SS 指標，尾泥進料濃度、絮凝劑分子量及絮凝劑單耗3個因素的顯著值分別為0.129，0.007，0.002，其中絮凝劑分子量和絮凝劑單耗的顯著性p＜0.05，因此3 個因素對澄清層水SS的影響順序為絮凝劑單耗＞絮凝劑分子量＞尾砂進料濃度，絮凝劑分子量對澄清層水SS 影響最大。對于最大沉降速度指標，尾泥進料濃度、絮凝劑分子量及絮凝劑單耗3個因素的顯著值分別為0.018，0.011，0.070，其中尾泥進料濃度和絮凝劑分子量的顯著性p＜0.05，故3 個因素對最大沉降速度的影響順序為絮凝劑分子量＞尾泥進料濃度＞絮凝劑單耗，絮凝劑分子量對最大沉降速度影響最顯著。對于沉降層濃度指標，尾泥進料濃度、絮凝劑分子量及絮凝劑單耗3 個因素的顯著值分別為0.256，0.111，0.691，因此3個因素對沉降層濃度的影響順序為絮凝劑分子量＞尾泥進料濃度＞絮凝劑單耗，絮凝劑分子量對沉降層濃度影響最大。對于濾餅含水率指標，尾泥進料濃度、絮凝劑分子量及絮凝劑單耗3個因素的顯著值分別為0.373，0.075，0.011，其中絮凝劑單耗的顯著性p＜0.05，因此3個因素對濾餅含水率的影響順序為絮凝劑單耗＞絮凝劑分子量＞尾泥進料濃度，絮凝劑單耗對濾餅含水率影響最大。

尾泥進料濃度、絮凝劑分子量及絮凝劑單耗3個單因素對澄清層水SS、最大沉降速度、沉降層濃度和濾餅含水率的影響結果見表9～表11。

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由表9～表11 可知，對于尾泥進料濃度，濃度為4%的尾泥進料濃度對最大沉降速度和沉降層濃度影響最大。對于絮凝劑分子量，其分子量為1 600 萬對澄清水SS和沉降層濃度影響最顯著。對于絮凝劑單耗，單耗為60 g/t 時，對沉降層濃度影響最顯著。因此，綜合考慮各項指標，該廢水中的尾泥絮凝沉降最佳條件為尾泥進料濃度4%，絮凝劑分子量1 600 萬，絮凝劑單耗60 g/t。

2.3 現場工業試驗

礦山現場廢水處理系統設有4 座輻流沉淀池，單池直徑34 m，中心深9.5 m，設計尾泥水處理能力2 500 m3/h，壓濾設備為12 臺HMZG800/2000-UI 高效隔膜壓濾機。2023 年6 月16 日—28 日使用分子量1 600 萬陰離子聚丙烯酰胺絮凝劑進行工業試驗，試驗結果見表12。

由表12可知，該尾泥的進料濃度波動較大，隨著尾泥進料濃度的增大，溢流水SS有升高趨勢，而尾泥進料濃度對濾餅含水率和沉淀池底流濃度影響較小。藥劑單耗對溢流水SS 和濾餅含水率影響較大，隨著藥劑單耗的增加，溢流水SS下降，濾餅含水率升高。因輻流式沉淀池設計為露天式，天氣狀況會對溢流水SS產生一定影響，2023 年6月24—28日，使用1 600 萬分子量的陰離子聚丙烯酰胺，在其用量60 g/t、尾泥進料平均濃度7.2%時，溢流水平均SS 為69.94 mg/L，濾餅平均含水率為17.89%，底流平均濃度為49.7%，試驗結果滿足溢流水SS小于100 mg/L 和濾餅含水率18%左右的工業生產要求。

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3 結 論

（1）某大型礦山砂石骨料沖洗廢水尾泥中的-37 μm 粒級占比達100%，屬超細尾泥，尾泥自然沉降速度慢，澄清水渾濁，沉降層濃度低，使用陰離子聚丙烯酰胺對該尾泥的絮凝沉降效果要優于非離子性聚丙烯酰胺和陽離子性聚丙烯酰胺。

（2）絮凝沉降正交試驗結果表明，對澄清層水SS影響最大的是絮凝劑分子量和絮凝劑單耗，對最大沉降速度影響最大的是絮凝劑分子量和尾泥進料濃度，對沉降層濃度影響最大的是絮凝劑分子量，對濾餅含水率影響最大的是絮凝劑單耗。在尾泥進料濃度4%、絮凝劑分子量1 600 萬、絮凝劑單耗60 g/t 的條件下，尾泥的絮凝沉降效果最佳。

（3）使用1 600 萬分子量的陰離子聚丙烯酰胺，在其用量60 g/t、尾泥進料平均濃度7.2%時，溢流水平均SS 為69.94 mg/L，濾餅平均含水率為17.89%，底流平均濃度為49.7%，試驗結果滿足溢流水SS 小于100 mg/L 和濾餅含水率約18%的工業生產要求。該研究可為絮凝劑在其他砂石骨料礦山廢水處理系統的工業應用提供經驗借鑒。