摘要：研究了无机-有机絮凝剂协同处理高悬浮物矿井水的优化实验方法与机理。在单因素实验基础上，采用Box-Behnken实验设计结合响应曲面法，优化了搅拌速度、聚合氯化铝（PAC）用量和阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）用量。实验结果显示，在PAC用量200 mg/L、APAM用量2 mg/L、搅拌速度150 r/min条件下，矿井水浊度从384 NTU降低至4.53 NTU，浊度去除率达到98.82%，水质达到《城市污水再生利用工业用水水质》标准，证明了实验设计的科学性。协同机理分析表明，无机絮凝剂通过压缩双电层与吸附电中和作用实现颗粒脱稳，有机絮凝剂通过吸附架桥和网捕卷扫作用强化絮团形成。研究结果为矿井水处理的高效经济方案提供了理论依据。

　　关键词：高悬浮物矿井水；无机-有机絮凝剂；响应曲面法

　　0引言

　　高悬浮物矿井水因其浊度高、颗粒稳定性强，处理难度大，已成为煤矿废水资源化利用的主要障碍。现有单一絮凝剂技术对该类矿井水处理效果有限，且药剂用量大、成本高，不利于工业规模化推广。近年来，无机与有机絮凝剂协同处理技术因其显著的增效作用和较高的经济性受到广泛关注[1]。无机絮凝剂主要通过电中和和压缩双电层作用实现悬浮颗粒的初步脱稳，而有机絮凝剂通过吸附架桥和网捕卷扫作用进一步增强絮团稳定性和沉降性能。基于此，本研究采用Box-Behnken实验设计法，优化无机-有机絮凝剂协同处理的工艺参数，系统分析了主要影响因素及其交互作用，阐明协同处理的作用机理，为工业矿井水处理提供高效经济的技术支持。

　　1材料与方法

　　1.1研究对象

　　以某市某煤矿高悬浮物矿井水为研究对象，水质分析表明其特征具有高浊度、悬浮颗粒分布广泛以及成分复杂等特点。原水浊度值为384 NTU，显著高于《城市污水再生利用工业用水水质》（GB/T 19923—2005）标准中规定的上限5 NTU；悬浮固体浓度（SS）为494 mg/L，主要由微米级粉尘颗粒及矿物碎屑组成，成分稳定且沉降性差；总溶解性固体（TDS）浓度为351 mg/L，总硬度为90.4 mg/L；pH值为7.92，属中性水质。锰离子浓度为0.01 mg/L，远低于标准规定的限值（0.1 mg/L），表明水样中无显著金属污染问题。矿井水呈灰黑色，颗粒悬浮稳定且不易沉降，影响其工业回用价值。为提高矿井水的资源化利用效率，针对其高浊度及悬浮固体特性，结合无机絮凝剂和有机絮凝剂的协同作用，研究其在不同处理条件下的浊度去除效果及最佳实验参数，以实现矿井水处理后达到工业用水标准。

　　1.2实验设备与材料

　　实验设备包括：SGZ-400A型浊度计，上海仪电科学仪器股份有限公司，检测范围0~1000 NTU；GMY20-2型加药泵，蓝帆泵业有限公司，投加范围0.1~500 mL/min；85-2型恒温磁力搅拌器，常州国华电器有限公司，控温范围10~80℃,搅拌速度50~2 000 r/min；FA2004型电子分析天平，上海精科天平仪器有限公司，精度0.01 mg；TM-902C型高精度温度计，深圳市得益电子有限公司，用于监控水样温度；北京玻璃仪器厂生产的高硼硅烧杯（500 mL），耐高温和耐化学腐蚀性强。

　　实验材料包括：山东淄博天弘化工有限公司生产的聚合氯化铝（PAC，Al2O3质量分数≥29.5%）、河南万鑫化工有限公司生产的聚合硫酸铁（PFS，Fe2O3质量分数≥20%）、天津化学试剂研究所生产的三氯化铁（FeCl3，纯度≥99%）、山东鲁岳化工有限公司的阴离子型聚丙烯酰胺（APAM，相对分子质量1 600×104，水解度25%）及安徽惠盛化工有限公司的阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM，相对分子质量1 200×104，阳离子度20%）。实验用水为蒸馏水，电导率≤0.2μS/cm，用于药剂稀释及水样制备。

　　1.3实验方法

　　实验采用批量处理法，通过投加无机与有机絮凝剂对高悬浮物矿井水进行絮凝沉降处理。将200 mL矿井水原样置于500 mL高硼硅烧杯中，放置于恒温磁力搅拌器上，设置搅拌速度为600 r/min，搅拌30 s以均匀分散水样中的悬浮颗粒。随后按顺序投加无机絮凝剂和有机絮凝剂，分别搅拌1 min和3 min，以保证药剂与悬浮颗粒的充分混合[2]。投加药剂分别为聚合氯化铝（PAC，质量分数10%，用量范围50~300 mg/L）及阴离子型聚丙烯酰胺（APAM，浓度0.1%，用量范围0.5~5 mg/L），实验条件设置在20℃恒温下进行。混合完成后，静置沉降5 min，取上清液测定其浊度值（SGZ-400A浊度计，分辨率0.01 NTU）。通过计算公式（1）得到浊度去除率η:

　　式中：N0为原水浊度；N1为上清液浊度。采取单因素实验方法，考察无机絮凝剂与有机絮凝剂的投加量、温度以及搅拌速度等条件对于处理效果所产生的具体影响，进而找出对于浊度去除情况产生显著影响的因素。单因素实验后，采用Box-Behnken响应曲面设计法对实验条件进行优化，构建浊度响应回归模型并进行验证，以确定最佳絮凝条件。实验重复3次，以保证数据的可靠性[3]。

　　2结果与分析

　　2.1单因素实验结果分析

　　在既定条件下（搅拌速度150 r/min、20℃矿井水）下进行PAC、PFS和FeCl3三种无机絮凝剂的投加，考察不同投加量对矿井水处理效果的影响。实验结果显示，当投加量为200 mg/L时，上清液浊度最低，其中PAC处理后浊度为20.34 NTU，PFS处理后为27.16 NTU，FeCl3处理后为65.21 NTU。浊度去除率方面，PAC从61.56%增加到94.7%，PFS质量分数从55.73%增加到92.93%，FeCl3质量分数从46.05%增加到83.02%。当投加量超过200 mg/L后，浊度去除率增幅减缓甚至出现下降趋势，原因可能是絮凝剂过量导致胶体颗粒稳定性增强，絮团反而被破坏。分析表明，PAC在200 mg/L投加量时，脱稳胶体颗粒在短时间内形成了大颗粒的絮团，吸附电中和压缩双电层表现出了非常显著的作用，絮凝效果达到最佳，脱稳胶体颗粒也在短时间内形成了大颗粒絮团，沉降速度加快。相较于PFS和FeCl3，PAC表现出更高的絮凝效率和经济性，因此在后续实验中选择PAC作为无机絮凝剂的代表进行深入研究。具体实验结果如图1所示。

　　2.2响应曲面法优化及实验验证

　　基于单因素实验结果，选取搅拌速度、聚合氯化铝（PAC）用量和阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）用量为主要影响因素，采用Box-Behnken实验设计方法，而后使用Design-Expert 8.0软件，结合矿井水的具体处理条件，开展响应曲面优化分析。在参数选择上，自变量设置为：搅拌速度（100~200 r/min）；PAC用量（150~250 mg/L）；APAM用量（1~3 mg/L），响应值设置为浊度，以此生成17组实验方案，因子编码及水平如表1所示。

　　通过二次回归模型拟合实验数据，回归方程为

       式中：A、B、C分别为搅拌速度、PAC用量和APAM用量。模型的方差分析结果表明回归方程高度显著（模型F值=164，P<0.000 1），调整决定系数为Radj2=0.989 2，说明模型拟合度高，误差小，各因素对矿井水浊度的影响显著性顺序为：PAC用量的平方项（B2）>APAM用量的平方项（C2）>搅拌速度的平方项（A2）>PAC用量（B）>APAM用量（C）>搅拌速度（A）。

　　从表2当中的实验数据与结果来看，PAC用量与搅拌速度的交互作用对浊度去除的显著性最强，合理范围内的搅拌速度有助于增强絮凝剂分散效率，同时避免湍流破坏絮团结构；PAC与APAM用量的交互作用显著性高于其他因素，表明两者的协同增效作用是矿井水浊度去除的关键。PAC用量小于200 mg/L或APAM用量小于2 mg/L时絮凝剂不足，无法充分絮凝沉降悬浮物；而投加量过高会引起分散稳定作用，不利于絮凝效果的提升。因此，适当的搅拌速度、PAC和APAM投加量是优化矿井水处理效果的关键因素。

　　3结论

　　上述实验验证了无机-有机絮凝剂协同处理技术在高悬浮物矿井水处理中的高效性和适用性。优化条件下，PAC用量200 mg/L、APAM用量2 mg/L、搅拌速度150 r/min时，矿井水浊度由384 NTU降至4.53 NTU，浊度去除率达98.82%，满足工业用水标准。回归分析显示PAC用量的平方项影响权重最高（F=800.02，P<0.000 1），为控制系统性能的关键变量。无机絮凝剂通过压缩双电层和吸附电中和作用诱导颗粒脱稳，形成初步絮团；APAM通过架桥吸附和网捕卷扫作用增强絮团强度并加速沉降。当PAC用量不足或过量时，分别因絮凝剂反应不足和胶体再稳定效应降低处理效果；APAM用量超过临界值则因空间位阻效应干扰絮凝体形成。与单一絮凝剂相比，该技术显著减少药剂用量，降低絮凝体解聚风险，提高处理系统稳定性和经济性，为高悬浮物矿井水的高效处理提供了技术支持，并为类似复杂水质问题的优化处理提供了理论依据。

参考文献

　　[1]鲍洪舟，查振林，刘芳佞.新型有机絮凝剂处理磷酸铁母液试验研究[J].工业安全与环保，2024，50（6）：90-93.

　　[2]崔红梅，祝凤蕊，尹玲，等.无机-有机杂化高分子絮凝剂研究进展[J].应用化工，2023，52（5）：1546-1551.

　　[3]姜金国.高效有机絮凝剂合成机理及其水处理中的应用研究[J].山东化工，2023，52（14）：253-255.