煤礦酸性廢水是我國煤礦廢水污染中對生態環境破壞最大的污染源之一，其對煤礦的排水設施、鋼軌及其他機電設備均具有很強的腐蝕性，嚴重時危害礦工安全，影響井下采煤生產。若直接排放，將污染地表水和地下水資源及土地資源，危害農作物、水生生物和人類健康，還會使礦區地下水資源大面積疏干，造成地下水的浪費。綜上所述，煤礦酸性廢水因其量大、面廣、污染嚴重、治理程度低而成為制約煤礦可持續發展的一大障礙。
煤礦酸性廢水的形成過程非常復雜，是煤層中夾雜的硫鐵礦經過一系列氧化、水解等反應后生成的，是一系列物理、化學和生物過程相互作用的結果。其形成機制為：①在氧和水存在的條件下，煤層或巖層中硫鐵礦被氧化，生成硫酸和亞鐵離子；②在酸性條件下，亞鐵離子被進一步氧化為鐵離子；③由于鐵和錳離子的水解，增加了礦井水的酸度。
貴州省煤炭資源豐富，煤及煤化工是貴州的重要產業，但是在煤炭開采過程中對環境會產生較大的影響，特別是貴州省大量煤礦礦層含硫量較高，產生的煤礦廢水呈酸性，且鐵錳含量較高。目前，廣泛應用的處理方法主要為石灰中和沉淀法，處理過程中由于使用了PAC、PAM，使Al 3＋和PAM 單體殘留在水體中，排放到飲用水源地，對環境造成了二次污染。
高分子生物絮凝劑具有絮凝活性高、無毒無害、無二次污染、易生物降解、應用范圍廣等優點。研究采用威海漢邦生物環保科技有限公司利用生物酶法合成的多糖物質作為混凝劑，用以處理酸性煤礦廢水，并分析影響多糖微生物絮凝劑絮凝能力的因素，包括pH、絮凝劑加入量、曝氣強度、曝氣時間。同時研究多糖生物絮凝劑處理酸性煤礦廢水的系統集成，最大限度地提高混凝效果，以期為環保類混凝劑技術研究的推廣提供參考。
1 試驗材料和方法
1．1 試驗材料
儀器：ZR4—4混凝試驗攪拌機，增氧泵（山本8000），電感耦合等離子光譜發生儀（ICP-OES PE2100DV）。
藥品：多糖生物絮凝劑，工業用石灰，水樣：貴州某酸性礦井廢水，水體透明呈淡黃色，長時間暴露空氣中后呈紅褐色，其水質指標見表1。
1．2 試驗方法
鐵錳去除率的測定方法：向500mL燒杯中加入200mL待測水樣，調節pH，向水樣中滴加石灰乳直至水樣不再出現綠色，同時曝氣。加入多糖生物絮凝劑（15g／L，下同），用ZR4—4混凝試驗攪拌機以150r／min的轉速攪拌30s后，靜置1min，取水樣的上清液，用電感耦合等離子光譜發生儀測定其中的鐵和錳含量，其去除率（％）計算式分別見式（1）、式（2）。
鐵去除率＝［（AFe－BFe）／AFe］×100％（1）
AFe——原水水樣中的鐵含量，mg／L；
BFe——處理后上清液中的鐵含量，mg／L。
錳去除率＝［（AMn－BMn）／AMn］×100％（2）
AMn——原水水樣中的錳含量，mg／L；
BMn——處理后上清液中的錳含量，mg／L。
2 試驗結果與討論
2．1 pH 對鐵、錳去除率的影響
取200mL原水，向水樣中滴加石灰乳直至水樣不再出現綠色，繼續添加石灰乳，分別調節pH 為6、7、8、9、10、11、12，水氣比1∶15，曝氣10min后，加入0．4mL 15g／L多糖生物絮凝劑，以150r／min的轉速攪拌30s，靜置沉淀1min后取上清液測定金屬含量，并計算出鐵、錳的去除率，相關試驗結果見圖1。
由圖1可知，pH 對鐵、錳去除率有較大影響，隨著pH 的升高，鐵、錳去除率逐漸增大，這是由于pH 的增高促進了氫氧化鐵、氫氧化錳沉淀的生成及絮凝劑分子鏈上－OH 和－COO－的水解，使分子鏈伸展，并通過改變絮凝劑分子和膠體顆粒的表面電荷，從而有效的對氫氧化鐵、氫氧化錳顆粒進行吸附架橋。當pH 達到8時，鐵的去除率達到最大，為99．99％，此時錳的去除率為87．65％。可能由于氫氧化錳的溶度積較氫氧化鐵的大，錳的去除率在pH 為9時達到最大，為99．01％。當pH 高于9時，鐵去除率開始下降。由于該廢水原水pH分別為3．1，需投加堿調節pH，且pH分別為9、10時錳去除率均為99％，低于《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中錳含量小于0．1mg／L的標準，考慮到廢水處理成本問題，確定最佳的pH為9，此時石灰添加量為0．6g，即單位廢水添加量為3kg／m3。
2．2 多糖生物絮凝劑投加量對鐵、錳去除率的影響
取200mL水樣，調節pH 為9，氣水比1∶15的條件下曝氣10 min 后，分別加入0．1 mL、0．2mL、0．3mL、0．4mL、0．5mL、0．6mL多糖生物絮凝劑，廢水中生物絮凝劑的相應濃度為7．5mg／L、15mg／L、22．5mg／L、30mg／L、37．5mg／L、45mg／L，以150r／min的轉速攪拌30s，靜置沉淀1min后取上清液測定金屬含量，并計算相關試驗結果，見圖2。
由圖2可知，隨著絮凝劑投加量的增加，鐵、錳去除率逐漸增加。多糖生物絮凝劑對該廢水中鐵、錳的去除效果極佳，極低的用量就可使鐵濃度降至0．03mg／L以下，去除率高達99．9％，錳濃度降至0．1mg／L以下，去除率高達99％。在該試驗條件下，當絮凝劑投加量為0．3mL時鐵去除效果最好，上清液中剩余鐵含量為0．023mg／L，去除率高于99．99％。當投加量高于此值時，去除率有所下降。錳殘留量在投加量為0．4mL時達到最低值，而后隨多糖生物絮凝劑的投加量增加，上清液中錳殘留量開始增多。產生這種現象的原因主要為：當絮凝劑投加量較小時，可以用于顆粒間架橋的高分子數目過少，顆粒物未充分脫穩；隨著投加量的增加，可用于架橋的高分子數增加，脫穩效果增給水排水 Vol．39 增刊 2013 3 29強；而當投加量過多時，由于膠體顆粒被絮凝劑包圍，阻礙了顆粒繼續絮凝而導致的再穩現象。因此，錳對環境影響較鐵大，綜合考慮鐵去除率、錳去除率和對環境的影響，確定絮凝劑最佳投加量為0．4mL，即30mg／L，單位廢水多糖生物絮凝劑投加量為30g。
2．3 氣水比對鐵、錳去除率的影響
取200mL水樣，調節pH為9，分別在氣水比分別為1∶5、1∶8、1∶10、1∶15、1∶20條件下曝氣10min，加入0．4mL多糖生物絮凝劑，以150r／min的轉速攪拌30s，靜置沉淀1min后取上清液測定鐵、錳含量，相關試驗結果見圖3。
由圖3可知，在上述試驗條件下，增大氣水比可以提高金屬去除率。氣水比對鐵的去除影響大于對錳去除率的影響。當氣水比為1∶10時，鐵去除率高于99．99％，錳去除率為98．91％，此時上清液中殘留鐵含量為0．022mg／L，錳含量為0．905mg／L，均已達到出水標準。之后隨氣水比的增大去除率保持穩定。當氣水比大于1∶15時，隨著氣水比的增加，兩種離子的去除率均出現了下降。氣水比對鐵的去除有很大影響是由于原水中的鐵主要以二價鐵的形式存在，曝氣可促進將二價鐵的羥基絡合物氧化為三價鐵的羥基絡合物，三價鐵的羥基絡合物可不斷形成多核絡合物，直至形成穩定的氫氧化鐵。隨著氣水比的增加，水中溶解氧含量增加，所形成的穩定的氫氧化鐵的量增加，有利于鐵與絮凝劑發生架橋作用從而從水中去除。曝氣同時對絮體有一定的攪拌作用，隨著氣水比的增加，攪拌強度增加。初步判定氣水比1∶15之后去除率的下降是由攪拌過度阻礙了大顆粒的形成，不利于與絮凝劑發生架橋作用。綜合考慮曝氣成本和去除率，確定最佳氣水比為1∶10。
2．4 曝氣時間對鐵、錳去除率的影響
取200mL原水水樣，加石灰乳，調節pH 至9，氣水比為1∶10，分別設曝氣時間2min、5min、10min、15min、20min，曝氣結束后加入0．4mL微生物絮凝劑，以150r／min的轉速攪拌30s，靜置沉淀1min后取上清液測定鐵、錳含量，計算去除率，相關結果見圖4。
由圖4可知，在上述試驗條件下，延長曝氣時間可以提高鐵、錳去除率。曝氣時間對鐵去除率的影響大于對錳去除率的影響。當曝氣時間為10min時，上清液中鐵含量為0．023 mg／L，錳含量為0．087mg／L。當曝氣時間大于10min時，隨著曝氣時間的增加，鐵的去除率有略微的下降，錳的去除率不變。曝氣時間影響水中氧含量，從而影響廢水中還原態金屬離子的羥基絡合物向氧化態金屬離子的羥基絡合物轉化，進而影響鐵錳的去除率。其原理與曝氣強度對鐵錳去除率的影響基本相同。綜合考慮曝氣成本和去除率，確定最佳曝氣時間為10min。具體參見http://www.xhxdt.com更多相關技術文檔。
3 總結
本文通過研究由多糖生物絮凝劑對貴州某酸性煤礦廢水中鐵、錳的去除，得出以下結論：
（1）多糖生物混凝劑具有較高效率，短時間內即可取得顯著地去除效果，還可解決傳統的無機和有機絮凝劑產生的二次污染的問題。其應用范圍廣，在堿性范圍內均有較強的絮凝能力。將其應用于酸性煤礦廢水，對鐵錳均有很好的去除效果。
（2）在pH為9，生物絮凝劑投加量為30mg／L，以1∶10的氣水比曝氣10min，沉降時間為1min的條件下，鐵離子去除率即可高達99．99％，錳離子去除率高達99％，出水中殘留鐵錳含量遠低于《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）標準。
