摘要：針對我國當前礦井水凈化處理現狀，指出了礦井水混凝處理過程中存在的主要問題，闡述了傳統絮凝劑聚合氯化鋁的不足之處。根據對聚合氯化鋁鐵性能、特點以及經濟性等方面的詳細論述，分析了聚合氯化鋁鐵在礦井水混凝處理中的優勢及應用前景，并對聚合氯化鋁鐵今后在礦井水處理應用中的發展方向提出了建議。
我國是一個水資源短缺的國家，但同時礦井水資源卻十分豐富，截止2010年，全國礦井水排放量約為61億m3，位居世界前列。礦井水是煤炭在開采過程中，地下水和少量地表滲水受井下生產活動影響所排出的一種廢水，水中常含有一些煤粉、巖粉等固體懸浮物及少量油類物質，感官性能差，若直接排放會給礦區周邊的水環境造成污染，但經過凈化處理后便可用作井下生產、煤炭加工以及礦區生活等用水，能夠有效的緩解礦區水資源不足，改善礦區環境及礦鄰關系，社會、環境及經濟效益突出。
長期以來，我國對礦井水的資源化利用十分重視，國家發展改革委員會在十二五《礦井水利用發展規劃》中曾明確提出：到2015年，全國煤礦礦井水排放量達71億m3，利用量54億m3，利用率提高到75%，新增礦井水利用量18億m3，加上非煤礦山新增礦井水利用量約5億m3，全國新增礦井水利用量約23億m3。因此，選擇混凝劑來提高礦井水凈化處理工藝中核心的混凝處理效果，進一步優化礦井水處理后的出水水質，便能拓展礦井水的復用途徑，提高礦井水整體利用率，具有十分重要的意義。
聚合氯化鋁鐵（PAFC）是近年來新型研制出的一種無機高分子復合絮凝劑。它以分子鏈為基本結構，具有多種聚合態，其化學通式為：[Al2(OH)nCl6-n]m·[Fe2(OH)nCl6-n]m（式中：n≤5，m≤10），是依據協同增效原理，通過加入PAFC單質鐵離子或三氧化鐵和其它含鐵化合物復合制得。由于PAFC集鋁鹽和鐵鹽各自的優點，既擁有了鋁鹽絮凝劑礬花大、水處理面寬、腐蝕性小等優點，又具備鐵鹽絮凝劑沉速快、易分離、低溫水處理效果好等優異性能。目前PAFC已廣泛應用于飲用水、工業用水及多種工業廢水的處理，并取得了顯著的應用效果。
1、礦井水混凝處理存在問題
我國礦井水的混凝處理技術起步于上世紀70年代，當時的礦井水處理工作還處于為排放而治理的階段，大部分礦井水只是經過簡單的自然沉淀便直接排放，礦井水處理技術相對比較粗放和落后。進入上世紀90年代后，國內一些礦山企業和相關科硏院所，如中國煤炭科工集團杭州研究院和中國礦業大學（北京）水污染控制工程研究所等單位經過多年的研究，成功研發、推廣了一系列礦井水凈化處理技術，取得了很多成功經驗，較大程度地提高了我國礦井水資源化利用水平。但隨著煤炭工業現代化建設的發展，煤礦企業對分質供水水質要求越來越高，因此，進一步提高礦井水凈化處理技術，提高礦井水凈化后的出水水質及穩定性就顯得十分必要。
混凝是礦井水凈化處理技術中重要一個環節，直接影響著礦井水凈化處理的出水效果。目前，我國礦井水在混凝處理領域中主要存在以下問題：
（1）礦井水中的懸浮固體顆粒小，比重輕，致使礦井水在混凝過程中絮凝沉降速度慢。
（2）礦井水中的懸浮固體含量高，懸浮物含量不穩定，使混凝處理構筑物沖擊負荷變大。
（3）我國煤礦多位于北方地區，礦井水混凝構筑物又多處于室外，低溫的影響使礦井水混凝效果變差。
（4）礦井水中含有很多油類物質和少量有機物質，尤其在煤礦井下工作面設備檢修及搬遷時，礦井水的機油和乳化油含量更高，嚴重影響了混凝的處理效果。
（5）絮凝劑投加控制技術、設備不能有效的匹配礦井水水質和水量的波動。
2、聚合氯化鋁處理礦井水的不足
我國礦井水凈化處理目前絕大多數都采用聚合氯化鋁（PAC）作為絮凝劑。PAC是一種比較成熟的無機高分子絮凝劑，因其貨源廣泛、價格適中、使用條件廣、絮凝效果好等優點，受到水處理領域的一致認可，已在國內飲用水、工業廢水等領域取得廣泛的應用。礦井水凈化處理中，由于礦井水特殊的行業特征，PAC在實際應用中盡管取得了很好的處理效果，但仍有一些不足之處。
首先，由于礦井水中所含懸浮固體細小且輕，使礦井水中的懸浮顆粒和膠體絮凝程度很難沉降，并需要較長的絮凝時間和大量電解質聚合氯化鋁，即使配合一些高分子助凝劑使用，電解質PAC投加量仍然很大。筆者通過在淮南礦區的14座礦井水處理設施中調查發現，淮南礦區礦井水的進水濁度在50-3000NTU之間，平均值約為600NTU，而絮凝劑PAC的投加量平均達到了200mg/L，投加量遠遠超過了其它行業水處理混凝中PAC的投加量。
其次，礦井水中大量的懸浮物和較高的絮凝劑投加量使礦井水處理系統中的絮凝劑制備和投加系統、煤泥水排放系統和煤泥水脫水系統運行負荷變大，給礦井水處理系統的日常運行管理和操作帶來諸多難題和挑戰。
此外，PAC對礦井水中常見的一些油類和有機物質沒有很好的去除效果，需另外單獨考慮礦井水中油類和有機物質去除的設施和設備，進一步增加了礦井水處理設施的建設成本和管理難度。
3、聚合氯化鋁鐵的優勢及技術經濟分析
3.1 聚合氯化鋁鐵在礦井水混凝處理中的優勢
與礦井水凈化處理中應用較多的傳統絮凝劑PAC相比，PAFC具有以下優點：
3.1.1 混凝效果好，投加量少
聚合氯化鋁鐵本身就是Al3+、Fe3+的預水介產物，除能生成一般鐵、鋁鹽在水解過程中生成的簡單低價水解羥基離子外，還能生成大量的高價聚羥基陽離子，中和水中膠體微粒電荷和壓縮雙電層，同時還發生羥基架橋、交聯、表面吸附等一系列反應，在相互碰撞情況下形成了大的礬花。同時，聚合氯化鋁鐵中10%-20%左右含量的鐵能使礦井水在混凝過程中形成的礬花密實度大，沉速更快。
表1為淮南礦業（集團）有限責任公司顧橋煤礦礦井水處理站現場混凝試驗篩選出的較佳絮凝劑投加量統計分析表。從表1中可以看出，PAFC用75%-80%PAC的投加量卻達到了更好的脫濁效果。
表1 絮凝試驗混凝劑較佳用量分析統計
| 絮凝劑種類 | 較佳用量（mg/L） | 出水濁度（NTU） | 煤泥含水率/% |
| PAC | 250 | 5.8 | 95.8 |
| PAC+PAM | 200±1.0 | 3.1 | 95.2 |
| PAFC | 200 | 4.9 | 92.1 |
| PAFC+PAM | 150±0.5 | 2.5 | 91.0 |
3.1.2 減輕了投藥和煤泥水脫水系統負荷
從表1中得知，經過15min沉淀后，PAFC混凝形成的煤泥水含水率較低，因而能夠使煤泥水濃縮和脫水系統的工作效率得到進一步的提高。此外，由于PAFC混凝效果要比PAC好，可有效的減輕礦井水凈化處理中絮凝劑的溶液配置和投加系統的運轉負荷，同時還降低了操作人員的勞動強度。
3.1.3 低溫時混凝處理效果好
冬季礦井水絮凝構筑物進水水溫低時，水的粘度變大而使沉速減小，加之低溫時氣體的溶解度大，使形成的絮凝體密度降低，溶解性氣體大量吸附在絮凝體周圍，不利于沉淀，而PAFC具備鐵鹽絮凝劑的特性，就能夠很好的解決絮凝體密度低和沉速慢這一問題。
3.14 對有機物和油類物質去除效果明顯
絮凝劑的聚合度及分子質量是影響絮凝效果的重要因素，隨著聚合度及分子質量的提高，絮凝劑的吸附架橋能力會大大提高。PAFC無論在聚合度還是分子質量上都高于PAC，其對有機物和油類物質的去除效果顯然要優于PAC。
3.1.5 采購便捷，腐蝕性小
PAFC可以用多種工業廢渣來制備，原料來源廣泛，成本低廉。目前，國內絕大多數混凝劑生產廠家都有生產PAFC技術和產品，以往的貨源問題已得到有效的解決。另外，PAFC中的鐵含量只占到10%-20%的比例，腐蝕性也小。
3.2 PAFC技術經濟分析
根據表1提供的顧橋煤礦礦井水混凝試驗絮凝劑較佳用量試驗數據，分析得出了PAC、PAFC單獨投加與聯合高分子助凝劑PAM投加的經濟分析比較情況，結果如表2。
表2 絮凝劑經濟分析比較
| 絮凝劑種類 | 絮凝劑較佳用量/（mg/L） | 絮凝劑價格/（元/t） | 絮凝劑消耗量/（t/d） | 總處理成本/（元/d） | 噸水處理成本/元 | 出水濁度/NTU |
| PAC | 250 | 1500 | 0.75 | 1125 | 0.375 | 5.8 |
| PAC+PAM | 200±1.0 | 1500+20000 | 0.6+0.003 | 960 | 0.32 | 3.1 |
| PAFC | 200 | 1800 | 0.6 | 1080 | 0.36 | 4.9 |
| PAFC+PAM | 150±0.5 | 1800+20000 | 0.6+0.0015 | 930 | 0.31 | 2.5 |
表2的數據表明，單獨使用絮凝劑PAC、PAFC處理顧橋煤礦礦井水的成本分別為0.375元/t水、0.36元/t水；絮凝劑PAC、PAFC聯合高分子助凝劑PAM的處理成本分別為0.32元/t水、0.31元/t水。可以認為，PAFC無論單獨投加還是聯合PAM投加的處理成本都要優于PAC，并且脫濁效果更好。
4、聚合氯化鋁鐵的研究及應用現狀
自1982年Kuo和Wamser首先合成PAFC以來，各國科研工作者相繼對其進行了深入的研究。高寶玉等利用煤矸石和鐵礦石為原料采取一定的工藝條件研制成了PAFC，并把它用以處理煤礦礦井水和油田含油廢水，結果表明：僅投加40mg/L的PAFC，煤礦礦井水的COD和SS去除率分別達到82%和90%；而對油田含油廢水的除油率和SS去除率都超過了90%。葛中巧等人用PAFC處理電鍍廢水，胡文慧等人用PAFC處理飲用水，戴捷等人用PAFC處理造紙中段廢水，都取得了比較好的處理效果。
目前，聚合氯化鋁鐵在國內城市飲用水和一些工業廢水領域實際應用很多，如上海市的泰和水廠，合肥市的四水廠等，并且都取得了較好的應用效果。在礦井水凈化處理領域，煤礦企業由于受地域差異、絮凝劑采購模式、價格因素及一些固定思維等因素影響，PAFC應用的實例鮮有報道。但隨著國家及煤礦企業對礦井水利用率和用水水質要求的逐漸提高，礦井水凈化處理技術必將要得到進一步的完善和提高，而PAFC憑借其自身獨特的優勢，在各方面都已具備取代PAC的條件，未來在礦井水凈化處理中勢必有著廣闊的應用前景。
5、聚合氯化鋁鐵今后研究方向
大量研究資料表明，聚合氯化鋁鐵中的Al/Fe摩爾比不同，制成的絮凝劑對廢水的處理效果就不同，這主要是因為其自身結構、穩定性等性能不同所致。由于PAFC體系的復雜性，還缺少表征PAFC的特征參數，因而至今PAFC尚無統一的國家標準。今后應加強對PAFC共聚機理的理論研究，充分發揮鋁鹽和鐵鹽的協同增效作用，使其能夠針對礦井水中污染物的種類及含量作出不同鋁鐵配比的調整。同時要不斷改進PAFC的制備方法和性質，為PAFC的生產和運輸創造便利條件，促進其在礦井水處理領域得到更廣泛和有效應用。
6、結語
由于礦井水特殊的行業特征，傳統絮凝劑聚合氯化鋁在礦井水混凝處理過程中往往投加量大，生成的煤泥密實度低，對有機物和油類物質去除效果有限，并由此還帶來了絮凝劑加藥系統、煤泥水排放系統和煤泥水壓濾系統等環節上管理及操作上的困難。
聚合氯化鋁鐵由于擁有了鋁鹽和鐵鹽各自的優點，能夠很好的解決上述問題，并且在經濟上聚合氯化鋁鐵處理礦井水的成本也優于聚合氯化鋁。雖然受一些因素影響，導致聚合氯化鋁鐵目前實際應用較少，但綜合各方面分析，聚合氯化鋁鐵從各方面都已具備在礦井水處理應用中取代傳統聚合氯化鋁的條件。
