聚丙烯酰胺和氯化鈣復(fù)合體系處理高濃度洗煤廢水的研究

黃小標(biāo)

(東莞市星火環(huán)保科技有限公司，廣東東莞523000)

煤礦在選煤過程中耗費大量清水，同時產(chǎn)生大量洗煤廢水。若洗煤廢水不經(jīng)處理直接排入水體，會對周邊環(huán)境造成很大的破壞。煤礦洗煤廢水分為兩類:第一類是低濃度洗煤廢水，由煤質(zhì)較好的原煤洗選時產(chǎn)生，處理容易，用濃縮沉淀法即可有效凈化;另一類是高濃度洗煤廢水，由地質(zhì)年代較短、灰分和雜志含量較高的年輕煤種洗選時所產(chǎn)生，其懸浮物濃度(SS)和化學(xué)耗氧量(CODcr)都很高，煤泥顆粒表面的ζ電位也很高，穩(wěn)定性高，很難自然沉降，因而處理難度大［1］。

本研究以江西某大型煤礦為目標(biāo)，該礦采用濕法選煤，產(chǎn)生大量洗煤廢水。該礦煤泥水處理采用典型的煤泥分選—尾礦濃縮—壓濾工藝。該礦開采到斷層時，此部分原煤遇水易泥化，產(chǎn)生的洗煤廢水濃度高，顆粒細(xì)小，久置不沉，原有的處理工藝滿足不了相關(guān)洗煤標(biāo)準(zhǔn)。因此，采用新型、高效的潔凈煤技術(shù)對其進(jìn)行改造，使其達(dá)標(biāo)并實現(xiàn)洗煤廢水的循環(huán)利用具有重要的現(xiàn)實意義。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

聚丙烯酰胺(PAM)，工業(yè)級(分子量700～1300萬)，蘇州晟宇工貿(mào)公司;氯化鈣(CaCl2)、氯化鐵(FeCl3)和氧化鈣(CaO)，分析純，均購自廣州化學(xué)試劑廠。

1.2 高濃度洗煤廢水的特征參數(shù)、處理方法及評價指標(biāo)

該礦的高濃度洗煤廢水主要具有如下特點:顆粒表面負(fù)電荷較多;SS濃度和COD濃度很高、細(xì)小顆粒含量高、粘度大;污泥比阻大，因此過濾性能差［1］。通常認(rèn)為，在上述諸多因素中，表面負(fù)電荷和粒徑太小是導(dǎo)致廢水難以處理的兩個最重要原因［2］。

廢水的 SS值為 40500mg/mL，CODcr值為16580mg/mL，pH值為8.10～8.30，懸浮物平均粒徑為70μm，ζ電位－74.5mV，水樣的 SS值和CODcr值分別根據(jù)GB 11914－1989和GB 119014－1989測定。

取廢水樣100mL，投加一定質(zhì)量濃度的絮凝劑溶液，以100r/min速度攪拌1min，然后添加入量程為100mL的量筒沉淀，觀察實驗現(xiàn)象，同時記錄不同時間的絮體高度，指定時間內(nèi)其值越小，表明絮凝效果越好。用同樣的制樣方法，使絮凝劑充分分散，用秒表記錄懸浮粒子界面運動一定距離所用的時間，計算平均沉降速率，其數(shù)值越大，表明絮凝劑使懸浮物沉淀得越快;清水分離率的測定根據(jù)絮凝后上層清水的體積占原水的體積分?jǐn)?shù)測定，其數(shù)值越大，表明處理后再利用的水量越多;而清水SS值越小，表明處理水的懸浮物含量越少，水質(zhì)越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 無機(jī)混凝劑的優(yōu)化

根據(jù)該礦洗煤廢水的特點，經(jīng)過理論分析，優(yōu)選出4種無機(jī)藥劑CaCl2、聚合氯化鋁(PAC)、FeCl3和CaO進(jìn)行對比實驗，結(jié)果如圖1和表1所示。由圖1可以看出，在相同的時間內(nèi)，加入CaCl2絮凝劑溶液后，絮凝體高度最低，210min后其高度只有48mm，比最高為92mm的CaO的數(shù)值幾乎低了一半，這表明同等條件下CaCl2絮凝效果最好。表1也同樣表明，CaCl2處理效果最好，其三項指標(biāo)都是最好的。實驗中發(fā)現(xiàn)，洗煤廢水加入CaCl2后，迅速發(fā)生絮凝反應(yīng)，泥水分層明顯，能夠看見泥面緩緩下降，但沉降速度還是較慢，形成的顆粒較細(xì)小，上層清液可以看見部分細(xì)微的絮狀物，且凝聚體的過濾性能差，難于進(jìn)一步脫水，事實上很難在實際工程中應(yīng)用，因此必須另加其它類型絮凝劑，以提升綜合效果。

圖1 加入絮凝劑后絮凝高度隨時間的變化曲線Fig.1 The effect of flocculant on the waste water treatment

表1 各種絮凝劑的沉降效果Table 1 Sedimentation efficiencies of the flocculants

2.2 PAM的使用效果及其與CaCl2復(fù)合使用的條件優(yōu)化

以前的研究結(jié)果表明，為了提高絮凝效果并實現(xiàn)可操作性，當(dāng)無機(jī)混凝劑和高分子有機(jī)絮凝劑配合使用時，效果更佳［3］。在洗煤廢水的處理過程中，應(yīng)用PAM是一種常用的高分子絮凝劑［4］。它具有線性結(jié)構(gòu)，水溶性好。PAM不僅能夠使煤泥顆粒發(fā)生凝聚，加快沉淀速度，而且可改善沉淀煤泥的脫水性能［5］。考慮到CaCl2和PAM的加入量及加藥后的攪拌時間都有可能影響沉淀速率，因此以正交實驗法優(yōu)化實驗條件。每次取洗煤廢水100mL，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的CaCl2溶液，攪拌，再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的PAM溶液，再攪拌，然后靜置沉降，計算絮體沉降速度，保持?jǐn)嚢杷俣葹?00r/min。正交實驗結(jié)果及方差分析見表2和表3。

表2 正交實驗結(jié)果Table 2 Results of the orthogonal experiment

續(xù)表2

表3 方差分析結(jié)果Table 3 Results of the variance analysis

根據(jù)正交實驗結(jié)果及方差分析知，最佳實驗條件是濃度為600mg/L的CaCl2用量為3mL，攪拌時間為60s，濃度為50mg/L的PAM用量為5mL，攪拌時間為90s。影響洗煤廢水沉降速度的主要因素是PAM的用量，隨著PAM量增大，沉降速度明顯加快;其次是氯化鈣的用量，其余兩個因素影響相對較小。PAM的用量對沉降速度的影響非常大，當(dāng)其投加量為40mg/L時，沉淀速率平均值超過0.68mm/s以上。故施工中可適當(dāng)控制PAM用量，既降低成本，又可保證相當(dāng)?shù)乃俣龋箯U水中形成可有效過濾的絮凝體。

2.3 最佳組合條件的驗證

按正交實驗結(jié)果，取實驗水樣件進(jìn)行測試，結(jié)果如圖2和表4所示。上述實驗結(jié)果說明采用CaCl2+PAM工藝處理該洗煤廢水，可以達(dá)到滿意的處理效果，不僅可以分離出73%的清水，而且清水的SS值和CODcr都低于煤礦廢水的國家排放標(biāo)準(zhǔn)和回用標(biāo)準(zhǔn)。處理后的廢水pH基本不變，可以全部回用于洗煤，實現(xiàn)洗煤廢水的閉路循環(huán)，改善了絮凝體的過濾性能，同時提高了煤泥的脫水性能。

圖2 絮凝時間與絮凝高度的關(guān)系曲線Fig.2 The flocculation height of PAM and CaCl2composite under different time

表4 最佳條件下的實驗結(jié)果Table 4 Experimental Results under optimal conditions

2.4 工程應(yīng)用與運行結(jié)果

2.4.1 工藝流程圖

根據(jù)實驗研究提出的治理方案和設(shè)計參數(shù)，并充分利用該煤礦的處理設(shè)施，對洗煤廢水的治理工程進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。工藝流程如圖3所示，主要構(gòu)筑物及設(shè)備見表5。

圖3 洗煤廢水的處理工藝流程Fig.3 The technological process to treat the waste water

表5 主要構(gòu)筑物及設(shè)備一覽表Table 5 List of the main equipments used for waste water treatment

2.4.2 工藝說明

(1)廢水部分:洗煤廢水自流至混凝池1，加入CaCl2發(fā)生混凝反應(yīng)后流入混凝池2，繼續(xù)強化混凝反應(yīng)，充分反應(yīng)后的廢水流入輻流式沉淀池進(jìn)行泥水分離，沉淀之后的水流至清水池儲存，全部用于洗煤，實現(xiàn)洗煤廢水的閉路循環(huán)。

(2)污泥部分:污泥來自于沉淀池，由污泥泵泵至板框壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾脫水，煤餅外售。

(3)加藥部分:混凝池1中加入CaCl2，投入量為600mg/L，混凝池2中加入PAM，投藥量為40mg/L。

2.5 運行效果

該廢水處理系統(tǒng)自運行以來，日處理洗煤廢水6000m3，處理效果穩(wěn)定，清水的各項指標(biāo)均達(dá)到排放和回用洗煤的標(biāo)準(zhǔn)，處理水全部回用洗煤，實現(xiàn)了閉路循環(huán)，處理效果見表6。實踐證明，采用CaCl2+PAM工藝處理該洗煤廢水是可行的。

表6 處理效果數(shù)據(jù)指標(biāo)Table 6 Treatment efficiency of the waste water for coal washing

2.6 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和工程效益

藥劑費:氯化鈣的投藥量為600mg/L，CaCl2的市售價格大約950元/噸，合人民幣0.57元/m3;PAM的投藥量為40mg/L，其市售價約30000元/噸，合為1.2元/m3。藥劑費合計為1.77元/m3。

治理后的廢水，清水循環(huán)用于洗煤，每天節(jié)省約4380m3自來水，每年可至少回收水資源約131萬噸，年回收水資源收益可達(dá)145萬元。同時，煤泥經(jīng)半框壓濾后，干煤泥可外售，因此可以獲得較好循環(huán)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

3 結(jié)論

(1)針對該煤礦高濃度洗煤廢水懸浮物濃度高、粒度小、顆粒表面帶負(fù)電等特點，設(shè)計了CaCl2加PAM的復(fù)合工藝，優(yōu)化了設(shè)計參數(shù)，結(jié)果表明最佳實驗條件是:CaCl2濃度為600mg/L，用量為3mL，攪拌時間為60s;PAM濃度為50mg/L，用量為5mL，攪拌時間為90s。

(2)最佳工藝條件下針對該煤礦廢水處理的實際運行效果表明，采用該工藝處理該礦洗煤廢水是可行的，處理水達(dá)到了回用標(biāo)準(zhǔn)和排放標(biāo)準(zhǔn)，回收的煤泥可以作為燃料，變廢為寶。

［1］中國煤炭加工利用協(xié)會.選煤廠煤泥水處理［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［2］李亞峰.高濃度洗煤廢水處理與回用技術(shù)研究博士學(xué)位論文.遼寧:東北大學(xué)，2005.

［3］郭玲香.聚合物絮凝及助濾作用機(jī)理［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2007.

［4］尚偉，謝燕，薛紹秀.國內(nèi)水處理中聚丙烯酰胺的研究進(jìn)展及展望［J］.廣州化工，2011，15，55－57.

［5］劉長敏，高穎.洗煤廢水常用處理工藝及藥劑［J］. 遼寧化工，2013，42:431 －433.