煤泥水處理新方法研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

張雷

【摘要】針對(duì)常規(guī)煤泥水藥劑易造成污染，不利于實(shí)現(xiàn)綠色選煤和煤炭清潔生產(chǎn)與利用，以及隨著煤泥水澄清處理難度增加，現(xiàn)有煤泥水處理技術(shù)不能滿足生產(chǎn)需求的現(xiàn)實(shí)問題，介紹了三種煤泥水處理新方法，并闡述分析了三種處理方法的工作原理及應(yīng)用情況。分析結(jié)果表明：三種方法均可實(shí)現(xiàn)煤泥水的有效處理，并且能夠節(jié)約藥劑，降低煤泥水處理成本，但若投入工業(yè)化應(yīng)用，尚需不斷完善與優(yōu)化;在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)結(jié)合選煤廠生產(chǎn)情況和原煤性質(zhì)，選擇合適的煤泥水處理方法。

【關(guān)鍵詞】煤泥水處理;電絮凝;微生物絮凝;磁化絮凝;沉降效果

1 煤炭資源的重要性

煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位。煤炭清潔生產(chǎn)與利用對(duì)生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要，且在新常態(tài)下對(duì)之提出了更高要求。煤炭的清潔生產(chǎn)主要通過煤炭洗選實(shí)現(xiàn)，目前我國煤炭洗選比例已達(dá)71.2%。煤炭洗選過程中的介質(zhì)主要是水或水的混合物，通常入選1t原煤需要用水3.0～5.0m3。洗選用水在流經(jīng)選煤各作業(yè)環(huán)節(jié)的過程中會(huì)混進(jìn)煤泥，業(yè)內(nèi)將混有煤泥的洗水稱為煤泥水。在整個(gè)洗選過程中會(huì)產(chǎn)生大量煤泥水，生產(chǎn)實(shí)踐表明，煤泥水的合理處理對(duì)于選煤生產(chǎn)至關(guān)重要。一般情況下煤泥水處理過程由洗水澄清與煤泥處理兩部分組成。為了減少水資源浪費(fèi)，需最大限度地從煤泥水中分離出固體物，并獲得符合要求的分選介質(zhì)——循環(huán)水，因此煤泥水處理是一個(gè)極其復(fù)雜、但又十分重要的環(huán)節(jié)。煤泥水澄清程度是實(shí)現(xiàn)洗水閉路循環(huán)的關(guān)鍵，有助于節(jié)約水資源，而煤泥的合理利用則有助于提高煤炭資源的綜合利用效益。總之，選煤廠煤泥水處理水平影響著選煤廠的可持續(xù)發(fā)展，關(guān)系到資源保護(hù)與回收等帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，也是衡量選煤廠管理水平的重要標(biāo)志。

2 煤泥水沉降澄清研究現(xiàn)狀

國內(nèi)研究人員對(duì)煤泥水沉降澄清的研究開始較早。對(duì)于煤泥水處理方法，目前應(yīng)用范圍最廣的是藥劑處理：聶容春等[2]通過光引發(fā)合成了陽離子型PAM絮凝劑，并對(duì)其絮凝沉降效果進(jìn)行了研究;徐初陽等選取不同選煤廠的煤泥水，進(jìn)行了絮凝沉降藥劑制度及藥劑用量的探索性試驗(yàn)研究;廖寅飛等[5]針對(duì)煤泥水自然沉降效果差的問題，以聚丙烯酰胺為絮凝劑，以明礬和聚合氯化鋁為凝聚劑，通過藥劑復(fù)配，進(jìn)行了沉降對(duì)比試驗(yàn);朱書全等[6]通過接枝共聚反應(yīng)研制出改性淀粉高分子絮凝劑，并將之用于煤泥水沉降試驗(yàn)研究。以上研究均表明，添加絮凝劑有助于煤泥水體系的固體懸浮物凝聚成團(tuán)，最終形成較大的絮團(tuán)，改善煤泥水澄清效果。但是，這種絮凝處理工藝用藥量大，效率低，成本較高，易造成藥劑的二次污染。隨著煤質(zhì)惡化及煤炭開采機(jī)械化程度的提高，原煤中微細(xì)顆粒含量增加，在洗選過程中容易產(chǎn)生高濃度、細(xì)粒度、高灰分的高泥化煤泥水，大大增加了煤泥水處理難度。對(duì)于這種難處理的高泥化煤泥水，單純依靠添加藥劑無法滿足選煤生產(chǎn)需要。國外在煤泥水處理方面的文獻(xiàn)報(bào)道相對(duì)較少，主要原因可能是許多國家的原煤性質(zhì)比我國好，煤泥水處理難度小。此外，國外在洗選設(shè)備以及煤泥水處理系統(tǒng)方面比較完善，對(duì)煤泥水的后續(xù)處理做得也較好，俄羅斯等產(chǎn)煤大國在煤泥水處理方面基本實(shí)現(xiàn)零排放。

3 煤泥水處理新方法

在水中，懸浮微粒的團(tuán)聚程度主要取決于固體顆粒表面的電動(dòng)電勢(shì)和水合程度。水合程度越低，所帶電荷量越小，顆粒在運(yùn)動(dòng)過程中黏附機(jī)率越大，聚合顆粒團(tuán)越多。研究表明：在煤泥水體系中，懸浮顆粒表面一般帶有同種電荷，由于產(chǎn)生靜電作用，使得煤泥顆粒在水中長(zhǎng)期保持分散狀態(tài)，不利于煤泥水的沉降澄清，但該特性也為開辟新的煤泥水沉降澄清技術(shù)途徑提供了可能。通過一定的輔助技術(shù)手段，破壞煤泥水體系中顆粒的分散狀態(tài)，就可加速煤泥顆粒在水中的沉降。

3.1電場(chǎng)輔助煤泥水沉降

在煤泥水體系中，添加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)煤泥顆粒沉降主要有兩種技術(shù)路徑，即電泳技術(shù)和電絮凝技術(shù)。電泳技術(shù)是指在電場(chǎng)力的作用下，帶電粒子可向著與其電性相反的方向運(yùn)動(dòng)，根據(jù)帶電粒子移動(dòng)速度的不同，可達(dá)到分離效果。該技術(shù)最早在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用于球蛋白的分離。目前已有研究表明，煤泥顆粒表面帶負(fù)電荷，在煤泥水處理過程中，添加外電場(chǎng)，可使煤泥顆粒定向移動(dòng)，促進(jìn)煤泥顆粒的凝聚與沉降，提高煤泥水沉降速率與澄清效果。劉寶臣等采用自然靜置方法與電泳技術(shù)對(duì)礦泥進(jìn)行沉降試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，電泳技術(shù)可以降低直接排放礦泥的含水量，提高排放礦泥濃度，有利于礦泥作為礦山采空區(qū)的復(fù)墾用土。電絮凝技術(shù)是以鐵、鋁等金屬作為陽極，通過直流電場(chǎng)作用，陽極被溶蝕成金屬陽離子，在一系列的水解、聚合及氧化作用下，形成多種膠體絮凝劑，吸附煤泥水中細(xì)粒物，最終形成煤泥絮團(tuán)。其主要原理如圖1所示。在煤泥水體系中，電絮凝的作用主要體現(xiàn)在兩方面：一是金屬陽離子與帶負(fù)電荷的煤泥顆粒中和，降低顆粒表面ζ電位，從而增大顆粒間的碰撞幾率;二是金屬陽離子形成的膠體絮凝劑可以與煤顆粒結(jié)合，通過架橋作用形成較大的煤泥絮團(tuán)，加速煤泥沉降。此外，還可以通過調(diào)節(jié)煤泥水體系pH值及水質(zhì)硬度來提高電絮凝效果。董憲姝等通過電絮凝的方法減小或消除煤泥水顆粒表面電荷量，壓縮雙電層，提高了煤泥水絮凝沉降效率。

圖1 電絮凝裝置及其工作原理示意圖

與傳統(tǒng)煤泥水處理方法相比，添加外電場(chǎng)可以節(jié)省濃縮池的面積以及大量藥劑，減少環(huán)境污染，從而降低煤泥水處理成本，同時(shí)提高沉降澄清效果，可有效降低煤泥水體系的固體顆粒物含量，降低循環(huán)水黏度，提高循環(huán)水的利用率，對(duì)選煤廠的洗水循環(huán)系統(tǒng)有利。

3.2微生物絮凝沉降

微生物絮凝劑是一類由微生物產(chǎn)生的具有絮凝功能的高分子有機(jī)物，它可以克服無機(jī)高分子絮凝劑和合成有機(jī)高分子絮凝劑本身固有的缺陷，在污水及工業(yè)廢水的處理中實(shí)現(xiàn)無污染排放。在微生物絮凝劑中，有一部分微生物絮凝劑帶有與煤泥顆粒相反的電荷，可中和煤泥顆粒表面電荷，根據(jù)DLVO理論，煤泥顆粒表面電荷減小時(shí)顆粒間靜電斥力減小，有助于煤粒聚團(tuán)沉降;還有一部分微生物絮凝劑有利于減薄煤泥顆粒表面的水化膜，使帶電顆粒間有效碰撞幾率增加，從而提高絮凝沉降效果。近年來，國內(nèi)一些學(xué)者也已經(jīng)開始了利用微生物絮凝劑對(duì)煤泥水進(jìn)行絮凝沉降的研究。江慧華、劉瑞娟等對(duì)產(chǎn)生微生物絮凝劑菌種的培養(yǎng)方法進(jìn)行了研究，并對(duì)微生物絮凝劑的絮凝特性進(jìn)行了試驗(yàn);研究了髙泥化煤泥水的微生物絮凝沉降效果及煤泥微生物浮選脫硫。諸多試驗(yàn)研究結(jié)果表明：經(jīng)微生物絮凝沉降后，煤泥水各項(xiàng)指標(biāo)能達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，可為煤泥水的高效環(huán)保利用帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。對(duì)微生物絮凝沉降影響因素的研究表明：微生物絮凝劑的性質(zhì)對(duì)于絮凝沉降具有關(guān)鍵作用，微生物絮凝劑用量、使用條件、煤泥水性質(zhì)等因素也會(huì)對(duì)沉降效果產(chǎn)生不同程度的影響?，F(xiàn)階段對(duì)微生物絮凝劑的應(yīng)用研究逐漸成熟，尤其在工業(yè)污水處理方面應(yīng)用效果良好，越來越多的微生物絮凝劑在污水處理中表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性，不僅有利于環(huán)境保護(hù)，而且生產(chǎn)成本低廉，值得在煤泥水的處理中借鑒使用。但該法也存在處理周期較長(zhǎng)，菌種用量大，微生物培養(yǎng)及增殖技術(shù)要求高，不利于大規(guī)模使用的限制。

3.3磁場(chǎng)輔助煤泥水沉降

磁場(chǎng)輔助煤泥水沉降是通過添加磁場(chǎng)使煤泥水體系絮團(tuán)加速沉降的一種新型煤泥水處理方法，其主要工藝是先將煤泥水進(jìn)行磁化預(yù)處理，再添加絮凝劑進(jìn)行沉降澄清。在煤泥水處理過程中，外加磁場(chǎng)主要作用于煤泥顆粒表面電位，通過降低煤泥顆粒表面電位，減小顆粒之間的靜電斥力，增加顆粒凝聚幾率，有助于絮凝劑在煤泥水體系中形成大顆粒聚團(tuán)，破壞體系的穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)煤泥水的沉降澄清。同時(shí)，由于受重力作用，底部壓實(shí)區(qū)的沉淀物在沉降壓縮過程中可進(jìn)一步排出水分，令壓實(shí)區(qū)顆粒結(jié)合得更緊密，使沉降高度降低，從而明顯改善煤泥水處理效果。目前煤泥水的磁化絮凝研究主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）磁化條件的探索。煤泥水的絮凝沉降速度隨磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁化時(shí)間的增加而增加，底層沉積物厚度和濁度隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大、磁化時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，且在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.25T、磁化時(shí)間為15min時(shí)，煤泥水的處理效果最佳。試驗(yàn)結(jié)果表明，磁場(chǎng)有助于降低煤泥顆粒表面電位，當(dāng)pH值為7.0時(shí)，磁處理前煤泥顆粒表面ζ電位為-31.24mV，磁處理后煤泥顆粒表面ζ電位為-11.24mV。對(duì)煤泥水進(jìn)行磁化預(yù)處理后進(jìn)行了絮凝沉降試驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)HPAM用量為1.5mL、磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.2T、磁處理時(shí)間為30min時(shí)，澄清區(qū)的高度最大，澄清液的濁度最小。以上研究均表明，外加磁場(chǎng)對(duì)煤泥水的沉降效果有促進(jìn)作用。（2）煤泥水處理工藝的優(yōu)化。針對(duì)浮選和固液分離等問題，采用磁化技術(shù)處理浮選礦漿，使精煤可燃體回收率提高了1.3個(gè)百分點(diǎn)。洗水濃度直接影響細(xì)顆粒的沉降速度，當(dāng)洗水固體顆粒物含量為250g/L時(shí)，<50μm的細(xì)粒沉降速度降低80%～90%，而經(jīng)過磁處理的洗水上層水的清潔度有所提高，且清潔區(qū)域有所增加。磁化技術(shù)可以有效降低煤泥水系統(tǒng)中的固體顆粒物含量，使循環(huán)水滿足生產(chǎn)需求，提高整個(gè)工藝的效率以及產(chǎn)品質(zhì)量。（3）磁化水的研究。用“活性系數(shù)”來描述磁化水的活性，用試驗(yàn)的方法研究了磁化水的活性與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。在磁化水-全尾砂絮凝沉降過程中，絮凝劑單耗飽和點(diǎn)（沉降速度最大時(shí)）比普通水的單耗飽和點(diǎn)低1/3，沉降速度高1.4～2.1倍，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大增幅達(dá)3.2%;當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為150～200mT，磁化時(shí)間為20～25min，水循環(huán)流速為2.0～2.5m/s時(shí)，煤泥水沉降效果最好。從水的分子結(jié)構(gòu)和氫鍵的特性出發(fā)，合理解釋了磁化水表面張力系數(shù)、黏度和密度的多極值現(xiàn)象。研究認(rèn)為，在水體外添加0.2mT以上的磁場(chǎng)進(jìn)行磁化時(shí)，因受到磁場(chǎng)的擾動(dòng)作用，電子狀態(tài)發(fā)生變化，電子間的相互作用力減弱，部分氫鍵斷裂。相比于傳統(tǒng)的煤泥水處理方法，磁場(chǎng)輔助絮凝在環(huán)境保護(hù)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但在進(jìn)行大規(guī)模煤泥水處理時(shí)也存在一定的安全隱患。隨著煤泥水處理技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)或?qū)⒊蔀槊耗嗨幚淼闹匾l(fā)展方向之一。

4 結(jié)論及展望

煤泥水處理是選煤生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)藥劑用藥量大、效率低、成本較高，且易造成二次污染。近年來，隨著煤泥水處理難度的逐漸增加，對(duì)新型煤泥水處理方法有了迫切需求。（1）在煤泥水處理過程中，電場(chǎng)輔助技術(shù)可節(jié)省場(chǎng)地且無藥劑污染，但是對(duì)電力設(shè)備性能要求較高，因此今后需要對(duì)電場(chǎng)中電流、電極作出最優(yōu)化配置，在進(jìn)一步提高處理效果的同時(shí)，降低安全隱患。（2）微生物絮凝技術(shù)需要在保證現(xiàn)有澄清效果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步篩選和培育處理周期短、增殖要求低的微生物菌種，且擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模，盡早實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有選煤工業(yè)的銜接。（3）磁場(chǎng)輔助技術(shù)處理煤泥水澄清效果好，且占地面積小，污染小，是比較理想的煤泥水處理技術(shù)之一。對(duì)高性能磁化裝置的開發(fā)利用是未來的主要研究方向之一。（4）三種新的煤泥水處理方法都可提高煤泥水的沉降效率，并可滿足循環(huán)水的水質(zhì)要求，但都存在高能耗等問題。因此，在煤泥水處理新技術(shù)研究的同時(shí)，還應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化煤泥水處理工藝，并著力研究

開發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效、綠色的煤泥水處理藥劑，為煤泥水的處理增添更多的技術(shù)儲(chǔ)備，以備生產(chǎn)中根據(jù)煤質(zhì)特性選擇合適的煤泥水處理方法，更好地促進(jìn)我國煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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