煤泥水处理技术的成因分析与研究现状

2012-12-29江继涛李多松贾菲菲

中国新技术新产品 2012年5期

江继涛李多松贾菲菲张曼

(中国矿业大学环测学院，江苏徐州 221008)

引言

煤泥水是原煤在水中经过分级、脱泥、精选、脱水等作业后分选出产品，大量粒度小于0.5mm的颗粒残留在水中形成的。煤泥水因其成分不同，性质不稳定，处理工艺复杂，一直是洗煤厂对其处理的难点。实现煤泥水的高效澄清，以达到洗水的闭路循环，不仅可以大量的回收矿产资源，节约工业用水量，而且还可以防止煤泥水的外排对环境造成的影响。因此，煤泥水的处理一直是国内外学者研究的热点，对其做了大量的工作。

1 煤泥水难沉降的成因分析

1.1 粒度分析

粒度大小是影响煤泥水沉降性能主要因素。微细颗粒在煤泥水中一方面受到自身重力和浮力的作用，另一方面受到布朗运动的作用。粒度越小，颗粒在废水中的沉降速度越小，在废水中受到的布朗运动力也越明显；且粒度小于0.045mm时，颗粒在废水中主要受到布朗运动力的影响，微细颗粒表面通常带有负电，颗粒之间互相排斥，极易形成较稳定的胶体溶液，不易沉降，处理起来难度较大。刘志勇、王立成、闫芳、胡晓东、张凌云分别对望峰岗选煤厂、东河矿选煤厂、任楼选煤厂、新庄选煤厂和太原选煤厂洗选所排出的煤泥水进行粒度检测，其中粒度小于0.045mm的颗粒所占的比例分别为49.36%、65.67%、33.29%、70.22%、60%。由此可见，解决好煤泥水中微细颗粒的沉降问题，对实现煤泥水的高效澄清至关重要。

1.2 煤泥水中的矿物组成

大多数洗煤厂的煤泥水中除了含有煤以外，还含有大量的伊利石和高岭石等粘土矿物及少量的方解石、滑石、白云石等硫酸盐矿物。而这些伊利石和高岭石等粘土矿物具有特殊的晶体结构，因其含有Al2O3和 SiO2等物质，在水中形成一层水化膜，该水化膜阻止了颗粒与颗粒之间的接触，从而形成稳定的胶体形态，难以自身沉降，不仅如此，粘土矿物还会增加溶液的粘度，影响颗粒的运动，降低颗粒的碰撞几率，进而造成水质的恶化。因此粘土矿物高是造成煤泥水难以沉降的根本原因。

1.3 循环煤泥水矿物组成的变化

通过实测，兴隆庄煤矿选煤厂沿着煤泥水流向，固相组成相对含量不断变化，主流向的灰分由15%上升到60%，也即高岭石等粘土矿物的相对含量不断提高，煤泥水的沉降性能越来越差。

1.4 煤泥水水质的影响

煤泥水水质的硬度越大，对煤泥水的沉降性能就越有利。难沉降的煤泥水中除含有大量的微细颗粒和粘土矿物以外，其水质的硬度普遍较低；通过实测，兴隆庄煤矿洗煤厂入料处的水质硬度为29.6DHo，循环水中的水质硬度为27.3DHo；由此可知，循环煤泥水中的硬度呈现逐渐减小的变化，原因是其循环煤泥水中粘土矿物越来越多，将煤泥水中的钙镁离子吸附到自己身上越来越多，使煤泥水中的钙镁离子越来越少，造成循环煤泥水的硬度越来越小，细小煤泥颗粒的沉降性能越来越差。

1.5 煤质、ζ电位对沉降性能的影响

煤按照煤阶可分为泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤；按照煤岩可分为镜煤、亮煤、丝碳。不同煤质的煤洗选后形成的煤泥水的沉降性能相差较大，主要表现在地质年代较长的煤，其煤化程度较高，所含的灰分较少，COD较小，且在洗选加工中不易破碎，煤泥水中所含的微细颗粒较多；反之，地质年代较短的煤，其煤化程度低，灰分较高，COD较大，洗选加工中易破碎，微细颗粒相对较少，沉降性能相对较好。

ζ电位是在粘土矿物特殊的晶体结构中，部分 AL3+被水中的 Ca2+、Mg2+所代替，而部分Si4+又被水中的Al3+所代替，进而形成呈负电的晶体结构与在水中和本体发生相对移动的"滑动面"之间的电势差。因此，水中离子的浓度和价数能够影响ζ电位的高低；离子的浓度越大或者价数越高，ζ电位就越低，颗粒之间的斥力就越小，就越容易发生沉降作用；反之，离子的浓度越小或者价数越低，ζ电位就越高，颗粒之间的斥力就越大，沉降作用就越难发生。

2 煤泥水的研究现状

目前，国内处理煤泥水的技术主要采用絮凝处理，研究方向主要集中在以下几个方面：（1）对煤泥水的组成和性质进行研究① 采用先进的粒度分析仪器对煤泥水极细颗粒粒度组成进行测定，得到统计粒子直径分布数据。② 分析煤泥煤岩成分，确定煤泥中的粘土含量。

（2）探讨粒度与沉降速度的关系

（3）建立煤泥性质―加药量―沉降特性数学模型，但目前难度很大，即使建立了也得不到业界的认可，更不能在实际中得到应用。

（4）确定合理的加药量

（5）通过筛选实验，确定加药配方

3 存在问题

3.1 目前市场上很多絮凝剂的性能缺陷比较明显

①无机分子量小，有机分子量虽大，但难溶解、有毒、粘度大、利用率低，且价格高。

② 天然有机虽然无毒，易溶解，来源广，价格低，但效果较差，不稳定。

③无机铝类絮凝剂存在微量铝残留问题，无机铁类存在腐蚀、增加色度等问题。

④ 单独使用都存在各自的缺点，因此复合絮凝剂可以实现强强联合，优势互补，大大提高絮凝剂的综合性能。

3.2 对用于高灰细粒度煤泥水处理的絮凝剂的研究不够

目前对高灰细粒度难沉降煤泥水的研究主要集中在对煤泥水本身的成分、性质进行研究，对现有絮凝剂进行筛选，对加药条件进行试验确定，而对专门用于高灰细粒度煤泥水处理絮凝剂的研究还很少，急需加强。

3.3 煤泥水处理技术工艺的发展较慢

现有水处理工艺的混合反应及沉淀设备是针对传统絮凝剂的特点而设计的，往往不能充分发挥复合絮凝剂的优点，反而抹杀它的特殊功能，因此人们在开发复合絮凝剂的基础上，会提出一种与复合絮凝剂相适应的高效絮凝集成工艺，这必将推动接触凝聚反应器包括拦截反应沉淀系统、微涡旋反应系统、深床接触凝聚过滤等系统的发展。

在这些系统中，强化反应过程的接触凝聚作用和微涡旋状态，明显减少反应时间，大大提高沉淀或过滤效率，使反应、沉淀和过滤工艺有机结合，实现絮凝机理的工艺化。

3.4 忽略了煤泥颗粒以外因素的影响

煤泥水处理药剂不论是有机的、无机的，还是生物絮凝剂的开发和应用，试验中往往都选用单一煤泥水样品做静态的黑箱试验，只注重沉降效果，忽略了煤泥水本身特性。所以在现场应用和大范围推广的时候凸显处理效果差、药剂消耗大、成本高等现象；煤泥水处理工艺中，特别是浓缩机设计，只注重煤泥的颗粒学和动力学特性，轻视了异质颗粒在水中的相互影响、水质条件对颗粒间相互作用的影响，以及体系的动态特性，所以容易出现煤泥水难沉降的现象。