煤泥水澄清循環(huán)新技術(shù)綜述

王文賓， 劉加強(qiáng)， 馬 超， 劉 豹

(1.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 常村煤礦，山西 長治 046000； 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

煤炭在國民的能源消耗結(jié)構(gòu)中占有非常重要的地位。在新時(shí)代背景下，對(duì)煤炭清潔生產(chǎn)與加工利用有了更高的要求。目前我國入洗煤炭比例約占60%，選煤廠對(duì)洗煤的生產(chǎn)效率越來越重視，而洗煤過程中煤泥水的澄清循環(huán)效果對(duì)提高洗煤生產(chǎn)效率非常關(guān)鍵。煤泥水的處理過程常常面臨煤泥水的產(chǎn)量大、濃度難以控制、煤質(zhì)特性復(fù)雜等特點(diǎn)，使煤泥水的工藝設(shè)計(jì)復(fù)雜、投資高和難以控制管理等缺點(diǎn)。

目前，洗煤廠常用的煤泥水處理工藝是投加藥劑使懸浮微細(xì)顆粒混凝沉降，該工藝對(duì)處理泥化程度低和易沉降的煤泥有很好的效果，可以實(shí)現(xiàn)煤泥水的閉路循環(huán)。但在一些煤質(zhì)成分復(fù)雜的洗煤廠的生產(chǎn)過程中，煤泥水的處理效率低下、閉路循環(huán)水質(zhì)不合格，影響煤炭的洗選效果。在煤炭的洗選過程中，煤泥水是一種混合體，它可以看作是由煤泥和水組成的多分散體系。煤泥的產(chǎn)生一部分是由于機(jī)械的粉碎從塊煤剝離產(chǎn)生，另一部分是由于伴生的微細(xì)粒脈石如黏土等伴生礦的混入，當(dāng)?shù)V物中微細(xì)粒顆粒大幅增加時(shí)會(huì)導(dǎo)致煤泥水泥化度增加。通常來說，泥化度高的煤泥水通常具有濃度高、粒度細(xì)、灰分高等特點(diǎn)，而在溶液中懸浮的煤泥其礦物表面帶有相同的電荷，產(chǎn)生相互排斥的靜電作用，使煤泥在礦漿中易保持分散狀態(tài)，同時(shí)煤泥表面覆蓋的水化膜可以阻止礦粒與絮凝劑分子的相互接觸，影響了煤泥團(tuán)聚的產(chǎn)生。由于煤泥水處理的復(fù)雜性、煤泥的性質(zhì)、加工方式、水質(zhì)特點(diǎn)和絮凝劑等多方面對(duì)絮凝程度的影響，因此煤泥水的沉降循環(huán)技術(shù)需要新的突破。

1 煤泥水處理現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)洗煤廠的煤泥水沉降處理是添加絮凝劑和凝聚劑使煤泥沉降。但是國內(nèi)各地的煤礦性質(zhì)差異較大，煤泥水澄清循環(huán)的工藝和藥劑制度有很大的不同，各地煤泥水澄清循環(huán)的效果也有很大的差異。煤泥沉降效果將影響循環(huán)水的澄清程度，進(jìn)而直接影響選煤過程的生產(chǎn)指標(biāo)。高泥化的煤泥水在各地洗煤廠處理效果很不穩(wěn)定，煤泥的澄清循環(huán)主要存在以下問題：

(1)煤泥沉降過程緩慢，導(dǎo)致單位沉降效率低下。

(2)循環(huán)系統(tǒng)中微細(xì)粒煤泥含量高使水質(zhì)的黏度高，影響整個(gè)洗選工藝的效果。

(3)絮凝劑和凝聚劑的消耗大。

(4)煤泥水澄清系統(tǒng)配置的沉降池或濃密機(jī)等占地面積大，有悖于我國的耕地保護(hù)與環(huán)境保護(hù)政策。

總的來說，國內(nèi)的煤泥澄清循環(huán)處理工藝不能滿足國內(nèi)現(xiàn)有的煤泥水澄清處理生產(chǎn)要求，同時(shí)也與選煤綠色技術(shù)和清潔煤炭生產(chǎn)與利用的要求相違背。近幾年，大量的研究學(xué)者探索了煤泥水的新技術(shù)新方案，對(duì)煤泥水澄清循環(huán)有了新的探索。

2 煤泥水沉降新技術(shù)

2.1 電場輔助沉降

電場輔助沉降通常分為電泳沉降和電絮凝沉降。電泳沉降的主要原理是在通電情況下，帶負(fù)電的煤泥顆粒在電場力的作用下向陽極作電泳運(yùn)動(dòng)，加快煤泥顆粒的沉降速度，從而提高沉降效果。劉寶臣等人(2008)通過對(duì)電泳沉降的研究，發(fā)現(xiàn)它可以減少礦泥沉降后的含水率，同時(shí)沉降后的礦泥更加密實(shí)，沉降速度和沉降效果更加顯著。

電絮凝沉降裝置如圖1，它是在直流電場中通電，使陽極的鋁片或鐵片溶解成+3價(jià)的鋁離子和鐵離子，煤泥顆粒通過帶電離子的作用改變電性，在溶液中更易吸附絮凝劑，生成煤泥絮團(tuán)。煤泥處理過程中通過鋁鹽和鐵鹽在水解過程中產(chǎn)生的帶正電離子來中和煤泥表面的負(fù)電荷，降低表面電位，增大礦物顆粒的碰撞，形成絮凝體；經(jīng)過電絮凝沉淀技術(shù)后，絮凝劑通過鏈狀吸附、橋架連接或網(wǎng)狀鏈接吸附等使煤泥團(tuán)聚，增大體積。也有學(xué)者通過研究表明，在電絮凝過程中，控制礦漿的pH或調(diào)整礦漿水的硬度可以使絮凝沉降效果更顯著。董憲姝等人(2008)研究發(fā)現(xiàn)通過采用電絮凝可以消除煤泥表面的電荷，減少煤泥絮凝沉降時(shí)間，提高循環(huán)水的生產(chǎn)效率。電場輔助沉降技術(shù)與傳統(tǒng)的煤泥水沉降相比，可以節(jié)省大面積的設(shè)備占地，節(jié)約大量的絮凝劑藥劑，節(jié)約煤泥水的處理成本。但是在電場輔助沉降處理煤泥水過程中需要外加電場，耗電量較高，同時(shí)需要電力的設(shè)備防護(hù)等裝置。在電絮凝沉降過程中，需要較高的直流電處理煤泥水，會(huì)帶來用電隱患。

圖1 電絮凝沉降裝置圖

2.2 磁絮凝沉降

磁性絮凝沉降是在煤泥水中添加磁種和絮凝劑，使煤泥微細(xì)顆粒與磁種通過絮凝、吸附和橋連等作用結(jié)合產(chǎn)生磁性的團(tuán)聚而沉降，在外加磁場的作用下再將磁性磁種回收分離，實(shí)現(xiàn)煤泥水的澄清循環(huán)。磁絮凝的主要工藝是：首先通過添加磁種與煤泥混合攪拌,進(jìn)行預(yù)先磁化處理，再添加絮凝劑進(jìn)行澄清沉降，最后通過磁選回收磁種。

研究表明煤泥水經(jīng)過磁化處理后，壓縮煤粒表面的水化膜結(jié)構(gòu)，打破礦物表面長分子鏈的水分子，獲得更多的游離水分子，這樣減弱了煤泥的水合程度，獲得更好的凝聚效應(yīng)。李建軍等人(2012)研究發(fā)現(xiàn)，在絮凝劑中添加磁種經(jīng)過鐵鹽溶液溶脹-原位共沉淀的方法獲得的磁性絮凝劑對(duì)煤泥水的沉降起到良好的效果。呂玉庭等人(2016)研究發(fā)現(xiàn)影響煤泥水磁種絮凝沉降的因素主要為絮凝劑用量、磁種用量和磁場強(qiáng)度，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合回歸方程對(duì)磁絮凝的預(yù)測有很好的效果。喬尚元等人(2016)發(fā)現(xiàn)煤泥中磁種在磁場的作用下相互吸引，強(qiáng)化了絮團(tuán)體的密實(shí)程度，減少了絮團(tuán)體的含水量，使絮團(tuán)體的體積減小，降低了煤泥的處理量。相比于傳統(tǒng)的煤泥的沉降有明顯的優(yōu)勢，該技術(shù)有可能是未來煤泥水處理的發(fā)展方向。

2.3 微生物絮凝沉降

微生物絮凝沉降由Louis Pasteur發(fā)現(xiàn)，并引起人們對(duì)微生物產(chǎn)生的菌種與微細(xì)顆粒凝聚行為的關(guān)注。微生物絮凝劑沉降是利用微生物的生物特性分泌的代謝物作為煤泥的絮凝劑的一種方式。微生物絮凝的原理是通過微生物與煤泥等物質(zhì)的吸附作用，這種作用可能是靜電力、離子鍵、氫鍵吸附或化學(xué)吸附等，減弱表面的電荷相斥，同時(shí)壓縮煤泥顆粒的表面雙電層，減弱ζ 電位。根據(jù)EDLVO理論，微生物與煤泥的作用使礦物表面的排斥力減弱，使煤泥顆粒更容易吸引。美國科學(xué)家Butterfidld 發(fā)現(xiàn)活性淤泥中篩選出的微生物菌種在絮凝生活污水有很好的效果。Zajic和Knetting等人從煤油中分離出一種棒狀桿菌對(duì)泥水有很好的絮凝效果；靳慧霞等人(2006)研究發(fā)現(xiàn)微生物絮凝沉降過程中，微生物的種類、用量和煤質(zhì)對(duì)微生物的絮凝沉降有很大的影響。此后大量的科學(xué)家進(jìn)行了很多研究發(fā)現(xiàn)，微生物作為絮凝劑可以對(duì)大腸桿菌、纖維素粉、活性污泥、硅藻土、煤泥水都具有很好的絮凝效果，它具有適應(yīng)性廣、無毒無害、絮凝效果好等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)絮凝劑的代替品。尤其是煤泥的處理，微生物處理后的水質(zhì)能更好地滿足洗選工藝的水質(zhì)循環(huán)要求，同時(shí)在沉降過程中減少了絮凝劑的消耗，可以產(chǎn)生好的經(jīng)濟(jì)效益。但在工藝處理淤泥污水時(shí)，微生物菌種的用量大，微生物的培養(yǎng)成本較高，也限制了它在工業(yè)中大規(guī)模的應(yīng)用。

3 結(jié)論

本文對(duì)電場輔助沉降、磁絮凝沉降和微生物絮凝沉降三種新的煤泥水處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。三種新的技術(shù)可以很好地提高煤泥沉降的效率，滿足循環(huán)水質(zhì)的要求。但三種新的沉降方法仍有很大的改善空間，是未來煤泥水澄清循環(huán)技術(shù)的發(fā)展方向。