煤泥水處理新方法研究進展及發展趨勢

張雷

【摘要】針對常規煤泥水藥劑易造成污染，不利于實現綠色選煤和煤炭清潔生產與利用，以及隨著煤泥水澄清處理難度增加，現有煤泥水處理技術不能滿足生產需求的現實問題，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用情況。分析結果表明：三種方法均可實現煤泥水的有效處理，并且能夠節約藥劑，降低煤泥水處理成本，但若投入工業化應用，尚需不斷完善與優化;在實際生產中，應結合選煤廠生產情況和原煤性質，選擇合適的煤泥水處理方法。

【關鍵詞】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

煤炭在我國能源結構中占據重要地位。煤炭清潔生產與利用對生態環境至關重要，且在新常態下對之提出了更高要求。煤炭的清潔生產主要通過煤炭洗選實現，目前我國煤炭洗選比例已達71.2%。煤炭洗選過程中的介質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。洗選用水在流經選煤各作業環節的過程中會混進煤泥，業內將混有煤泥的洗水稱為煤泥水。在整個洗選過程中會產生大量煤泥水，生產實踐表明，煤泥水的合理處理對于選煤生產至關重要。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，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——循環水，因此煤泥水處理是一個極其復雜、但又十分重要的環節。煤泥水澄清程度是實現洗水閉路循環的關鍵，有助于節約水資源，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發展，關系到資源保護與回收等帶來的經濟效益和社會效益，也是衡量選煤廠管理水平的重要標志。

2 煤泥水沉降澄清研究現狀

國內研究人員對煤泥水沉降澄清的研究開始較早。對于煤泥水處理方法，目前應用范圍最廣的是藥劑處理：聶容春等[2]通過光引發合成了陽離子型PAM絮凝劑，并對其絮凝沉降效果進行了研究;徐初陽等選取不同選煤廠的煤泥水，進行了絮凝沉降藥劑制度及藥劑用量的探索性試驗研究;廖寅飛等[5]針對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，通過藥劑復配，進行了沉降對比試驗;朱書全等[6]通過接枝共聚反應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，最終形成較大的絮團，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。隨著煤質惡化及煤炭開采機械化程度的提高，原煤中微細顆粒含量增加，在洗選過程中容易產生高濃度、細粒度、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需要。國外在煤泥水處理方面的文獻報道相對較少，主要原因可能是許多國家的原煤性質比我國好，煤泥水處理難度小。此外，國外在洗選設備以及煤泥水處理系統方面比較完善，對煤泥水的后續處理做得也較好，俄羅斯等產煤大國在煤泥水處理方面基本實現零排放。

3 煤泥水處理新方法

在水中，懸浮微粒的團聚程度主要取決于固體顆粒表面的電動電勢和水合程度。水合程度越低，所帶電荷量越小，顆粒在運動過程中黏附機率越大，聚合顆粒團越多。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，由于產生靜電作用，使得煤泥顆粒在水中長期保持分散狀態，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途徑提供了可能。通過一定的輔助技術手段，破壞煤泥水體系中顆粒的分散狀態，就可加速煤泥顆粒在水中的沉降。

3.1電場輔助煤泥水沉降

在煤泥水體系中，添加電場實現煤泥顆粒沉降主要有兩種技術路徑，即電泳技術和電絮凝技術。電泳技術是指在電場力的作用下，帶電粒子可向著與其電性相反的方向運動，根據帶電粒子移動速度的不同，可達到分離效果。該技術最早在醫學中應用于球蛋白的分離。目前已有研究表明，煤泥顆粒表面帶負電荷，在煤泥水處理過程中，添加外電場，可使煤泥顆粒定向移動，促進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對礦泥進行沉降試驗，試驗結果表明，電泳技術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的復墾用土。電絮凝技術是以鐵、鋁等金屬作為陽極，通過直流電場作用，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，吸附煤泥水中細粒物，最終形成煤泥絮團。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在兩方面：一是金屬陽離子與帶負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合，通過架橋作用形成較大的煤泥絮團，加速煤泥沉降。此外，還可以通過調節煤泥水體系pH值及水質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

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

3.2微生物絮凝沉降

微生物絮凝劑是一類由微生物產生的具有絮凝功能的高分子有機物，它可以克服無機高分子絮凝劑和合成有機高分子絮凝劑本身固有的缺陷，在污水及工業廢水的處理中實現無污染排放。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DLVO理論，煤泥顆粒表面電荷減小時顆粒間靜電斥力減小，有助于煤粒聚團沉降;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，國內一些學者也已經開始了利用微生物絮凝劑對煤泥水進行絮凝沉降的研究。江慧華、劉瑞娟等對產生微生物絮凝劑菌種的培養方法進行了研究，并對微生物絮凝劑的絮凝特性進行了試驗;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。諸多試驗研究結果表明：經微生物絮凝沉降后，煤泥水各項指標能達到國家排放標準，可為煤泥水的高效環保利用帶來良好的經濟效益和社會效益。對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對于絮凝沉降具有關鍵作用，微生物絮凝劑用量、使用條件、煤泥水性質等因素也會對沉降效果產生不同程度的影響。現階段對微生物絮凝劑的應用研究逐漸成熟，尤其在工業污水處理方面應用效果良好，越來越多的微生物絮凝劑在污水處理中表現出較好的適應性，不僅有利于環境保護，而且生產成本低廉，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，菌種用量大，微生物培養及增殖技術要求高，不利于大規模使用的限制。

3.3磁場輔助煤泥水沉降

磁場輔助煤泥水沉降是通過添加磁場使煤泥水體系絮團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行磁化預處理，再添加絮凝劑進行沉降澄清。在煤泥水處理過程中，外加磁場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，破壞體系的穩定狀態，實現煤泥水的沉降澄清。同時，由于受重力作用，底部壓實區的沉淀物在沉降壓縮過程中可進一步排出水分，令壓實區顆粒結合得更緊密，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方面：（1）磁化條件的探索。煤泥水的絮凝沉降速度隨磁感應強度及磁化時間的增加而增加，底層沉積物厚度和濁度隨磁感應強度的增大、磁化時間的延長而減小，且在磁感應強度為0.25T、磁化時間為15min時，煤泥水的處理效果最佳。試驗結果表明，磁場有助于降低煤泥顆粒表面電位，當pH值為7.0時，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。對煤泥水進行磁化預處理后進行了絮凝沉降試驗，結果表明：當HPAM用量為1.5mL、磁場強度為0.2T、磁處理時間為30min時，澄清區的高度最大，澄清液的濁度最小。以上研究均表明，外加磁場對煤泥水的沉降效果有促進作用。（2）煤泥水處理工藝的優化。針對浮選和固液分離等問題，采用磁化技術處理浮選礦漿，使精煤可燃體回收率提高了1.3個百分點。洗水濃度直接影響細顆粒的沉降速度，當洗水固體顆粒物含量為250g/L時，<50μm的細粒沉降速度降低80%～90%，而經過磁處理的洗水上層水的清潔度有所提高，且清潔區域有所增加。磁化技術可以有效降低煤泥水系統中的固體顆粒物含量，使循環水滿足生產需求，提高整個工藝的效率以及產品質量。（3）磁化水的研究。用“活性系數”來描述磁化水的活性，用試驗的方法研究了磁化水的活性與磁感應強度的關系。在磁化水-全尾砂絮凝沉降過程中，絮凝劑單耗飽和點（沉降速度最大時）比普通水的單耗飽和點低1/3，沉降速度高1.4～2.1倍，底流質量分數最大增幅達3.2%;當磁感應強度為150～200mT，磁化時間為20～25min，水循環流速為2.0～2.5m/s時，煤泥水沉降效果最好。從水的分子結構和氫鍵的特性出發，合理解釋了磁化水表面張力系數、黏度和密度的多極值現象。研究認為，在水體外添加0.2mT以上的磁場進行磁化時，因受到磁場的擾動作用，電子狀態發生變化，電子間的相互作用力減弱，部分氫鍵斷裂。相比于傳統的煤泥水處理方法，磁場輔助絮凝在環境保護方面具有明顯優勢，但在進行大規模煤泥水處理時也存在一定的安全隱患。隨著煤泥水處理技術的發展，該技術或將成為煤泥水處理的重要發展方向之一。

4 結論及展望

煤泥水處理是選煤生產中的關鍵環節，傳統藥劑用藥量大、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，電場輔助技術可節省場地且無藥劑污染，但是對電力設備性能要求較高，因此今后需要對電場中電流、電極作出最優化配置，在進一步提高處理效果的同時，降低安全隱患。（2）微生物絮凝技術需要在保證現有澄清效果的基礎上，進一步篩選和培育處理周期短、增殖要求低的微生物菌種，且擴大應用規模，盡早實現與現有選煤工業的銜接。（3）磁場輔助技術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之一。對高性能磁化裝置的開發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，并可滿足循環水的水質要求，但都存在高能耗等問題。因此，在煤泥水處理新技術研究的同時，還應繼續優化煤泥水處理工藝，并著力研究

開發經濟、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儲備，以備生產中根據煤質特性選擇合適的煤泥水處理方法，更好地促進我國煤炭工業的可持續發展。

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