煤泥水处理新方法研究进展及发展趋势

张雷

【摘要】针对常规煤泥水药剂易造成污染，不利于实现绿色选煤和煤炭清洁生产与利用，以及随着煤泥水澄清处理难度增加，现有煤泥水处理技术不能满足生产需求的现实问题，介绍了三种煤泥水处理新方法，并阐述分析了三种处理方法的工作原理及应用情况。分析结果表明：三种方法均可实现煤泥水的有效处理，并且能够节约药剂，降低煤泥水处理成本，但若投入工业化应用，尚需不断完善与优化;在实际生产中，应结合选煤厂生产情况和原煤性质，选择合适的煤泥水处理方法。

【关键词】煤泥水处理;电絮凝;微生物絮凝;磁化絮凝;沉降效果

1 煤炭资源的重要性

煤炭在我国能源结构中占据重要地位。煤炭清洁生产与利用对生态环境至关重要，且在新常态下对之提出了更高要求。煤炭的清洁生产主要通过煤炭洗选实现，目前我国煤炭洗选比例已达71.2%。煤炭洗选过程中的介质主要是水或水的混合物，通常入选1t原煤需要用水3.0～5.0m3。洗选用水在流经选煤各作业环节的过程中会混进煤泥，业内将混有煤泥的洗水称为煤泥水。在整个洗选过程中会产生大量煤泥水，生产实践表明，煤泥水的合理处理对于选煤生产至关重要。一般情况下煤泥水处理过程由洗水澄清与煤泥处理两部分组成。为了减少水资源浪费，需最大限度地从煤泥水中分离出固体物，并获得符合要求的分选介质——循环水，因此煤泥水处理是一个极其复杂、但又十分重要的环节。煤泥水澄清程度是实现洗水闭路循环的关键，有助于节约水资源，而煤泥的合理利用则有助于提高煤炭资源的综合利用效益。总之，选煤厂煤泥水处理水平影响着选煤厂的可持续发展，关系到资源保护与回收等带来的经济效益和社会效益，也是衡量选煤厂管理水平的重要标志。

2 煤泥水沉降澄清研究现状

国内研究人员对煤泥水沉降澄清的研究开始较早。对于煤泥水处理方法，目前应用范围最广的是药剂处理：聂容春等[2]通过光引发合成了阳离子型PAM絮凝剂，并对其絮凝沉降效果进行了研究;徐初阳等选取不同选煤厂的煤泥水，进行了絮凝沉降药剂制度及药剂用量的探索性试验研究;廖寅飞等[5]针对煤泥水自然沉降效果差的问题，以聚丙烯酰胺为絮凝剂，以明矾和聚合氯化铝为凝聚剂，通过药剂复配，进行了沉降对比试验;朱书全等[6]通过接枝共聚反应研制出改性淀粉高分子絮凝剂，并将之用于煤泥水沉降试验研究。以上研究均表明，添加絮凝剂有助于煤泥水体系的固体悬浮物凝聚成团，最终形成较大的絮团，改善煤泥水澄清效果。但是，这种絮凝处理工艺用药量大，效率低，成本较高，易造成药剂的二次污染。随着煤质恶化及煤炭开采机械化程度的提高，原煤中微细颗粒含量增加，在洗选过程中容易产生高浓度、细粒度、高灰分的高泥化煤泥水，大大增加了煤泥水处理难度。对于这种难处理的高泥化煤泥水，单纯依靠添加药剂无法满足选煤生产需要。国外在煤泥水处理方面的文献报道相对较少，主要原因可能是许多国家的原煤性质比我国好，煤泥水处理难度小。此外，国外在洗选设备以及煤泥水处理系统方面比较完善，对煤泥水的后续处理做得也较好，俄罗斯等产煤大国在煤泥水处理方面基本实现零排放。

3 煤泥水處理新方法

在水中，悬浮微粒的团聚程度主要取决于固体颗粒表面的电动电势和水合程度。水合程度越低，所带电荷量越小，颗粒在运动过程中黏附机率越大，聚合颗粒团越多。研究表明：在煤泥水体系中，悬浮颗粒表面一般带有同种电荷，由于产生静电作用，使得煤泥颗粒在水中长期保持分散状态，不利于煤泥水的沉降澄清，但该特性也为开辟新的煤泥水沉降澄清技术途径提供了可能。通过一定的辅助技术手段，破坏煤泥水体系中颗粒的分散状态，就可加速煤泥颗粒在水中的沉降。

3.1电场辅助煤泥水沉降

在煤泥水体系中，添加电场实现煤泥颗粒沉降主要有两种技术路径，即电泳技术和电絮凝技术。电泳技术是指在电场力的作用下，带电粒子可向着与其电性相反的方向运动，根据带电粒子移动速度的不同，可达到分离效果。该技术最早在医学中应用于球蛋白的分离。目前已有研究表明，煤泥颗粒表面带负电荷，在煤泥水处理过程中，添加外电场，可使煤泥颗粒定向移动，促进煤泥颗粒的凝聚与沉降，提高煤泥水沉降速率与澄清效果。刘宝臣等采用自然静置方法与电泳技术对矿泥进行沉降试验，试验结果表明，电泳技术可以降低直接排放矿泥的含水量，提高排放矿泥浓度，有利于矿泥作为矿山采空区的复垦用土。电絮凝技术是以铁、铝等金属作为阳极，通过直流电场作用，阳极被溶蚀成金属阳离子，在一系列的水解、聚合及氧化作用下，形成多种胶体絮凝剂，吸附煤泥水中细粒物，最终形成煤泥絮团。其主要原理如图1所示。在煤泥水体系中，电絮凝的作用主要体现在两方面：一是金属阳离子与带负电荷的煤泥颗粒中和，降低颗粒表面ζ电位，从而增大颗粒间的碰撞几率;二是金属阳离子形成的胶体絮凝剂可以与煤颗粒结合，通过架桥作用形成较大的煤泥絮团，加速煤泥沉降。此外，还可以通过调节煤泥水体系pH值及水质硬度来提高电絮凝效果。董宪姝等通过电絮凝的方法减小或消除煤泥水颗粒表面电荷量，压缩双电层，提高了煤泥水絮凝沉降效率。

图1 电絮凝装置及其工作原理示意图

与传统煤泥水处理方法相比，添加外电场可以节省浓缩池的面积以及大量药剂，减少环境污染，从而降低煤泥水处理成本，同时提高沉降澄清效果，可有效降低煤泥水体系的固体颗粒物含量，降低循环水黏度，提高循环水的利用率，对选煤厂的洗水循环系统有利。

3.2微生物絮凝沉降

微生物絮凝剂是一类由微生物产生的具有絮凝功能的高分子有机物，它可以克服无机高分子絮凝剂和合成有机高分子絮凝剂本身固有的缺陷，在污水及工业废水的处理中实现无污染排放。在微生物絮凝剂中，有一部分微生物絮凝剂带有与煤泥颗粒相反的电荷，可中和煤泥颗粒表面电荷，根据DLVO理论，煤泥颗粒表面电荷减小时颗粒间静电斥力减小，有助于煤粒聚团沉降;还有一部分微生物絮凝剂有利于减薄煤泥颗粒表面的水化膜，使带电颗粒间有效碰撞几率增加，从而提高絮凝沉降效果。近年来，国内一些学者也已经开始了利用微生物絮凝剂对煤泥水进行絮凝沉降的研究。江慧华、刘瑞娟等对产生微生物絮凝剂菌种的培养方法进行了研究，并对微生物絮凝剂的絮凝特性进行了试验;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选脱硫。诸多试验研究结果表明：经微生物絮凝沉降后，煤泥水各项指标能达到国家排放标准，可为煤泥水的高效环保利用带来良好的经济效益和社会效益。对微生物絮凝沉降影响因素的研究表明：微生物絮凝剂的性质对于絮凝沉降具有关键作用，微生物絮凝剂用量、使用条件、煤泥水性质等因素也会对沉降效果产生不同程度的影响。现阶段对微生物絮凝剂的应用研究逐渐成熟，尤其在工业污水处理方面应用效果良好，越来越多的微生物絮凝剂在污水处理中表现出较好的适应性，不仅有利于环境保护，而且生产成本低廉，值得在煤泥水的处理中借鉴使用。但该法也存在处理周期较长，菌种用量大，微生物培养及增殖技术要求高，不利于大规模使用的限制。

3.3磁场辅助煤泥水沉降

磁场辅助煤泥水沉降是通过添加磁场使煤泥水体系絮团加速沉降的一种新型煤泥水处理方法，其主要工艺是先将煤泥水进行磁化预处理，再添加絮凝剂进行沉降澄清。在煤泥水处理过程中，外加磁场主要作用于煤泥颗粒表面电位，通过降低煤泥颗粒表面电位，减小颗粒之间的静电斥力，增加颗粒凝聚几率，有助于絮凝剂在煤泥水体系中形成大颗粒聚团，破坏体系的稳定状态，实现煤泥水的沉降澄清。同时，由于受重力作用，底部压实区的沉淀物在沉降压缩过程中可进一步排出水分，令压实区颗粒结合得更紧密，使沉降高度降低，从而明显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几个方面：（1）磁化条件的探索。煤泥水的絮凝沉降速度随磁感应强度及磁化时间的增加而增加，底层沉积物厚度和浊度随磁感应强度的增大、磁化时间的延长而减小，且在磁感应强度为0.25T、磁化时间为15min时，煤泥水的处理效果最佳。试验结果表明，磁场有助于降低煤泥颗粒表面电位，当pH值为7.0时，磁处理前煤泥颗粒表面ζ电位为-31.24mV，磁处理后煤泥颗粒表面ζ电位为-11.24mV。对煤泥水进行磁化预处理后进行了絮凝沉降试验，结果表明：当HPAM用量为1.5mL、磁场强度为0.2T、磁处理时间为30min时，澄清区的高度最大，澄清液的浊度最小。以上研究均表明，外加磁场对煤泥水的沉降效果有促进作用。（2）煤泥水处理工艺的优化。针对浮选和固液分离等问题，采用磁化技术处理浮选矿浆，使精煤可燃体回收率提高了1.3个百分点。洗水浓度直接影响细颗粒的沉降速度，当洗水固体颗粒物含量为250g/L时，<50μm的细粒沉降速度降低80%～90%，而经过磁处理的洗水上层水的清洁度有所提高，且清洁区域有所增加。磁化技术可以有效降低煤泥水系统中的固体颗粒物含量，使循环水满足生产需求，提高整个工艺的效率以及产品质量。（3）磁化水的研究。用“活性系数”来描述磁化水的活性，用试验的方法研究了磁化水的活性与磁感应强度的关系。在磁化水-全尾砂絮凝沉降过程中，絮凝剂单耗饱和点（沉降速度最大时）比普通水的单耗饱和点低1/3，沉降速度高1.4～2.1倍，底流质量分数最大增幅达3.2%;当磁感应强度为150～200mT，磁化时间为20～25min，水循环流速为2.0～2.5m/s时，煤泥水沉降效果最好。从水的分子结构和氢键的特性出发，合理解释了磁化水表面张力系数、黏度和密度的多极值现象。研究认为，在水体外添加0.2mT以上的磁场进行磁化时，因受到磁场的扰动作用，电子状态发生变化，电子间的相互作用力减弱，部分氢键断裂。相比于传统的煤泥水处理方法，磁场辅助絮凝在环境保护方面具有明显优势，但在进行大规模煤泥水处理时也存在一定的安全隐患。随着煤泥水处理技术的发展，该技术或将成为煤泥水处理的重要发展方向之一。

4 结论及展望

煤泥水处理是选煤生产中的关键环节，传统药剂用药量大、效率低、成本较高，且易造成二次污染。近年来，随着煤泥水处理难度的逐渐增加，对新型煤泥水处理方法有了迫切需求。（1）在煤泥水处理过程中，电场辅助技术可节省场地且无药剂污染，但是对电力设备性能要求较高，因此今后需要对电场中电流、电极作出最优化配置，在进一步提高处理效果的同时，降低安全隐患。（2）微生物絮凝技术需要在保证现有澄清效果的基础上，进一步筛选和培育处理周期短、增殖要求低的微生物菌种，且扩大应用规模，尽早实现与现有选煤工业的衔接。（3）磁场辅助技术处理煤泥水澄清效果好，且占地面积小，污染小，是比较理想的煤泥水处理技术之一。对高性能磁化装置的开发利用是未来的主要研究方向之一。（4）三种新的煤泥水处理方法都可提高煤泥水的沉降效率，并可满足循环水的水质要求，但都存在高能耗等问题。因此，在煤泥水处理新技术研究的同时，还应继续优化煤泥水处理工艺，并着力研究

开发经济、高效、绿色的煤泥水处理药剂，为煤泥水的处理增添更多的技术储备，以备生产中根据煤质特性选择合适的煤泥水处理方法，更好地促进我国煤炭工业的可持续发展。

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