摘要：通过采用结团凝聚工艺对洗煤废水进行的实验研究，得出了凝聚剂PAC、助凝剂PAM、水流上升速度UW和强制搅拌转速n对结团凝聚工艺的影响规律，本实验条件下，PAC、PAM、UW和n适宜范围为：ρ(PAC)=1.78～3.00mg/L；ρ(PAM)=1.10～2.90mg/L；UW=30～50cm/min，n=40～80r/min。
关键词：洗煤废水 结团凝聚 有效密度 出水浊度
前言
煤炭行业在煤的生产、运输、应用等过程中会产生大量的废水。例如选煤厂的洗煤废水（也称煤泥水）、燃煤厂输煤传递廊道地面的冲洗废水以及为了降低煤的灰分及硫化物等杂质含量、提高煤炭质量而对煤进行洗选、精选所产生的洗煤废水等。这些废水具有水量大、污染重、处理困难等特点。中国煤炭行业仅国家重点煤矿每年产生的洗煤废水就有2800×104t，煤泥流失20×104t，既污染了环境，又浪费了资源[1]。因此对洗煤废水进行有效处理是非常必要的。
1 洗煤废水的性质
洗煤废水是由原生煤泥、次生煤泥和水混合组成的一种多项体系。洗煤废水中包含有煤泥颗粒（粗煤泥颗粒0.5～1mm，细煤泥颗粒0～0.5mm），矿物质，粘土颗粒等。洗煤废水一般具有SS、cr、BOD5浓度高、ζ电位极负的特点（见表1），因此，煤泥水不仅具有悬浊液的性质，还往往带有胶体的性质；细煤泥颗粒、粘土颗粒等粒度非常小，不易静沉，这些性质决定了该类废水污染重、处理难度大。
| 洗煤废水来源 | pH | SS/(mg·L-1) | cr/(mg·L-1) | BOD5/(mg·L-1) | ζ电位/mV |
| 铁法矿洗煤水 | 9.16 | 36410 | 3378 | 1120 | -11.5～-90 |
| 晓明矿洗煤水 | 8.14～8.46 | 70000～100000 | 25000～43000 | -72～-75 | |
| 小青矿洗煤水 | 8.63～9.17 | 75000～150000 | 28000～48000 | -37～-55 | |
| 灵石洗煤外排水 | 6.7 | 5151 | 1279 | 32 |
2 洗煤废水常规处理工艺
过去选煤厂采用煤泥水直接排入煤泥中进行沉淀处理，澄清水循环使用或外排。由于洗煤废水中的细煤泥颗粒、粘土颗粒很难静沉，煤泥颗粒在循环过程中不断细化，造成循环水SS浓度提高，影响甚至破坏选煤工艺。这时就不得不外排一部分高浓度洗煤废水或加入大量的清水进行稀释，从而造成洗水不平衡，无法实现清洗水的闭路循环，既造成环境污染又导致煤泥流失、资源浪费。
2.1 重为浓缩沉淀法
重力浓缩沉淀法中，常选用、浓缩机等工艺。长治煤气化总公司选煤车间煤泥水处理工艺中，煤泥水通过捞坑进入浓缩机后，其溢流固体含量不超过10g/L[5]。南票矿务局水凌矿水采系统使用斜管，处理煤泥水流量为350m3/h，使用了3个29m2的方形池，表面负荷4m3/(m2·h)，洗煤废水SS浓度26.67g/L。日本的赤平选煤厂，采用了2台深锥浓缩机，溢流水再由进一步处理。日本北海道的歌士内选煤厂，在耙式浓缩机中加入斜板，使溢流水中SS浓度从150g/L降至50g/L。由此可见，采用自然沉淀法处理洗煤废水，表面负荷低、占地面积大，废水处理后浓度依然较高，不能达到废水排放标准。
2.2 混凝沉淀法
混凝沉淀法是目前洗煤废水处理中广泛使用的方法。针对不同的洗煤废水性质，采用不同的絮凝剂进行处理[3，6]。表2给出了部分煤泥水混凝沉淀处理的情况。
| 洗煤废水来源 | 进水SS浓度/(g·L-1) | 投加絮凝剂种类 | 出水SS浓度/(g·L-1) |
| 小青矿 | 75～150 | PAM+石灰 | 0.087 |
| 鸡西城子河选煤厂 | 40 | PHP | 4～6 |
| 庞庄选煤厂 | 80～90 | PAM(60～70mg/L)+硫酸铝(100～150mg/L) | ＜0.35 |
| 大屯选煤厂 | 8～10 | PAM(＜5mg/L) | 0.035 |
与重力浓缩沉淀法相比，混凝沉淀法处理洗煤废水具有处理效果好、SS去除率高的特点，可以有效保证洗水的闭路循环，即使废水外排也基本能达到排放标准。但是，一般来说，混凝沉淀法的絮凝剂用量较大，药剂费用较高，对设备有一定的腐蚀性，而且形成的絮体密实度不高，含水率较大，不利于过滤和压滤脱水。
以上两种沉淀法存在一定的缺陷。因此，有效的沉淀浓缩技术是洗煤废水处理和实现废水闭路循环的关键。
3 结团凝聚处理技术
3.1 结团凝聚机理及原水水质
结团絮凝作为一种新型水处理技术，主要是通过提高絮凝体的密度实现固液的高速分离。结团凝聚工艺是以絮凝动力学为原理的一种水处理技术，此工艺通过控制物理化学条件、动力平衡条件使洗煤废水中的煤泥颗粒在实验装置中或在实际工艺的设备中形成结构紧密的结团絮体（Pellet Floc），从而达到高效去除的目的。此工艺可省去预处理构筑物，处理后的水质可达到澄清要求，水力停留时间短，表面负荷高，处理效果好[7-9]。
实验水样采用西安霸桥电厂从燃煤输送带飞落在通道地面的煤粉，经筛分，取400μm以下的细煤粒，用自来水充分浸泡，配制的浓度为10g/L，洗煤废水的pH值为8.86，ζ电位为-32.8mV，且煤泥颗粒粒度细小（30μm以下的煤粉占52％），无机碳含量大（占总碳量的90％）[10]。
3.2 实验结果及分析
结团工艺有两个控制过程，一是理想的初始粒子的形成阶段，二是结团体的形成阶段，每一个阶段又由物理化学条件和动力学条件来控制。实验中通过控制PAC、PAM的投量，以及水流上升速度UW和搅拌转速n，得出结团凝聚发生的最佳条件。
①PAC的作用是通过压缩双电层使水中颗粒脱稳后发生凝聚，PAC投量要以满足形成理想的初始粒子的要求为前提，在实验条件为ρ(PAM)=1.1mg/L，ω=38r/min，UW=18.6cm/min的情况下，改变PAC投量、结团体的有效密度ρe、粒径dp、出水浊度SS的实验结果见表3。实验中得出PAC的适宜投量范围为1.78～3.00mg/L。
| PAC投量/ (mg·L-1) |
ρe/ (kg·m-3) |
dp/ mm |
SSt/ NTU |
| 0.57 | 85.40 | 0.544 | 54.8 |
| 1.84 | 69.75 | 0.672 | 24.3 |
| 2.60 | 50.00 | 0.839 | 18.5 |
| 3.30 | 49.05 | 0.956 | 16.6 |
| 4.02 | 40.12 | 1.136 | 16.5 |
| 4.78 | 34.42 | 1.266 | 16.3 |
②PAM的主要作用是靠高分子的强烈作用，实现架桥凝聚，增大结团体的内部结合力，使之致密化，这样可以实现初始粒子在核絮体表面的逐个附着，在ρ(PAM)=2.6mg/L，N＝38r/min，UW=18.6cm/min的条件下，结团体的ρe、和的SSt随PAM投量变化的实验结果见表4。本实验条件下PAM适宜的投量为1.10～2.90mg/L。
| PAM投量/ (mg·L-1) |
ρe/ (kg·m-3) |
dp/ mm |
SSt/ NTU |
| 0.84 | 40.32 | 0.890 | 52.0 |
| 1.10 | 42.86 | 1.046 | 27.1 |
| 1.78 | 48.25 | 1.175 | 26.4 |
| 2.39 | 53.14 | 1.139 | 22.5 |
| 2.90 | 62.74 | 1.034 | 20.6 |
| 4.41 | 84.50 | 0.900 | 20.1 |
③增大上升流速UW，即增大水力负荷，提高了悬浮颗粒的去除效率，但增大上升流速UW，结团流化床中悬浮层体积浓度会降低，从而削弱了煤泥结团体的致密作用，使颗粒有效密度ρe降低。实际工程中，既要得到最大程度的上升流速，又要使结团体致密、有效密度大、出水浊度低，得出适宜的上升流速范围。在实验为ρ(PAM)=1.1mg/L，ρ(PAC)=2.6mg/L，ω=38r/min的条件下，改变上升流速UW，分析指标ρe、dp、SSt的实验数据见表5。本实验条件下，上升流速UW=50cm/min为宜。
| UW/ (cm·min-1) |
ρe/ (kg·m-3) |
dp/ mm |
SSt/ NTU |
| 19.1 | 74.87 | 0.742 | 22.1 |
| 29.4 | 69.34 | 0.803 | 26.2 |
| 40.7 | 46.78 | 0.887 | 29.5 |
| 49.2 | 37.83 | 1.043 | 31.6 |
| 59.7 | 36.50 | 1.104 | 43.3 |
④搅拌转速的作用是为结团体的致密提供动力，同时保证流化床中结团体成长粒度及布水的均匀性，使系统持续稳定运行。转速n的提高，致使剪切作用发生变化，结团体致密作用增强，但强烈的剪湖作用会使dp减小，在实际工程中，为降低能耗，也要选择适宜的转速值。搅拌转速对结团凝聚的影响较实验的结果见表6。在实验条件为ρ(PAM)=1.1mg/L，ρ(PAC)=2.6mg/L，UW=22cm/min时，适宜的转速值n为40～80r/min。
针对不同的水质条件，通过改变PAC、PAM的投量以及UW、n的值，可对该工艺操作条件进行优化。实验结果证明，该工艺与传统工艺相比，水处理表面负荷提高5～10倍，去除率高达99％以上。
| 转速/ (r·min-1) |
ρe/ (kg·m-3) |
dp/ mm |
SSt/ NTU |
| 20 | 40.46 | 1.301 | 50.2 |
| 40 | 41.71 | 1.264 | 41.3 |
| 60 | 53.53 | 1.123 | 30.2 |
| 80 | 73.29 | 0.978 | 22.4 |
| 100 | 83.01 | 0.882 | 21.5 |
| 120 | 108.34 | 0.702 | 20.3 |
4 新技术应用前景
结团凝聚工艺能高效处理洗煤废水，对实现废水的再生回用充分利用水资源具有重要的意义，将产生显著的环境效益和社会效益。随装置结构和实验条件的不断改进与完善，水力负荷会进一步提高，实现该工艺的小型化、设备化。结团凝聚技术在洗煤废水处理及其它水处理的应用方面都具有十分广阔的前景。
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