黃延林¹，李梅¹，高曉梅²
（1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；
2.長安大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院，陜西 西安 10061）

　　摘要：通過采用結(jié)團(tuán)凝聚工藝對洗煤廢水進(jìn)行的實驗研究，得出了凝聚劑PAC、助凝劑PAM、水流上升速度U_W和強(qiáng)制攪拌轉(zhuǎn)速n對結(jié)團(tuán)凝聚工藝的影響規(guī)律，本實驗條件下，PAC、PAM、U_W和n適宜范圍為：ρ(PAC)=1.78～3.00mg/L；ρ(PAM)=1.10～2.90mg/L；U_W=30～50cm/min，n=40～80r/min。
　　關(guān)鍵詞：洗煤廢水；結(jié)團(tuán)凝聚；有效密度；出水濁度
　　中圖分類號：X703.1；X752
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　文章編號：1009-2455(2002)04-0023-03

Study on the Pellet Coagulation Process in Treating Coal-Washing Wastewater
HUANG Ting-lin¹，LI Mei¹，GAO Xiao-mei²
（1.School of Environment & Municipal Engineering，Xi‘a(chǎn)n Univereity of Architecture & Technology，
Xi‘a(chǎn)n 710055，China；2.School of Environmental Engineering，Chang‘a(chǎn)n University，Xi‘a(chǎn)n 71006l，China）

　　Abstract：ExPeriments were conducted to study pellet coagulation process in treating coal washing wastewater．The rules of the influences of flocculant PAC，promoter PAM，upflow rate Uw and compulsory stirring rotation speed n on the pellet coagulation process was found．Concluded from the experiments，applicable values for the above-mentioned substances and parameters are ρ(PAC)=1.78～3.00mg/L，ρ(PAM)=1.10～2.90mg/L，U_w=30～50cm/min，n=40～80r/min．
　　Key words：coal-washing wastewater；pellet coagulation；effective density；turbidity of treated water

前言

　　煤炭行業(yè)在煤的生產(chǎn)、運(yùn)輸、應(yīng)用等過程中會產(chǎn)生大量的廢水。例如選煤廠的洗煤廢水（也稱煤泥水）、燃煤廠輸煤傳遞廊道地面的沖洗廢水以及為了降低煤的灰分及硫化物等雜質(zhì)含量、提高煤炭質(zhì)量而對煤進(jìn)行洗選、精選所產(chǎn)生的洗煤廢水等。這些廢水具有水量大、污染重、處理困難等特點(diǎn)。中國煤炭行業(yè)僅國家重點(diǎn)煤礦每年產(chǎn)生的洗煤廢水就有2800×10⁴t，煤泥流失20×10⁴t，既污染了環(huán)境，又浪費(fèi)了資源^[1]。因此對洗煤廢水進(jìn)行有效處理是非常必要的。

1 洗煤廢水的性質(zhì)

　　洗煤廢水是由原生煤泥、次生煤泥和水混合組成的一種多項體系。洗煤廢水中包含有煤泥顆粒（粗煤泥顆粒0.5～1mm，細(xì)煤泥顆粒0～0.5mm），礦物質(zhì)，粘土顆粒等。洗煤廢水一般具有SS、CODcr、BOD₅濃度高、ζ電位極負(fù)的特點(diǎn)（見表1），因此，煤泥水不僅具有懸濁液的性質(zhì)，還往往帶有膠體的性質(zhì)；細(xì)煤泥顆粒、粘土顆粒等粒度非常小，不易靜沉，這些性質(zhì)決定了該類廢水污染重、處理難度大。

表1 部分煤礦洗煤廢水水質(zhì)^[2-4] 洗煤廢水來源 pH SS/(mg·L^-1) CODcr/(mg·L^-1) BOD₅/(mg·L^-1) ζ電位/mV 鐵法礦洗煤水 9.16 36410 3378 1120 -11.5～-90 曉明礦洗煤水 8.14～8.46 70000～100000 25000～43000 -72～-75 小青礦洗煤水 8.63～9.17 75000～150000 28000～48000 -37～-55 靈石洗煤外排水 6.7 5151 1279 32

2 洗煤廢水常規(guī)處理工藝

　　過去選煤廠采用煤泥水直接排入煤泥沉淀池中進(jìn)行沉淀處理，澄清水循環(huán)使用或外排。由于洗煤廢水中的細(xì)煤泥顆粒、粘土顆粒很難靜沉，煤泥顆粒在循環(huán)過程中不斷細(xì)化，造成循環(huán)水SS濃度提高，影響甚至破壞選煤工藝。這時就不得不外排一部分高濃度洗煤廢水或加入大量的清水進(jìn)行稀釋，從而造成洗水不平衡，無法實現(xiàn)清洗水的閉路循環(huán)，既造成環(huán)境污染又導(dǎo)致煤泥流失、資源浪費(fèi)。
2.1 重為濃縮沉淀法
　　重力濃縮沉淀法中，常選用沉淀池、濃縮機(jī)等工藝。長治煤氣化總公司選煤車間煤泥水處理工藝中，煤泥水通過撈坑進(jìn)入濃縮機(jī)后，其溢流固體含量不超過10g/L^[5]。南票礦務(wù)局水凌礦水采系統(tǒng)使用斜管沉淀池，處理煤泥水流量為350m³/h，使用了3個29m²的方形池，表面負(fù)荷4m³/(m²·h)，洗煤廢水SS濃度26.67g/L。日本的赤平選煤廠，采用了2臺深錐濃縮機(jī)，溢流水再由沉淀池進(jìn)一步處理。日本北海道的歌士內(nèi)選煤廠，在耙式濃縮機(jī)中加入斜板，使溢流水中SS濃度從150g/L降至50g/L。由此可見，采用自然沉淀法處理洗煤廢水，表面負(fù)荷低、占地面積大，廢水處理后懸浮物濃度依然較高，不能達(dá)到廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 混凝沉淀法
　　混凝沉淀法是目前洗煤廢水處理中廣泛使用的方法。針對不同的洗煤廢水性質(zhì)，采用不同的絮凝劑進(jìn)行處理^[3，6]。表2給出了部分煤泥水混凝沉淀處理的情況。

表2 煤泥水的混凝沉淀處理效果 洗煤廢水來源 進(jìn)水SS濃度/(g·L^-1) 投加絮凝劑種類 出水SS濃度/(g·L^-1) 小青礦 75～150 PAM+石灰 0.087 雞西城子河選煤廠 40 PHP 4～6 龐莊選煤廠 80～90 PAM(60～70mg/L)+硫酸鋁(100～150mg/L) ＜0.35 大屯選煤廠 8～10 PAM(＜5mg/L) 0.035

　　與重力濃縮沉淀法相比，混凝沉淀法處理洗煤廢水具有處理效果好、SS去除率高的特點(diǎn)，可以有效保證洗水的閉路循環(huán)，即使廢水外排也基本能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。但是，一般來說，混凝沉淀法的絮凝劑用量較大，藥劑費(fèi)用較高，對設(shè)備有一定的腐蝕性，而且形成的絮體密實度不高，含水率較大，不利于過濾和壓濾脫水。
　　以上兩種沉淀法存在一定的缺陷。因此，有效的沉淀濃縮技術(shù)是洗煤廢水處理和實現(xiàn)廢水閉路循環(huán)的關(guān)鍵。

3 結(jié)團(tuán)凝聚處理技術(shù)

3.1 結(jié)團(tuán)凝聚機(jī)理及原水水質(zhì)
　　結(jié)團(tuán)絮凝作為一種新型水處理技術(shù)，主要是通過提高絮凝體的密度實現(xiàn)固液的高速分離。結(jié)團(tuán)凝聚工藝是以絮凝動力學(xué)為原理的一種水處理技術(shù)，此工藝通過控制物理化學(xué)條件、動力平衡條件使洗煤廢水中的煤泥顆粒在實驗裝置中或在實際工藝的設(shè)備中形成結(jié)構(gòu)緊密的結(jié)團(tuán)絮體（Pellet Floc），從而達(dá)到高效去除懸浮物的目的。此工藝可省去預(yù)處理構(gòu)筑物，處理后的水質(zhì)可達(dá)到澄清要求，水力停留時間短，表面負(fù)荷高，處理效果好^[7-9]。
　　實驗水樣采用西安霸橋電廠從燃煤輸送帶飛落在通道地面的煤粉，經(jīng)篩分，取400μm以下的細(xì)煤粒，用自來水充分浸泡，配制的濃度為10g/L，洗煤廢水的pH值為8.86，ζ電位為-32.8mV，且煤泥顆粒粒度細(xì)小（30μm以下的煤粉占52％），無機(jī)碳含量大（占總碳量的90％）^[10]。
3.2 實驗結(jié)果及分析
　　結(jié)團(tuán)工藝有兩個控制過程，一是理想的初始粒子的形成階段，二是結(jié)團(tuán)體的形成階段，每一個階段又由物理化學(xué)條件和動力學(xué)條件來控制。實驗中通過控制PAC、PAM的投量，以及水流上升速度U_W和攪拌轉(zhuǎn)速n，得出結(jié)團(tuán)凝聚發(fā)生的最佳條件。
　　①PAC的作用是通過壓縮雙電層使水中顆粒脫穩(wěn)后發(fā)生凝聚，PAC投量要以滿足形成理想的初始粒子的要求為前提，在實驗條件為ρ(PAM)=1.1mg/L，ω=38r/min，U_W=18.6cm/min的情況下，改變PAC投量、結(jié)團(tuán)體的有效密度ρ_e、粒徑d_p、出水濁度SS的實驗結(jié)果見表3。實驗中得出PAC的適宜投量范圍為1.78～3.00mg/L。

表3 PAC投量對結(jié)團(tuán)凝聚的影響 PAC投量/
(mg·L^-1) ρ_e/
(kg·m^-3) d_p/
mm SS_t/
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強(qiáng)烈作用，實現(xiàn)架橋凝聚，增大結(jié)團(tuán)體的內(nèi)部結(jié)合力，使之致密化，這樣可以實現(xiàn)初始粒子在核絮體表面的逐個附著，在ρ(PAM)=2.6mg/L，N＝38r/min，U_W=18.6cm/min的條件下，結(jié)團(tuán)體的ρ_e、和的SS_t隨PAM投量變化的實驗結(jié)果見表4。本實驗條件下PAM適宜的投量為1.10～2.90mg/L。

表4 PAM投量對結(jié)團(tuán)凝聚的影響 PAM投量/
(mg·L^-1) ρ_e/
(kg·m^-3) d_p/
mm SS_t/
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U_W，即增大水力負(fù)荷，提高了懸浮顆粒的去除效率，但增大上升流速U_W，結(jié)團(tuán)流化床中懸浮層體積濃度會降低，從而削弱了煤泥結(jié)團(tuán)體的致密作用，使顆粒有效密度ρ_e降低。實際工程中，既要得到最大程度的上升流速，又要使結(jié)團(tuán)體致密、有效密度大、出水濁度低，得出適宜的上升流速范圍。在實驗為ρ(PAM)=1.1mg/L，ρ(PAC)=2.6mg/L，ω=38r/min的條件下，改變上升流速U_W，分析指標(biāo)ρ_e、d_p、SS_t的實驗數(shù)據(jù)見表5。本實驗條件下，上升流速U_W=50cm/min為宜。

表5 U_W對結(jié)團(tuán)凝聚的影響 U_W/
(cm·min^-1) ρ_e/
(kg·m^-3) d_p/
mm SS_t/
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攪拌轉(zhuǎn)速的作用是為結(jié)團(tuán)體的致密提供動力，同時保證流化床中結(jié)團(tuán)體成長粒度及布水的均勻性，使系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。轉(zhuǎn)速n的提高，致使剪切作用發(fā)生變化，結(jié)團(tuán)體致密作用增強(qiáng)，但強(qiáng)烈的剪湖作用會使d_p減小，在實際工程中，為降低能耗，也要選擇適宜的轉(zhuǎn)速值。攪拌轉(zhuǎn)速對結(jié)團(tuán)凝聚的影響較實驗的結(jié)果見表6。在實驗條件為ρ(PAM)=1.1mg/L，ρ(PAC)=2.6mg/L，U_W=22cm/min時，適宜的轉(zhuǎn)速值n為40～80r/min。
　　針對不同的水質(zhì)條件，通過改變PAC、PAM的投量以及U_W、n的值，可對該工藝操作條件進(jìn)行優(yōu)化。實驗結(jié)果證明，該工藝與傳統(tǒng)工藝相比，水處理表面負(fù)荷提高5～10倍，懸浮物去除率高達(dá)99％以上。

表6 轉(zhuǎn)速對結(jié)團(tuán)凝聚的影響 轉(zhuǎn)速/
(r·min^-1) ρ_e/
(kg·m^-3) d_p/
mm SS_t/
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 新技術(shù)應(yīng)用前景

　　結(jié)團(tuán)凝聚工藝能高效處理洗煤廢水，對實現(xiàn)廢水的再生回用充分利用水資源具有重要的意義，將產(chǎn)生顯著的環(huán)境效益和社會效益。隨裝置結(jié)構(gòu)和實驗條件的不斷改進(jìn)與完善，水力負(fù)荷會進(jìn)一步提高，實現(xiàn)該工藝的小型化、設(shè)備化。結(jié)團(tuán)凝聚技術(shù)在洗煤廢水處理及其它水處理的應(yīng)用方面都具有十分廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)：
[1]李竹榮，王秀琴．中國煤炭與環(huán)境問題初探[J]．煤炭經(jīng)濟(jì)研究，1999，36(10)：36～37．
[2]關(guān)曉輝，等 鐵法洗煤水穩(wěn)定性分析[J]．沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報， 1997，16(3)：67～70．
[3]李亞峰，等．洗煤廢水難處理的原因及處理方法研究[J]．礦業(yè)安全與環(huán)保，1999，2：1～2．
[4]馬志毅，等．水力旋流器處理洗煤廢水的實驗研究[J]．山西礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，1997，15(3)：248～253．
[5]郭苗，等．煤泥水閉路循環(huán)技術(shù)的研究[J]．洗煤技術(shù)，1999，5：28～30．
[6]康文澤，等．凝聚劑和絮凝劑的合理選擇[J]．東北煤炭技術(shù)，1999，2：30～32．
[7]黃廷林．結(jié)團(tuán)造粒流化床中造粒動力條件研究[J]．給水排水，1998，24(5)：25～29．
[8]Tambo N，Watanabe Y.Physical characteristics of floc(I)[J]．Water Research，1979，13：409－419．
[9]Tambo N，Wang X C．The mechanism of pellet flocculation in a fluidized-bed operation[J]．Water，SRT-Aqua，1993，42(2)：67～76．
[10]李梅．洗煤廢水結(jié)團(tuán)凝聚處理試驗研究[D]．西安：西安建筑科技大學(xué)，1998．

作者簡介：
黃廷林（1962～），男，山東昌邑人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事水處理技術(shù)、水污染控制與水資源保護(hù)方面的教學(xué)與
科研工作，電話(029)2202729。