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煤泥水处理新技术及发展趋势

发布日期:2019-06-11 浏览次数:14

煤炭在我国能源结构中占具重要地位。新常态下,我国经济社会的适度、高质量发展对煤炭的清洁生产与利用提出了更高的要求的。煤炭洗选是煤炭清洁利用的主要手段,目前我国洗选比例已超过60%。煤炭洗选产生大量煤泥水,如不能妥善处理并循环利用,将产生严重污染环境和水资源浪费。煤泥水影响煤炭洗选的整个过程,而且产生量大、浓度高、性质复杂,煤泥水处理已成为选煤工艺中涉及面广、投资大、最难管理的工艺环节。在综合考虑洗煤工艺的基础上,通过煤泥水综合治理管控循环水系统,实现洗水的闭路循环,对于绿色选煤至关重要,而煤泥水澄清处理是煤泥水综合治理的关键一环。目前工业上常用的煤泥水澄清处理方法是通过投加药剂实现悬浮颗粒的混凝沉降,该方法对泥化程度低、易沉降煤的泥水处理效果较好,可满足洗水闭路循环的要求。但在多数选煤厂的应用中,此方法还存在明显问题,轻则煤泥水处理效率低、循环水水质不达标,影响其他工艺流程,重则导致停产。为此,工业上亟需更高效的煤泥水处理技术。


煤泥水主要由煤泥和水组成,是一种复杂的多分散体系。随着采煤机械化程度的提高,使得大量的粘土等伴生矿物进入原煤中,同时由于细粒分选的要求,煤炭中微细粒颗粒大幅增加(-0.045mm粒级的颗粒占比约90%),致使煤泥水泥化程度增加。高泥化煤泥水的主要特点是高浓度、细粒度、高灰分,再加上悬浮颗粒表面的一般带有同种电荷,产生静电作用,使得煤泥颗粒在水中长期保持分散状态。研究表明,煤泥颗粒表面包覆有一层水化膜,水化膜妨碍胶粒与絮凝剂分子间的相互作用,对絮团形成具有严重的负面影响。煤泥水的性质与入选原煤种类及选煤工艺密切相关,不同选煤厂产生的煤泥水性质差异很大;水的性质(如硬度等)也对煤泥水特性具有重要影响。煤泥水处理已成为选煤工艺中涉及面广、最难管理的环节。

1 煤泥水澄清处理现状

目前国内工业上主要投加混凝药剂(絮凝剂、凝聚剂等)的方法加速煤泥水的沉降。由于不同选煤厂煤泥水的性质差异较大、浓缩澄清工艺不同,药剂制度很难确定,煤泥水处理效果很不稳定,对于难处理的高泥化煤泥水效果更差。生产中存在的主要问题包括:

1)煤泥沉降速度慢,运转周期长,有的选煤厂的煤泥水甚至放置几个星期也不能达到理想的澄清效果;

2)循环水浓度高、粘度大,影响整个洗煤工艺;

3)消耗大量絮凝药剂,不但成本高,而且对循环水性质造成负面影响。当煤泥水泥化严重时,需要增加药剂的投放量,使选煤厂的经济效益降低;

4)由于煤泥水处理系统的繁琐庞大,需配备大面积的沉淀池,占地面积大,有悖于我国的耕地保护与环境保护政策。

相比而言,国外许多国家选煤厂由于入厂原煤性质好,煤泥水处理系统较完善,因而煤泥水处理问题并不突出。美国、澳大利亚、俄罗斯,波兰等主要煤炭生产大国在煤泥水处理方面基本实现了零排放。

总的来看,国内现有的煤泥水澄清处理工艺不能满足现代化化选煤、绿色选煤的要求,煤炭洗选用水很难实现闭路循环。只有对煤泥水处理技术进行技术革新与工艺改进,才能实现选煤厂水系统的有效管控和洗水闭路循环。令人欣慰的是,通过业内研究者的不懈努力,一些煤泥水澄清处理的新技术已经浮出水面。

2 煤泥水澄清处理新技术
2.1 电场辅助沉降

电场辅助沉降主要包括2种机制:电泳技术和电絮凝技术。电泳技术是利用煤泥颗粒表面带负电荷的性质,使煤泥颗粒在电场力的作用下向阳极作定向电泳运动。在煤泥水处理过程中,通过设定外电场方向(向上),可加速煤泥颗粒的凝聚和沉降速度,从而提高沉降效率。刘宝臣等人的研究发现,通过在矿泥中加电场的方法,可以降低矿泥的含水量。杜慧玲等人通过电絮凝法对渤海湾的海水(盐度为30‰,悬浮物固体质量浓度为16.85mg/L)进行了悬浮物的清除试验。

电絮凝技术的基本原理是,在直流电场中,作为阳极的铝或铁溶解形成Al或Fe,经水解聚合后,形成胶体絮凝剂,吸附煤泥水中细粒物粒形成煤泥絮团,其工艺原理如图1所示。电絮凝对煤泥水的作用包括两方面:铝盐、铁盐胶体可与煤泥颗粒表面的负电荷中和,降低ξ电位,从而增大颗粒间的碰撞几率 ;同时,铝、铁絮凝剂通过吸附、架桥、网捕作用与煤泥颗粒结合,形成煤泥絮团,加速煤泥沉降。必要时还可以通过投加pH调整剂或者改变水的硬度促进电絮凝效果。目前,电絮凝方法在含油废水、焦化废水、工业除氟、TNT除酸、垃圾渗滤液上,以及造纸废水等工业废水的处理领域研究较多,有些已实现工业化生产。在煤泥水处理方面,电絮凝技术尚处于实验室的研究阶段,董宪姝等人利用电絮凝的方法消除煤泥水颗粒表面电荷,提高了煤泥水絮凝沉降效率。


电化学方法处理煤泥水不但可有效去除SS和COD,实现较好的澄清效果,而且可提高煤泥水沉降效率。同时,与传统工业处理煤泥水方法相比,由于省去了大面积的浓缩池,可节约土地资源;无需投加大量药剂,所以可降低煤泥水处理成本,同时明显降低循环水粘度。水粘度降低,对清水回用及上下游工艺的进行都可产生积极作用。

电化学煤泥水处理,需要较强外加电场,因此电能消耗高、对电力设备及安全防护要求较高。在电絮凝反应过程中,金属阳极的Fe和Al等表面会生成一层致密的氧化薄膜,阻碍电化学反应的发生;若使用较高电流强度时,电极钝化现象更为严重,同时还大幅增加能耗。此外,利用直流高压电处理大体积煤泥水,存在一定用电安全隐患。


2.2 磁絮凝沉降

磁絮凝沉降是通过磁场加速煤泥絮团沉降的一种污水处理方法。通过向煤泥水中同时投放絮凝剂和磁种,在絮凝、吸附、架桥等作用下使水中悬浮颗粒与磁种颗粒结合生成磁性絮团,最后利用外加磁场将磁性絮团分离出来,实现煤泥水澄清处理。其主要工艺环节包括:煤泥水的预磁化处理、磁种与絮凝剂投加、磁辅助沉降及回收磁种等,工艺流程如图2所示。微观上,絮凝剂高分子链与煤泥颗粒及磁种结合、形成稳定的磁絮团是磁絮凝的关键。因此,在磁絮凝工艺中,选择合适的磁种、改善煤泥颗粒的表面性质、调整煤泥水的物理性质(如pH等)都非常重要。如果对煤泥水进行预先磁处理,磁絮凝效果更佳。煤泥水磁处理,可破坏水分子的类晶体结构、破坏水分子长链,增加游离态水分子数目;同时还可减小煤泥的水合程度,减薄颗粒表面的水化膜,促进煤泥颗粒的凝聚。此外,磁絮团中含有大量的磁种颗粒,在磁场作用下,磁性颗粒间相互吸引,可增加絮团的密实程度,挤出絮团中多余的水分,从而大幅减少尾泥体积,降低尾泥处理难度。

由于磁絮凝技术操作简单、经济实用、分离沉降速度快,而且尾泥较密实、体积小、含水量低,使得其性能较传统方法有更明显的优势和更独特的性能。另一方面,选煤厂中的多级浓缩机构和循环水备用存储池占地面积很大,远远超过主厂房的建筑用地;如果磁絮凝技术能用于选煤厂生产实践,有望取代浓缩池的作用,大大节约选煤厂的占地面积。除此之外,加载的磁性颗粒可以经过磁分选系统回收,用它处理煤泥水,以废治废,可以达到资源的再利用效果,具有很好地环保效益;而且与磁分离技术匹配的设备可国产化,能够满足不同类型的煤泥水处理工艺要求。到目前为止,磁絮凝技术已应用于水净化、微藻处理、垃圾渗滤液、重金属去除、含油废水处理等领域。在煤泥水的磁絮凝澄清处理方面,李建军等人进行了试验性研究,并取得了较好的效果。

磁絮凝沉降的主要问题包括:磁絮凝过程需要额外添加磁种,磁种消耗将增加煤泥水处理成本;同时磁种的引入增加了絮凝沉降工艺的复杂性,特别是磁絮团的性质优劣直接影响到最终的磁絮凝效果。因此,磁絮凝技术走向应用,需要开发高性价比磁种或磁性絮凝剂,同时优化工艺流程和药剂制度。李建军等人利用粉煤灰磁珠与聚丙烯酰胺复合制备出磁性絮凝剂,为解决这些难题做了有益尝试。


2.3 微生物絮凝沉降

微生物絮凝剂作为一种微生物或其分泌物产生的代谢产物,用于污水处理,不但可杜绝二次污染,还能实现无污染排放。部分微生物絮凝剂中包含无机金属离子,由于其与煤泥水中颗粒带有相反电荷,可以压缩煤泥颗粒的双电层,减小煤泥水的ζ电位。根据DLVO理论,颗粒间静电斥力减小,有利于胶体体系的凝聚沉降。同时,有些微生物分泌物对煤泥颗粒表面的水化膜具有减薄作用,可增加颗粒间的有效碰撞几率,增强煤泥颗粒的凝聚效果。在离子键、氢键和范德华力的同时作用,微生物絮凝剂可以同时吸附多个悬浮颗粒,通过架桥、卷扫等作用,实现快速沉降。目前,微生物絮凝技术已被用于煤泥水处理中。大量试验表明,处理后的煤泥水各项指标均达到国家排放标准,并可回收煤泥水中的可燃物质,具有较好的经济效益和社会效益。

对微生物絮凝沉降的影响因素及药剂制度等进行的系统研究表明,生物絮凝剂的性质是影响絮凝效果的关键因素。同时,生物絮凝剂用量、使用条件、煤泥水性质等都对煤泥水絮凝沉降效果具有重要影响。

目前,生物絮凝剂的应用研究日趋成熟,生物絮凝法在工业污水处理中已有较多应用。具有絮凝活性的微生物种类繁多,对污水适应性强,加之生物絮凝法生产成本低,对环境友好,因此比较适用于煤泥水的澄清处理。但微生物絮凝处理周期较长,同时由于微生物菌种用量大,微生物培养及增殖要求高,处理不当会造成处理成本增加,限制生物絮凝法在工业污水处理中的大规模应用。

3 结语与展望

针对现有煤泥水处理中存在的突出问题,对电场辅助、磁场辅助及微生物絮凝剂等煤泥水澄清处理新技术进行了综述评价。3种方法在理论和技术上都具有较强可行性,并能提高煤泥水沉降速度与澄清效果,但目前尚未用于现场生产。

3种新技术的改进方向:电场辅助技术需要在保证澄清效果的前提下,实现电场、电流与电极的最优化配制,提高可靠性,减小安全隐患至关重要;微生物絮凝技术的发展方向是进一步培育筛分微生物群落、减小生长周期,实现与现有洗煤工艺衔接;磁场辅助技术澄清效果好、效率高,同时又具有占地少、能耗低、技术条件成熟等优点,是比较理想的煤泥水处理技术之一。研发高性价比磁种或磁性絮凝剂、开发高效的磁絮凝装置是未来重要研究方向。


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