聚丙烯酰胺和氯化钙复合体系处理高浓度洗煤废水的研究

2014-12-08黄小标

合成材料老化与应用 2014年4期

黄小标

(东莞市星火环保科技有限公司，广东东莞523000)

煤矿在选煤过程中耗费大量清水，同时产生大量洗煤废水。若洗煤废水不经处理直接排入水体，会对周边环境造成很大的破坏。煤矿洗煤废水分为两类:第一类是低浓度洗煤废水，由煤质较好的原煤洗选时产生，处理容易，用浓缩沉淀法即可有效净化;另一类是高浓度洗煤废水，由地质年代较短、灰分和杂志含量较高的年轻煤种洗选时所产生，其悬浮物浓度(SS)和化学耗氧量(CODcr)都很高，煤泥颗粒表面的ζ电位也很高，稳定性高，很难自然沉降，因而处理难度大［1］。

本研究以江西某大型煤矿为目标，该矿采用湿法选煤，产生大量洗煤废水。该矿煤泥水处理采用典型的煤泥分选—尾矿浓缩—压滤工艺。该矿开采到断层时，此部分原煤遇水易泥化，产生的洗煤废水浓度高，颗粒细小，久置不沉，原有的处理工艺满足不了相关洗煤标准。因此，采用新型、高效的洁净煤技术对其进行改造，使其达标并实现洗煤废水的循环利用具有重要的现实意义。

1 实验部分

1.1 实验原料

聚丙烯酰胺(PAM)，工业级(分子量700～1300万)，苏州晟宇工贸公司;氯化钙(CaCl2)、氯化铁(FeCl3)和氧化钙(CaO)，分析纯，均购自广州化学试剂厂。

1.2 高浓度洗煤废水的特征参数、处理方法及评价指标

该矿的高浓度洗煤废水主要具有如下特点:颗粒表面负电荷较多;SS浓度和COD浓度很高、细小颗粒含量高、粘度大;污泥比阻大，因此过滤性能差［1］。通常认为，在上述诸多因素中，表面负电荷和粒径太小是导致废水难以处理的两个最重要原因［2］。

废水的 SS值为 40500mg/mL，CODcr值为16580mg/mL，pH值为8.10～8.30，悬浮物平均粒径为70μm，ζ电位－74.5mV，水样的 SS值和CODcr值分别根据GB 11914－1989和GB 119014－1989测定。

取废水样100mL，投加一定质量浓度的絮凝剂溶液，以100r/min速度搅拌1min，然后添加入量程为100mL的量筒沉淀，观察实验现象，同时记录不同时间的絮体高度，指定时间内其值越小，表明絮凝效果越好。用同样的制样方法，使絮凝剂充分分散，用秒表记录悬浮粒子界面运动一定距离所用的时间，计算平均沉降速率，其数值越大，表明絮凝剂使悬浮物沉淀得越快;清水分离率的测定根据絮凝后上层清水的体积占原水的体积分数测定，其数值越大，表明处理后再利用的水量越多;而清水SS值越小，表明处理水的悬浮物含量越少，水质越好。

2 结果与讨论

2.1 无机混凝剂的优化

根据该矿洗煤废水的特点，经过理论分析，优选出4种无机药剂CaCl2、聚合氯化铝(PAC)、FeCl3和CaO进行对比实验，结果如图1和表1所示。由图1可以看出，在相同的时间内，加入CaCl2絮凝剂溶液后，絮凝体高度最低，210min后其高度只有48mm，比最高为92mm的CaO的数值几乎低了一半，这表明同等条件下CaCl2絮凝效果最好。表1也同样表明，CaCl2处理效果最好，其三项指标都是最好的。实验中发现，洗煤废水加入CaCl2后，迅速发生絮凝反应，泥水分层明显，能够看见泥面缓缓下降，但沉降速度还是较慢，形成的颗粒较细小，上层清液可以看见部分细微的絮状物，且凝聚体的过滤性能差，难于进一步脱水，事实上很难在实际工程中应用，因此必须另加其它类型絮凝剂，以提升综合效果。

图1 加入絮凝剂后絮凝高度随时间的变化曲线Fig.1 The effect of flocculant on the waste water treatment

表1 各种絮凝剂的沉降效果Table 1 Sedimentation efficiencies of the flocculants

2.2 PAM的使用效果及其与CaCl2复合使用的条件优化

以前的研究结果表明，为了提高絮凝效果并实现可操作性，当无机混凝剂和高分子有机絮凝剂配合使用时，效果更佳［3］。在洗煤废水的处理过程中，应用PAM是一种常用的高分子絮凝剂［4］。它具有线性结构，水溶性好。PAM不仅能够使煤泥颗粒发生凝聚，加快沉淀速度，而且可改善沉淀煤泥的脱水性能［5］。考虑到CaCl2和PAM的加入量及加药后的搅拌时间都有可能影响沉淀速率，因此以正交实验法优化实验条件。每次取洗煤废水100mL，加入质量分数为2%的CaCl2溶液，搅拌，再加入质量分数为0.1%的PAM溶液，再搅拌，然后静置沉降，计算絮体沉降速度，保持搅拌速度为100r/min。正交实验结果及方差分析见表2和表3。

表2 正交实验结果Table 2 Results of the orthogonal experiment

续表2

表3 方差分析结果Table 3 Results of the variance analysis

根据正交实验结果及方差分析知，最佳实验条件是浓度为600mg/L的CaCl2用量为3mL，搅拌时间为60s，浓度为50mg/L的PAM用量为5mL，搅拌时间为90s。影响洗煤废水沉降速度的主要因素是PAM的用量，随着PAM量增大，沉降速度明显加快;其次是氯化钙的用量，其余两个因素影响相对较小。PAM的用量对沉降速度的影响非常大，当其投加量为40mg/L时，沉淀速率平均值超过0.68mm/s以上。故施工中可适当控制PAM用量，既降低成本，又可保证相当的速度，使废水中形成可有效过滤的絮凝体。

2.3 最佳组合条件的验证

按正交实验结果，取实验水样件进行测试，结果如图2和表4所示。上述实验结果说明采用CaCl2+PAM工艺处理该洗煤废水，可以达到满意的处理效果，不仅可以分离出73%的清水，而且清水的SS值和CODcr都低于煤矿废水的国家排放标准和回用标准。处理后的废水pH基本不变，可以全部回用于洗煤，实现洗煤废水的闭路循环，改善了絮凝体的过滤性能，同时提高了煤泥的脱水性能。