1.2 高浓度洗煤废水的性质
洗煤废水的性质与所洗选的原煤性质有关。一般情况下，地质年代较长，煤质较好的原煤所产生的洗煤废水处理难度较小；而地质年代较短的年轻煤种遇水易泥化，选煤所产生的洗煤废水悬浮物浓度和COD浓度都很高，而且颗粒表面带有较强的负电荷，久置不沉，难于处理。
我国有相当一部分原煤属于高泥质，遇水容易泥化。这类原煤洗选会产生难处理的高浓洗煤废水。我国从20世纪60年代初就开展了这方面的研究工作，但始终没有研究出适合我国国情的处理方法。近些年来，虽然我国有部分煤矿选煤厂开始尝试使用混凝-沉淀二级处理工艺，但由于混凝剂选择不当或处理工艺及工艺参数选择不当，使得这类洗煤废水的处理还存在着处理效果不理想或处理成本太高的问题。要想解决这类洗煤废水的处理难题，必须对其性质、特点进行研究，找到难处理的原因。
1.2.1 主要水质指标
本实验研究所用水样取自铁法煤业集团的大隆矿、小青矿和晓明矿。这三个矿所生产的原煤属于年轻煤种，不仅原煤洗选时易于泥化，而且原煤中灰分较高，洗煤后所产生的洗煤废水中悬浮物浓度很高，且颗粒表面带有较强负电荷，是一种非常典型的难处理的高浓度洗煤废水。
表1-2是大隆矿、小青矿和晓明矿洗煤废水中SS、COD和pH值三项指标现场测定结果。
表1-2 洗煤废水中SS、COD和pH值测定结果
从测定的结果来看，上述三个煤矿所产生的洗煤废水中SS含量和COD值都很高，是典型的高浓度洗煤废水。其中大隆矿洗煤废水中SS平均值为66648.4mg/L，COD平均值为24299.4mg/L；小青矿洗煤废水中SS平均值为69763mg/L，COD平均值为27038.4mg/L；晓明矿洗煤废水中SS平均值为78892.4mg/L，COD平均值为28482.2mg/L。三个煤矿洗煤废水的SS浓度和COD值不是一个定值，而且不同时间内SS和COD值的变化较大。
表1-2的测定的结果表明，洗煤废水中SS高，COD也高；SS低，COD也低。这说明洗煤废水中的SS与COD之间存在一定关系。洗煤废水中COD的来源主要来自两个方面：一方面是煤泥颗粒本身产生的；另一方面是选煤时投加的药剂产生的。根据以往的研究成果来看，无论采用什么方法处理洗煤废水，都把悬浮物作为主要污染物，只要悬浮物被去除，COD也就被去除，而且二者可以同时满足回用或排放要求。因此，处理洗煤废水主要考虑悬浮物，把悬浮物作为去除对象，实践证明是合理的。
从pH值这个指标来看，三种煤矿洗煤废水均呈弱碱性，平均pH值均在8.40左右，而且pH值基本上是稳定的，与悬浮物的浓度高低关系不大。
1.2.2 黏度
已有的研究结果表明，洗煤废水一般都是高黏度废水，而黏度是影响煤泥颗粒下沉的重要因素之一，黏度越大，沉降速度越低。因此，需要对洗煤废水黏度进行测定。
（1）实验设备和水样
①实验设备
恩格列黏度计。
②实验水样
pH=8.43，SS=70450mg/L（小青矿）；pH=8.39，SS=69683mg/L（大隆矿）；pH=8.57，SS=76463mg/L（晓明矿）。
③实验温度
T=20℃。
（2）实验步骤及结果计算
①实验步骤
将200mL洗煤废水装入恩格列黏度计内，测定200mL洗煤废水流出所需时间为t测。
②实验结果及计算
已知标准流体（20℃蒸馏水）流出200mL所需时间为t标=51.5s，根据实验测得200mL洗煤废水流出所需时间为t测就可以计算恩格列黏度E。计算公式为：
（1-1）
式中 E——恩格列黏度；
t标——标准流体（20℃蒸馏水）流出200mL所需时间，s；
t测——200mL洗煤废水流出所需时间，s。
将E换算为运动黏度ν，公式为：
（1-2）
式中 ν——运动黏度，cm2/s。
将运动黏度ν换算为动力黏度μ：
μ=ρν （1-3）
式中 μ——动力黏度，g/（cm·s）。
ρ——洗煤废水的密度，取ρ=1.0g/cm3。
三种煤矿洗煤废水的黏度测定计算结果见表1-3。
表1-3 洗煤废水的黏度测定计算结果
从表1-3的实验结果可以看出，上述三种煤矿洗煤废水的黏度较大，均比水的黏度大4倍以上。洗煤废水的高黏度是高浓度洗煤废水难以沉降的因素之一，也增加了处理难度。
1.2.3 动电电位
动电电位即ζ电位是表示胶体颗粒荷电状态的一个重要参数。已有的研究结果表明，高浓度洗煤废水是一种比较稳定的胶体体系，煤泥颗粒表面带有电荷，而正因为这些胶体粒子带有电荷，阻止了煤泥颗粒间的相互凝聚，并使得洗煤废水不能发生自然凝聚。因此，为了达到洗煤废水泥水分离的目的，必须投加合适的混凝剂破坏胶体的稳定性，降低ζ电位。要想选择适当的凝聚剂，必须首先对煤泥粒子所带电荷的种类以及动电电位的大小，即ζ电位进行测定，然后以此为依据进行混凝剂的选择。
动电电位的测定方法有几种，本项研究采用电泳法测定。
（1）实验设备和水样
①实验设备。电泳仪、电导仪。
②实验水样。1#水样取自大隆矿，pH=8.39，SS=69683mg/L，电导率K=0.678×103μS/cm；2#水样取自小青矿，pH=8.43，SS=70450mg/L，电导率K=0.794×103μS/cm；3#水样取自晓明矿，pH=8.57，SS=76463mg/L，电导率K=0.867×103μS/cm。
③实验条件。 辅助液：KCl稀溶液（电导率与加药后洗煤废水样相同）；直流电压U=160V；介电常数D=81；两极间距L=8.5cm。
（2）实验步骤及结果计算
①实验步骤。将洗煤废水水样和KCl稀溶液装入电泳仪内，打开中间的旋塞，观察电泳仪阴阳极液面的变化情况，测定不同时间内液面的变化高度。
②实验结果及计算。根据u0=hL/tU 和ζ=4πμu0/D ，得ζ电位的计算公式为：
（1-4）
式中 ζ——动电电位，V；
h——为液面升高高度，cm；
t——时间，s；
μ——动力黏度，g/（cm·s）。
D、U、L符号意义同上。
实验测得的时间t和液面升高高度h见表1-4。
表1-4 时间和液面升高高度
实验中观察到的现象是阳极液面上升，阴极液面下降，说明胶体颗粒带负电。将表1-3的数据代入公式（1-4）计算得：
1#水样（大隆矿）的ζ电位为-0.050V；
2#水样（小青矿）的ζ电位为-0.056V；
3#水样（晓明矿）的ζ电位为-0.063V。
实验结果说明上述三种煤矿洗煤废水都是带有较强负电荷的胶体体系，而且ζ电位都比较高，这也是导致这种高浓度洗煤废水难于处理的主要原因之一。
胶体体系的形成主要是因为煤泥颗粒中含大量的SiO2和Al2O3，这两种物质在水溶液中很容易形成表面带电的胶体，其结构分别为：
正是这些胶体粒子表面荷电，才使得洗煤废水胶体得以稳定。因此，要想处理洗煤废水必须破坏其胶体的稳定性。
1.2.4 洗煤废水中所含颗粒粒度的分布
洗煤废水中所含颗粒粒度的分布对处理效果有较大的影响，一般来说，大于75μm的颗粒状煤泥易于沉降、脱水和精选，而小于74μm的颗粒状煤泥难于沉降、脱水和精选，因此，小于74μm的微细煤泥颗粒含量高的洗煤废水处理难度大。
煤泥颗粒的粒度分布，尤其是微细级的含量，对洗煤废水的处理有着决定性的意义。因此，在确定处理方案之前，首先应对洗煤废水的粒度分布情况进行分析。粒度分布情况采用粒度分析仪测定。
上述三种煤矿洗煤废水的粒度分布测定结果如表1-5所示。其中小青矿2个水样的SS分别为：1#水样 SS=70450mg/L，2#水样SS=68734mg/L；大隆矿2个水样的SS分别为：1#水样 SS=64762mg/L，2#水样SS=66159mg/L；晓明矿2个水样的SS分别为：1#水样 SS=76463mg/L，2#水样SS=77394mg/L。
表1-5 粒度分布测定结果
由表1-5的数据可以看出，上述三种煤矿洗煤废水中微细颗粒所占比例大，其中粒径小于0.075mm的颗粒所占比例均在56%以上。由斯托克斯公式可以知道，颗粒沉降速度与颗粒的直径平方成正比关系，粒径越小，沉速越小，沉淀分离的难度就越大。由此可见，细小颗粒多也是高浓度洗煤废水难于处理的主要因素之一。
1.2.5 高浓度洗煤废水的过滤性能
对于洗煤废水来说，由于悬浮物含量很高（其悬浮物浓度高于城市污水处理厂二沉池的污泥浓度），如果其过滤性能好，就可直接采用污泥脱水机（多采用板框压滤机）进行脱水。但有些洗煤废水过滤性能较差，直接采用压滤机很难实现泥水分离。高浓度洗煤废水的过滤性能一般都比较差，因此，常采用投加混凝剂的方法进行泥水分离，同时改善沉淀煤泥的脱水性能，使煤泥在过滤时形成颗粒大、孔隙多和结构强的滤饼。
污泥的脱水性能一般采用污泥比阻这个参数来反映。污泥比阻即污泥过滤比阻抗，也就是单位干重滤饼的过滤阻力。污泥比阻值越大，脱水性能越差；污泥比阻值越小，脱水性能越好。一般认为比阻r大于0.4×1013m/kg时，其脱水性能不好，不能直接进行机械脱水。
采用真空抽滤的方法测定高浓度洗煤废水的污泥比阻如下所示。
（1）实验装置
实验装置主要由真空泵、真空表、布氏漏斗、稳压瓶、量筒等组成，如图1-1所示。
图1-1 污泥比阻测定装置
1—布氏漏斗；2—量筒；3—阀门；4—稳压瓶；5—真空泵；6—真空表
（2）实验水样及实验条件
①实验水样：1#水样取自大隆矿，pH=8.39，SS=69683mg/L； 2#水样取自小青矿，pH=8.43，SS=70450mg/L； 3#水样取自晓明矿，pH=8.57，SS=76463mg/L。
②过滤材料：定性滤纸，过滤面积约为63.59cm2。
③真空度：6.50×104Pa。
（3）实验步骤
①在布氏漏斗上放置快速滤纸，用水湿润，贴紧漏斗底。
②启动真空泵，用调节阀调节真空压力到比实验压力小约1/3，实验压力为6.50×104Pa，使滤纸紧贴漏斗底，关闭真空泵。
③取200mL洗煤废水放在漏斗内，使其依靠重力过滤1min，启动真空泵，调节真空压力至实验压力，记下此时计量筒内的滤液体积V0。启动秒表，在实验过程中，仔细调节真空度调节阀，以保持实验压力恒定。
④每隔一定时间，记下量筒内相应体积V1，直到滤饼破裂。测出过滤后滤饼干重。
⑤在坐标纸上作V-t/V曲线，用图解法求b值。
计算公式为：
（1-5）
式中 r——污泥比阻，cm/g或m/kg；
A——滤纸过滤面积，cm2；
b——曲线斜率，s/cm6；
μ——滤液动力黏度，Pa·s；
P——过滤压力，Pa；
C——滤过单位体积的滤液在过滤介质上截留的干固体中重量，g/cm3。
（4）实验结果及计算
3个水样的实验结果分别见表1-6～表1-8，V-t/V曲线如图1-2～图1-4所示。
表1-6 1#水样污泥比阻实验结果
表1-7 2#水样污泥比阻实验结果
表1-8 3#水样污泥比阻实验结果
图1-2 1#水样V-t/V曲线
图1-3 2#水样V-t/V曲线
图1-4 3#水样V-t/V曲线
由图1-2求得1# 水样V-t/V曲线斜率b1=1.82s/mL2=1.82s/cm6；由图1-3求得2# 水样V-t/V曲线斜率b1=1.91s/mL2=1.91s/cm6；由图1-4求得3#水样V-t/V曲线斜率b1=2.14s/mL2=2.14s/cm6。
采用式（1-5）计算各水样的污泥比阻r，计算结果详见表1-9。
表1-9 污泥比阻计算结果
注：C为滤过单位体积的滤液在过滤介质上截留的干固体中重量，滤液动力黏度认为与清水黏度一样。
从表1-9的计算结果可以看出，大隆矿、小青矿和晓明矿的洗煤废水的污泥比阻值均较大，且大于0.4×1013 m/kg，说明这类高浓度洗煤废水的过滤性能不好，不能直接进行脱水，需要采取一些措施改变其过滤性能。
高浓度洗煤废水的过滤性能较差，难于直接脱水。因此，这类洗煤废水的处理应采用混凝的方法，首先进行泥水分离，然后再对分离出来的煤泥进行脱水。
1.2.6 煤泥矿物组成及发热量
（1）煤泥矿物组成
煤泥的成分很复杂，各选煤厂煤泥的矿物组成以及岩相特征都不一样。对煤泥的矿物组成进行分析，有助于合理地选择混凝剂，也有助于对混凝过程和混凝机理的理解。取3个水样各100mL，其中1#水样取自小青矿，pH=8.43，SS=70450mg/L；2#水样取自大隆矿，pH=8.39，SS=64683mg/L；3#水样取自晓明矿，pH=8.57，SS=76463mg/L。经过干燥后，取干煤泥对其矿物组成进行分析，分析结果如表1-10所示。
表1-10 煤泥矿物组成分析结果
从上述的分析结果来看，干煤泥的主要矿物成分是SiO2，占41%以上，其次是Al2O3的含量，占17%以上，再次是碳和游离碳的含量，分别为15%和11%以上。其余含量较少。由于煤泥中碳和游离碳的含量较高，因此，洗煤废水的COD值较高，但由于碳和游离碳都在煤泥颗粒中，所以就会出现SS降低，COD就降低的现象。另外，分析结果还表明干煤泥具有一定的燃烧价值，因为具有相当数量的碳，因此处理选择洗煤废水处理方案时应考虑煤泥回收与利用问题。
（2）煤泥矿物组成及发热量
上述分析结果表明煤泥具有相当数量的碳，有一定的燃烧价值，因此，应该对煤泥的发热量、固定碳、灰分等进行分析。从上述三个矿各取一个煤泥分析样品，其中1#水样取自小青矿；2#水样取自大隆矿；3#水样取自晓明矿。三个煤泥分析样品的分析结果如表1-11所示。
表1-11 煤泥发热量等分析结果
从上述分析结果可以看出，高浓度洗煤废水中的煤泥具有一定的发热量，所选三个矿的煤泥的发热量均在11000 kJ/kg以上。另外，挥发分所占的比例也较大，说明煤泥中含有相当数量的有机质。