美国佛州磷矿重选废水絮凝脱水及底泥输送流变特性研究

论文摘要

目前世界范围内,磷矿重选废水由于其悬浮物具有典型的胶体特性,使其固液分离非常困难,绝大部分废水贮存于大型水池、尾矿库或地下废矿井中,这种将废水贮存起来的处置方式,不仅造成土地资源、水资源的巨大浪费,而且还存在决堤、渗漏的潜在威胁。由于现有处理技术难以实现工业化应用,寻找一种技术上可行、经济上合理的处理工艺,一直是全世界关注的问题。美国佛罗里达的磷矿重选废水处理长期未能解决,对环境及水资源利用造成了很大压力。本文针对佛罗里达磷矿重选废水处理及水循环利用工艺进行探讨,在分析了国内外迄今为止的有关矿山废水及磷矿选矿废水处理工艺的基础上,依据相关理论和研究手段,开始了对该废水的小型处理工艺条件的实验研究,在取得最佳综合条件的基础上,进行了半工业化实践,并取得了与小型实验相吻合的结果,在此基础上进行了工业性实验的技术设计。该研究不仅对解决佛罗里达磷酸盐公司的水污染问题及水资源、土地资源的回用有非常重要的意义,而且对我国磷矿选矿废水的处理也有十分得要的借鉴作用。1.本文采用美国Ciba化学工业公司生产的具有特殊分子结构的新型有机高分子絮凝剂,解决了磷酸盐矿重选废水的高效絮凝问题,确定了絮凝效果与絮凝剂浓度、剂量及溶液pH的关系。2.通过多次加药和加尾砂的助凝试验研究,明确了在有机高分子絮凝剂的浓度、剂量和混合方式相同的情况下,絮凝效果随加砂量和加药次数的变化关系,为最佳絮凝工艺的选择提供依据。3.根据胶体颗粒的组成及表面性质分析,认为颗粒的底面和侧面具有不同的表面性质,颗粒的活性部位主要位于侧面上。4.通过K+、Ca2+和Al3+与有机高分子絮凝剂的协同作用研究,认为絮凝剂长链在悬浮颗粒表面的吸附位置在颗粒侧面的活性点上。K+对絮凝的促进作用大大优于Ca2+和Al3+,在一定浓度和pH范围内,Ca2+和Al3+对絮凝有抑制作用,这种现象与传统的Schulze-Hardy聚沉规则相反。本文从胶体与表面化学和溶液化学的角度出发对这一现象进行了分析。5.通过对多次加药和尾砂助凝的动力学研究,发现投加尾砂后,增加了絮凝反应中的晶核颗粒数,在涡旋惯性离心力和剪切力作用下,使脱稳胶体迅速成长;多次加药能够增加颗粒间的有效碰撞次数,絮凝的半衰期随之大大缩短。6.通过对废水进行脉冲电絮凝研究,发现在各种电极配置和脉冲供电条件下,电絮凝均未能取得理想的效果。将电絮凝与物化絮凝相结合也未取得理想的效果,研究认为电场对有机高分子絮凝剂DPW-1-1355的絮凝起到抑制作用。7.综合所有絮凝试验,“小试”得出的最佳絮凝工艺是:废水加10-3M KCl和5%的尾砂,然后五次平均加入18×10-6g Ciba絮凝剂DPW-1-1355,该工艺条件下的絮凝沉降速度大、上清液浊度低、底泥含固率高。该研究结果为半工业化试验提供了依据。8.根据实验研究,得出最佳絮凝工艺条件下底泥的流变性规律:（1）底泥的表观粘度随切变速度的增大而增大,粘土含固率为15%和20%时,二者之间符合幂律关系ηα=kDn-1,且n＞1,因此底泥符合胀流体的特性,即越搅越稠。（2）底泥的切应力随粘土含固率的增加而增大,二者之间存在一元二次方程的关系:τ=5.436C2-80.489C+215.67,相关系数R2=0.9639。（3）粘土含固率为20%底泥的切应力随温度的升高而缓慢降低,二者间存在较好的线性关系:τ=-0.7264T+829,相关系数R2=0.9528。（4）通过流变性与时间的关系研究,发现当切变速率不变时,粘土含固率为20%底泥的粘度随旋转时间的增加而降低,由此可以判断底泥具有触变性。（5）通过pH对底泥流变性的影响研究,发现pH=8时粘土含固率为20%底泥的切应力最小。（6）通过底泥流变性的改良试验,发现改良剂DP-203具有降低底泥切应力的作用。9.将Ciba絮凝剂和KCl复配使用,采用多次加药、尾砂助凝工艺,以深锥形浓密机为主要设备进行了半工业化试验,试验结果表明处理出水水质达到回用要求,底泥含固率满足地下矿井回填的需要。研究不仅解决了磷矿重选废水的净化与底泥浓缩问题,而且实现了废水和底泥的资源化利用。10.通过工业化模拟设计,说明研究成果在工业化应用中的投资和运行费用经济合理,具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外矿山废水污染现状
• 1.2 选矿废水的来源、特点
• 1.3 选矿废水的基本处理方法
• 1.3.1 物理处理法
• 1.3.2 化学处理法
• 1.3.3 物理化学处理法
• 1.3.4 生物化学处理法
• 1.4 选矿废水的研究现状
• 1.5 磷矿废水的来源、成分与危害
• 1.5.1 磷矿废水的来源
• 1.5.2 磷矿废水的成分
• 1.5.3 磷矿废水的危害
• 1.5.4 磷矿重选废水的特点及危害
• 1.6 磷矿选矿废水处理研究现状
• 1.6.1 磷矿浮选废水处理研究现状
• 1.6.2 磷矿重选废水处理研究现状
• 1.6.3 小结
• 1.7 课题的目的、意义及研究内容
• 1.7.1 课题的提出及目的、意义
• 1.7.2 研究内容及创新性
• 1.8 本章小结
• 第二章 试验材料和实验研究与分析方法
• 2.1 研究样品的来源与特性
• 2.1.1 研究样品的来源
• 2.1.2 废水中悬浮固体的特点
• 2.2 实验流程及分析方法
• 2.2.1 絮凝剂的筛选流程与分析方法
• 2.2.2 分次加药试验方法
• 2.2.3 加尾砂的试验方法
• 2.2.4 加金属阳离子的试验方法
• 2.3 电絮凝试验方法
• 2.4 物化絮凝与电絮凝相结合的试验方法
• 2.5 底泥流变性试验方法
• 2.5.1 Cannon CT-100型转筒粘度计的测定方法
• 2.5.2 slump测定法
• 2.6 Zeta电位的测定实验
• 2.7 试验药剂及设备
• 第三章 佛罗里达磷矿重选废水的物化絮凝试验研究
• 3.1 絮凝剂的筛选
• 3.1.1 沉降速度、上清液浊度、底泥含固率与絮凝剂用量的关系
• 3.1.2 絮凝剂用量与浓度的关系
• 3.2 pH值对絮凝的影响研究
• 3.3 加尾砂对絮凝的影响研究
• 3.4 分次加药对絮凝的影响研究
• 3.5 阴、阳离子型有机高分子絮凝剂的对比试验研究
• 3.6 金属阳离子对絮凝的影响研究
• 3.6.1 金属氯化物对絮凝的影响研究
• 3.6.2 金属氢氧化物对絮凝的影响研究
• 3.7 物化絮凝工艺的优化研究
• 3.7.1 阳离子的优化选择
• 3.7.2 絮凝工艺条件的优化研究
• 3.8 本章小结
• 第四章 佛罗里达磷矿重选废水的电絮凝试验研究
• 4.1 废水在各种电场条件下的电絮凝试验研究
• 4.1.1 电絮凝的基本原理
• 4.1.2 铝电极左右配置、正弦波型电流、脉冲电絮凝研究
• 4.1.3 各种电极配置和输出电流波形为方形波时的电絮凝效果比较
• 4.2 脉冲电絮凝与阴离子型有机絮凝剂相结合的试验研究
• 4.3 本章结论
• 第五章 絮凝产物流变性试验研究
• 5.1 流变性的基本概念
• 5.2 底泥处置与流变性的关系
• 5.2.1 拟用污泥浓缩设备
• 5.2.2 拟采取的污泥处置方式
• 5.2.3 底泥流变性与其处置系统的关系
• 5.3 絮凝底泥的流变性试验研究
• 5.3.1 底泥的流体类型研究
• 5.3.2 底泥含固率对切应力的影响研究
• 5.3.3 温度对切应力的影响研究
• 5.3.4 底泥的触变性研究
• 5.3.5 底泥粘土颗粒的表面电位测定
• 5.3.6 pH对切应力的影响研究
• 5.3.7 底泥流变性的改良试验研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 絮凝机理研究
• 6.1 磷矿重选废水悬浮颗粒的胶体与表面化学特性
• 6.1.1 矿物颗粒的胶体特性
• 6.1.2 胶体颗粒的表面化学特性
• 6.1.3 胶体颗粒的稳定性
• 2+、Al³⁺在粘土矿物颗粒/溶液界面的吸附特性'>6.2 Ca²⁺、Al³⁺在粘土矿物颗粒/溶液界面的吸附特性
• 2+、Al³⁺的水合金属离子溶液的logC-pH图'>6.2.1 Ca²⁺、Al³⁺的水合金属离子溶液的logC-pH图
• 2+、Al³⁺氢氧化物沉淀的生成及其在粘土矿物颗粒/溶液界面的吸附'>6.2.2 Ca²⁺、Al³⁺氢氧化物沉淀的生成及其在粘土矿物颗粒/溶液界面的吸附
• 6.3 高分子絮凝剂在粘土矿物颗粒/溶液界面的吸附特性
• 6.3.1 高分子絮凝剂在粘土矿物颗粒/溶液界面的吸附作用能
• 6.3.2 高分子絮凝剂长链的主要构型及其在粘土矿物颗粒/溶液界面的吸附方式
• 6.4 有机高分子絮凝剂对磷酸盐矿重选废水絮凝效果的影响因素分析
• 6.4.1 pH对有机高分子絮凝剂絮凝效果的影响分析
• 6.4.2 絮凝剂的剂量和浓度对有机高分子絮凝剂絮凝效果的影响分析
• +、Ca²⁺和Al³⁺与有机絮凝剂联合作用的机理研究'>6.5 K⁺、Ca²⁺和Al³⁺与有机絮凝剂联合作用的机理研究
• 2和AlCl₃与阴离子型有机絮凝剂的协同作用机理研究'>6.5.1 KCl、CaCl₂和AlCl₃与阴离子型有机絮凝剂的协同作用机理研究
• 2和Al（OH）₃与阴离子型有机絮凝剂的协同作用'>6.5.2 KOH、Ca（OH）₂和Al（OH）₃与阴离子型有机絮凝剂的协同作用
• 6.6 电絮凝的机理分析
• 6.6.1 单独进行电絮凝的机理分析
• 6.6.2 电絮凝对阴离子型高分子絮凝剂抑制机理分析
• 6.7 絮凝过程动力学研究
• 6.7.1 絮凝动力学过程
• 6.7.2 颗粒接触碰撞的方式
• 6.8 本章小结
• 第七章 佛罗里达磷矿重选废水的工业应用试验研究与分析
• 7.1 半工业化试验研究
• 7.1.1 半工业化试验流程及基本技术参数
• 7.1.2 半工业化试验存在问题及改进措施
• 7.2 工业化应用及技术、经济分析
• 7.2.1 工业化处理的工艺流程设计
• 7.2.2 工业化处理工程的主要设备
• 7.2.3 工业化处理工程的投资估算
• 7.2.4 工业化处理工程的运行成本估算
• 7.3 研究成果的应用前景
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与建议
• 8.1 研究结论
• 8.2 创新点和特色之处
• 8.3 需进一步解决的问题
• 致谢
• 参考文献
• 就读博士期间的主要业绩