超细尾矿恒压过滤过程与影响因素

燕 琴， 刘欣欣， 盛明强， 万梦丹， 艾罗艳， 彭雅娟

(南昌工学院 人居环境学院，江西 南昌 330108)

随着国内矿产资源需求量和综合利用水平不断提高，一方面细粒尾矿坝数量的不断增加，另一方面由于选矿工艺水平的提高，造成排放尾矿细粒化，超细尾矿、高堆尾矿坝快速增多已成为必然趋势(王洪江等，2022；汪宏宇等，2021)。超细尾矿堆存问题亦成为尾矿处理的重要难题之一(周汉民，2015)。

超细尾矿对其粒径组成规定为：平均粒径小于0.03 mm，其中小于0.019 mm颗粒含量大于50%，大于0.074 mm颗粒含量小于10%，大于0.037 mm颗粒含量小于30%(吴爱祥等，2011)。超细尾矿存在着透水性差、难固结、低强度等特点，特别是在上游法尾矿库中易出现排渗系统淤堵、坝体浸润线高等问题(崔旋等，2021)。以秘鲁的Caudalosa尾矿坝为例，其尾矿粒径小于0.074 mm的含量达到90%，将部分软黏土用压实的矿山废弃物填充及增加排水措施有效治理了大坝不稳定的情况(韩亚兵等，2019)。

江西大部分矿山开采所产生的废水、废渣一般都是直接排放或露天堆放(张淑梅等，2016)。传统的尾矿处理方式主要有湿式排放、干式堆存和半干式堆存三种方式，其中尾矿干式堆存是指利用精矿沉降浓缩、过滤脱水技术，将尾矿浆中尾砂含水率降到20%以下(张广伟等，2017)。詹良通等(2022)对洗砂泥浆脱水效果差的问题提出了一套洗砂泥浆脱水性能的快速检测及工程渣土洗砂工艺优化方法。未来矿山固废需要绿色发展，尾矿脱水是尾矿处理过程的一个关键技术环节(程海勇等，2022)。

本次基于恒压过滤模型，在不同尾矿品种和浓度等因素下对超细尾矿的过滤规律进行了研究，将有助于深入理解超细尾矿饼层过滤过程中淤堵机理和过滤性能，为研究超细尾矿脱水固结技术提供理论基础。

1 尾矿过滤一般过程及抽滤模型

1.1 尾矿过滤一般过程

尾矿脱水过程中滤饼的形成对过滤的效率影响很大。以性质相近的污泥介质脱水为例，工业生产滤饼一般采用压滤机，在机械压力作用下，料浆流向过滤介质，大于或相近于过滤介质孔隙的固体颗粒，先以架桥方式在介质表面形成初始层，其后沉积的固体颗粒逐渐在初始层上形成一定厚度的滤饼。由于滤饼的阻力远大于过滤介质的阻力，因而对过滤速率起决定性影响，工业过滤大多属于饼层过滤(张泾生，2014)。大量研究表明，过滤介质对尾矿进行过滤的典型现象可以分为以下三个阶段：①土壤流失，过滤介质无法截留土壤颗粒，并随废水流出；②淤堵，土壤颗粒被困在过滤介质中；③滤饼，土壤颗粒积聚在过滤介质表面，形成一层固体(滤饼)，然后，滤饼和过滤介质成为后续过滤的新系统(Wu et al.，2021)。使用过滤介质作为过滤系统来高效脱水泥浆需要满足两个要求：①高脱水率。目标浆液的体积可迅速减小，以获得高固体浓度。②高截留性能。过滤介质保留土壤颗粒的能力(Wu et al.，2021)。

1.2 恒压抽滤模型

恒压过滤模型在工业上得到了广泛的应用。在过滤过程中，滤液的流速取决于滤饼上的压差以及来自过滤介质和滤饼的阻力(张泾生，2014)。借鉴化工领域有关过滤的相关理论，得到超细尾矿真空恒压抽滤理论模型：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，t为过滤时间(s)，V为滤液体积(m3)，α为滤饼比阻(m/kg)，μ为尾矿黏度(Pa·s)，c为单位体积滤液干滤饼重量(kg/m3)，A为过滤面积(m2)，Δp为过滤压差(Pa)，Lm为过滤介质厚度(m)，L为滤饼厚度(m)，n为滤饼孔隙率(%)，ρs为干尾矿真密度(kg/m3)，ρ为水的密度(kg/m3)，m为滤饼湿含量(%)，ms为滤饼的干重(kg)，ms0为滤液中固体重量(kg)，x为滤液含砂率(kg/m3)。

2 试验材料及正交试验设计

2.1 尾矿样品

研究中所采用的超细尾矿来自国内3个不同矿区，分别命名为尾矿1、尾矿2和尾矿3，3种尾矿的颗粒粒径分布如图1所示。3种尾矿的D90(累计质量分数90%的颗粒直径)都小于74 μm，均属超细尾矿(表1)。3种尾矿不均匀系数Cu(量纲为1)，曲率系数Cc(量纲为1)，真比重Cs(量纲为1)如表1所示。从工程观点来看，3种尾矿属于级配良好的尾粉质黏土。3种尾矿矿粉在500倍扫描电镜(SEM)下的颗粒表面特征如图2所示，尾矿1、3表面形貌有较多的空隙和皱褶，形状不规则且相对粗糙，尾矿2表面形貌的空隙和皱褶相对较少，形状规则且相对光滑。

图1 三种超细尾矿的颗粒级配曲线

表1 三种超细尾矿的特征参数表

图2 三种超细尾矿在500倍扫描电镜下的表面微观形貌

2.2 过滤介质

孔径及其分布直接决定了过滤介质的透过性能及过滤性能，过滤介质的孔径以平均孔径或等效孔径的形式表示(吴芳等，2020)。然而许多研究表明，过滤介质的导水性通常是次要的，累积滤饼的导水性在过滤过程中占主导地位(Xu et al.，2008)。钢丝筛网的孔径大小分布均匀，且过滤阻力较小，选用平均孔径为48～75 μm的钢丝筛网作为过滤介质。

2.3 实验装置和方法

2.3.1 实验方案设计

超细尾矿恒压过滤实验目的是研究滤饼的形成与过滤效果的关系：①不同实验工况下，滤饼导水性能和各个因素水平的关系；②不同实验工况下，滤饼的截留性能和各个因素水平的关系。为了在试验安排上尽可能地减少试验次数，并得到较好的结果，选用“正交实验法”中的常用正交表L9(34)制定了实验方案。实验方案采用3组重复试验即3×L9(34)共27组实验。本实验考察指标包括α、n、m、x；考察因素为尾矿品种、ω(为料浆浓度，是料浆含固体的质量分数)、Δp、d(为过筛孔径)等4个因素。因素水平表如表2所示。

表2 超细尾矿恒压过滤实验因素水平指标

2.3.2 实验装置

如图3所示，由可设定恒压值的真空泵提供抽吸动力，真空釜和电子秤承接和计算滤液质量，磁力搅拌器和烧杯提供一定浓度的尾矿料浆，并保证尾矿料浆不沉降。固定钢丝筛网的锚具为自制接头，可以传导真空釜的真空压力，并把滤液吸进真空釜。过滤面积为706.5 mm2，每组实验抽滤时间都为0.5 h。实验前测量尾矿料浆的黏度，过滤结束后，需要测量滤饼的L，滤饼的mw(滤饼湿重)以及ms，滤液的V，滤液中的x。采用式(1)计算滤饼的α，根据式(2)至(4)计算相应参数。

图3 超细尾矿恒压过滤装置

3 结果和讨论

3.1 滤饼的形成过程

过滤实验中，观察到的现象如下：钢丝筛网在2～5 s之内发生淤堵；淤堵后，滤饼不断累积，抽滤速度很慢；抽滤0.5 h后，从钢丝筛网上剥离得到直径为30 mm，厚度为5～18 mm的圆柱形滤饼。就饼层过滤而言,α和n对过滤设备的计算和操作，直接影响过滤机的生产能力和分离效果。所得滤液的x的大小可以体现过滤的截留效果，计算结果如表3所示。

表3 超细尾矿恒压过滤实验结果

3.2 滤饼比阻的变化规律

3种尾矿滤饼的α为0.35×1010～7.51×1010m/kg，均属于难过滤物料(表3)。根据极差分析，滤饼的α大小主要受到尾矿品种的影响(表4)。3种尾矿中尾矿2滤饼的α最大(图4)，滤饼比阻可能与尾矿本身的微观结构或者物化性质有关(岳敏，2011)。结合图2发现，尾矿1、3表面形貌有较多的空隙和皱褶，从而增加了比表面积，而尾矿2表面形貌的空隙和皱褶相对较少，比表面积小。α与物料比表面积的平方成正比(杨涛等，2020)。且尾矿1、3的颗粒形态较样品2更加不规则，这种高低不平的表面使颗粒更易在过滤介质孔隙上架桥(季婷等，2019)。

尾矿浓度对滤饼比阻有一定影响，35%和45%浓度尾矿比40%浓度的尾矿的α低(图4)，这是由于ω对α的影响存在一个临界浓度，当ω小于临界浓度时，α随着ω的增加而增大，当ω大于临界浓度时，α随ω的增加而减小，所以ω在40%的时候α最大(Rushton等，1998)。

极差分析显示(表4)，Δp对α影响较大。Δp增大，α会增大，但是当Δp增加至60 kPa时，α随Δp增加的速率明显放缓(图4c)。

图4 滤饼比阻与各因素关系

d对α的影响较小，但是可以找到相对最优的d(钢丝筛网孔径d=58 μm)使得α最小。

3.3 滤饼孔隙率的变化规律

从表3可以看出，尾矿1滤饼的n在34%～61%之间，尾矿2和尾矿3的滤饼n比较接近。根据表4中的极差分析，可以看出滤饼n主要受到尾矿品种的影响，ω和d对滤饼n的影响较大。Δp对滤饼的n也有一定影响。如图5所示，滤饼n随着ω的增大而减小，随着Δp增大而减小，随着d的增大而增大。

图5 滤饼孔隙率与各因素关系

3.4 滤饼湿含量的变化规律

从表3可以看出，滤饼的m在16.2%～40.1%之间。根据表4中的极差分析，可以看出m主要受到尾矿品种的影响，ω和d对m的影响较大，Δp对m也有一定影响。如图6所示，m随ω的增大而减小，随着Δp增大而减小，随着d的增大而增大。

表4 超细尾矿恒压过滤实验极差分析表

图6 滤饼湿含量与各因素关系

3.5 滤液含砂率的变化规律

从表3可以看出，三种超细尾矿滤液的x为1.94～8.97 kg/m3。根据表4中的极差分析，x主要受到尾矿品种和ω的影响，Δp和d对x也有一定影响。尾矿2过滤效果最差；ω=40%时x最高，这表明较低浓度和较高浓度的截留效果更好(图7a)。随着Δp增大，x先降低再增加，当Δp=60 kPa时，x最低，截留效果最好(图7c)；同时，x随着d的增大而增大，说明d越小，抽滤截留效果越好(图7d)。

图7 滤液含砂率与各因素关系

4 结论及建议

尾矿坝承担着囤积尾料，保证矿山正常作业并保护周边环境的重要角色。超细尾矿经过脱水处理后再排入尾矿坝可以减少占地面积，减少对坝体的压力，降低污染周边环境的风险。针对超细尾矿脱水处理得出以下结论。

(1)对于本研究的3种超细尾矿来说，滤饼的形成对抽滤效果有很大影响：一方面大大降低过滤系统的导水性能，这是由于滤饼堵塞过滤介质，引起过水通道变窄造成的；另一方面会提高截留效果，这是由于滤饼会和过滤介质形成一个新的过滤系统，阻碍尾砂大量通过，只允许水和少量的固体颗粒通过。

(2)尾矿品种对抽滤效果影响占主要地位，当尾矿固体颗粒表面有较多的空隙和皱褶，形状不规则且粗糙时，更易在过滤介质孔隙上架桥。

(3)尾矿浓度对抽滤效果影响较大：抽滤脱水适用于低浓度尾矿(ω<35%)，或者高浓度尾矿(ω>45%)，因为尾矿浓度对比阻的影响存在一个临界浓度，当尾矿浓度小于临界浓度时，比阻随着浓度的增加而增大，当料浆浓度大于临界浓度时，比阻随浓度的增加而减小。

(4)抽滤压强对滤饼比阻的影响较大，对滤饼孔隙率、滤饼湿含量以及滤液含砂率的影响相对较小。当过滤压强为60 kPa时，滤饼比阻最大，滤饼导水性能差，但是截留效果最好。

(5)过滤介质的过筛孔径对滤饼比阻的影响很小，当滤饼形成后，尾矿脱水的效率主要取决于滤饼本身的性质。不过，过筛孔径越小，截留性能也越好，但是随着过筛孔径的减小，这种趋势会减缓。