Обезвоживание и очистка сточных вод при обогащении минерального сырья : разделение твердой и жидкой фаз

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2312 

Кафедра обогащения руд цветных и редких металлов

В.Д. Самыгин 
В.А. Игнаткина 
Р.В. Коржова 

Обезвоживание и очистка 
сточных вод при обогащении 
минерального сырья  
(разделение твердой  
и жидкой фаз) 

Учебник 

Допущенно учебно-методическим объединением  
по образованию в области металлургии в качестве  
учебника для студентов высших учебных заведений,  
обучающихся по направлению Металлургия 

Москва  2013 

УДК 622.7:628.1 
 
С17 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук, проф. А.С. Медведев; 
д-р техн. наук, проф., акад. АН Республики Таджикистан П.М. Соложенкин 

Самыгин, В.Д. 
С17  
Обезвоживание и очистка сточных вод при обогащении минерального сырья (разделение твердой и жидкой фаз) : учеб. / 
В.Д. Самыгин, В.А. Игнаткина, Р.В. Коржова. – М. : Изд. Дом 
МИСиС, 2013. – 247 с. 
ISBN 978-5-87623-696-8 

Рассмотрены физические и физико-химические  основы процессов разделения твердой и жидкой фаз при обезвоживании  для процессов дренирования, отстаивания, агрегирования, центрифугирования, фильтрования и сушки. Изложены принципы выбора оборудования и технологических схем обезвоживания. Рассмотрены методы очистки сточных вод, организация водооборота и хвостового хозяйства обогатительных предприятий.  
Учебник создан для дисциплин «Обезвоживание и оборотное водоснабжение» 
и «Очистка сточных вод» магистерской подготовки по программе «Технология 
минерального сырья», а  также дисциплины «Методы разделения жидкой и твердой фаз» для подготовки бакалавров профиля «Технология минерального сырья».  
Предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Металлургия». Будет полезен студентам, обучающимся по специальности «Обогащение полезных ископаемых» направления «Горное дело». Представляет интерес для специалистов, связанных с переработкой минерального сырья 
на обогатительных фабриках и металлургических заводах. 

УДК 622.7:628.1 

ISBN 978-5-87623-696-8 
© В.Д. Самыгин,  
В.А. Игнаткина, 
Р.В. Коржова, 2013 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................6 
1. Разделение жидкой и твердой фаз. Общие сведения ........................8 
1.1. Технологические показатели процесса обезвоживания  
и очистки сточных вод .........................................................................8 
1.2. Классификация двухфазных систем. Процессы разделения 
твердой и жидкой фаз...........................................................................8 
1.3. Формы связи воды с твердым телом. Энергия связи различных 
форм воды с твердым телом..............................................................10 
1.4. Влагоудерживающая способность  твердых тел.  
Влияние основных факторов  на степень обезвоживания ..............13 
2. Обезвоживание кускового материала дренированием....................15 
2.1. Гидродинамика течения жидкости  под влиянием 
гравитационной силы.........................................................................15 
2.2. Оборудование для дренирования.  Схемы обезвоживания 
кускового материала...........................................................................19 
3. Отстаивание  под действием силы тяжести .....................................25 
3.1. Основные понятия.  Классификация суспензий .......................25 
3.2. Способы выражения  и расчета концентрации твердого в пульпе...27 
3.3. Исследование скорости расслоения суспензий  
I и II типов методом длинной трубки ...............................................29 
3.4. Качественное описание процесса  расслоения  
суспензий III и IV типов.....................................................................32 
3.5. Расчет удельной поверхности сгущения  по методу Коу  
и Клевенжера.......................................................................................34 
3.6. Расчет удельной  поверхности по методу Кинша.....................36 
3.7. Определение высоты сгустителя................................................37 
3.8. Пример расчета  сгустителя по методу Кинша.........................39 
3.9. Классификация сгустителей .......................................................41 
3.10. Другие аппараты разделения твердой  и жидкой фаз  
в поле гравитационных сил ...............................................................53 
3.11. Вспомогательное оборудование для разгрузки сгустителей .......56 
4. Применение агрегирования  тонких суспензий и пульп   
для интенсификации  процесса сгущения............................................59 
4.1. Теория процесса агрегирования.................................................59 
4.2. Поверхностные силы. Переходный слой.  
Расклинивающее давление ................................................................68 

4.3. Природа поверхностных сил  и их вклад  
в работу прилипания ..........................................................................71 
4.4. Природа ионно-электростатических сил...................................74 
4.5. Гидрофобная слагающая поверхностных сил 
расклинивающего давления...............................................................78 
4.6. Коагуляция и флокуляция...........................................................81 
4.7. Классификация флокулянтов  и условия их смешивания........85 
4.8. Основные принципы  селективной агрегации частиц..............91 
5. Использование центробежной  силы при обезвоживании..............99 
5.1. Особенности применения  гидроциклонов  
для обезвоживания .............................................................................99 
5.2. Особенности применения центрифуг  для сгущения суспензий....103 
5.3. Основные закономерности разделения суспензии  
в осадительных центрифугах.  Индекс производительности.......104 
5.4. Физические основы разделения суспензий   
в фильтрирующих центрифугах......................................................107 
5.5. Конструкции центрифуг.  Периодически и непрерывно 
действующие центрифуги. Классификация центрифуг   
по способу выгрузки осадка ............................................................109 
6. Фильтрование....................................................................................115 
6.1. Основные понятия. Классификация ........................................115 
6.2. Физические основы фильтрования  с образованием  
осадка. Гидродинамика течения жидкости через пористые  
и зернистые слои ..............................................................................117 
6.3. Основное уравнение фильтрования.........................................120 
6.4. Определение оптимальных условий  работы фильтров. 
Экономически  выгодный цикл фильтрования..............................123 
6.5. Применение уравнения фильтрования. Определение  
удельного сопротивления осадка  и его сжимаемости..................124 
6.6. Фильтровальные перегородки..................................................127 
6.7. Конструкции фильтров .............................................................129 
6.8. Выбор и расчет фильтров .........................................................148 
6.9. Схемы присоединения вакуум-фильтров. Организация  
работы фильтр-прессов....................................................................149 
7. Сушка.................................................................................................155 
7.1. Основные понятия.  Параметры, подлежащие расчету .........155 
7.2. Движущая сила процесса сушки.  Кинетика сушки. 
Напряжение объема сушки..............................................................157 

7.3. Основные параметры влажного воздуха .................................161 
7.4. Диаграмма влажного воздуха  (диаграмма Рамзина).............162 
7.5. Решение задач  с применением диаграммы Рамзина .............164 
7.6. Материальный и тепловой баланс сушки................................166 
7.7. Расчет удельных расходов воздуха и тепла   
на действительную сушку по диаграмме Рамзина ........................169 
7.8. Расчет сушилки в случае частичной рециркуляции 
отработанного воздуха.....................................................................172 
7.9. Сушка топочными газами.........................................................174 
7.10. Конструкции сушилок.............................................................178 
7.11. Выбор и расчет барабанных сушилок....................................187 
8. Очистка сточных вод........................................................................189 
8.1. Характеристика  сточных вод цветной металлургии .............189 
8.2. Характеристика загрязнений  и предельно допустимые 
концентрации  вредных веществ в воде водоемов ........................190 
8.3. Классификация загрязняющих  примесей по фазово- 
дисперсному состоянию  и рекомендуемые методы их удаления.........193 
8.4. Классификация процессов очистки  сточных вод.  
Их общая характеристика ................................................................194 
8.5. Оборотное водоснабжение обогатительных фабрик. 
Использование хвостохранилищ  в качестве очистных  
сооружений........................................................................................211 
8.6. Принципиальная схема  очистки сточных вод  
химическим методом........................................................................222 
8.7. Очистка подотвальных и шахтных вод  с получением  
товарных продуктов .........................................................................224 
9. Организация хвостового хозяйства обогатительных фабрик.......228 
9.1. Состав хвостового хозяйства....................................................228 
9.2.  Классификация хвостохранилищ............................................229 
9.3. Расчет основных  параметров хвостохранилища ...................230 
9.4. Характеристика  сооружений хвостохранилища....................231 
9.5. Способы складирования отвальных хвостов ..........................238 
9.6. Пример расчета  водно-шламовой схемы обезвоживания.....241 
9.7. Материальный баланс технологической схемы очистки 
сточной воды.....................................................................................244 
Библиографический список.................................................................246 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Разделение твердой и жидкой фаз имеет место в процессах обезвоживания (сгущение, фильтрование, сушка), очистки сточных вод 
(отстаивание, фильтрование, обезвоживание осадков), в технологических процессах гидрометаллургии, химического производства, 
флотационного обогащения, обесшламливания и т.п. 
Подавляющее большинство процессов рудоподготовки и обогащения 
минерального сырья протекает в воде. Вода является средой разделения 
(гравитация, флотация, мокрая магнитная сепарация), способствует разрушению минеральных ассоциаций (измельчение, дезинтеграция, промывка 
и т.п.), обеспечивает транспортировку минерального сырья между операциями. Результаты технологических операций во многом определяются 
соотношением жидкого и твердого в питании, поступающем в аппарат разделения. 
Существуют 
определенные 
требования 
к 
качественноколичественному составу технологической воды: содержанию и дисперсности взвешенных частиц, ионо-молекулярному составу.  
Расширение минерально-сырьевой базы страны за счет вовлечения в переработку труднообогатимых полезных ископаемых сопровождается увеличением потребления воды. Рациональное использование природных ресурсов требует разработки комплексных технологий переработки полезных ископаемых и применения на обогатительных фабриках оборотного водоснабжения за счет эффективных 
технологий водоподготовки технической воды. 
Назначение обезвоживания – удаление свободной воды (гравитационной и капиллярной влаги) из концентратов обогащения и любых 
твердых продуктов до требуемых кондиций.  
Назначение очистки сточных вод – удаление загрязняющих примесей, в том числе твердой фазы из очищаемых вод. 
Назначение обесшламливания – удаление твердых частиц определенной дисперсности, как правило, менее 20…10 мкм, затрудняющих 
последующие операции обогащения. 
Назначение сгущения в технологических схемах – удаление избыточной воды для создания требуемого содержания твердого в питании, поступающем в технологическую операцию. 
Обезвоживание твердого материала представляет собой совокупность процессов, последовательное применение которых позволяет 
максимально удалить воду (влагу) из концентратов и любых других 

продуктов обогащения или концентрирования твердой фазы (осадков, шламов). На рисунке приведена схема изменения содержания 
твердого в продуктах обогащения при последовательном применении процессов обезвоживания: 

.
50...60 %
.
80...94 %
. 
93...95 %
. 15...45 %

 

Процессы обезвоживания в обогащении 

Конечное содержание влаги в концентрате и других товарных 
продуктах не должно препятствовать транспортировке твердого материала потребителю и нарушать дальнейшую их технологическую 
переработку.  
Реализация обезвоживания является затратным процессом по капитальным и эксплуатационным расходам. Стоимость обезвоживания при переработке минерального сырья составляет не менее 30 % 
от общей ее стоимости. На сооружения для обработки осадков сточных вод приходится около 50 % затрат на строительство и эксплуатацию очистных сооружений. 
 Задача курса – познакомить студентов с процессами разделения 
твердой и жидкой фаз применительно к методам обезвоживания и 
очистки сточных вод; изложить физические и физико-химические 
закономерности, лежащие в их основе; научить основным принципам 
выбора и расчета соответствующих аппаратов. 

1. РАЗДЕЛЕНИЕ ЖИДКОЙ И ТВЕРДОЙ ФАЗ. 
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 

1.1. Технологические показатели процесса 
обезвоживания и очистки сточных вод 

При рассмотрении технологических процессов обезвоживания и очистки сточных вод наиболее часто используются следующие показатели: 
• содержание твердого – отношение доли массы твердого к доле 
массы жидкого в пульпе; 
• влажность, % – отношение массы воды к массе твердого с водой, показатель содержания воды в физических телах или средах; 
• разжижение – отношение жидкого к твердому по массе, численно равное массе воды на 1 т твердого; 
• концентрация твердого, г/л – масса твердого в 1 л воды; 
• производительность по объему пульпы, м3/ч – объем пульпы 
в единицу времени; 
• производительность по твердому, т/ч – масса твердого (концентрата, осадка) в единицу времени; 
• расход воды, м3/ч – объем воды (технологической, свежей, 
сточной, оборотной) в единицу времени; 
• концентрация загрязняющих примесей, г/л – масса загрязняющих веществ в 1 л воды; 
• гидравлическая крупность грубодисперсных примесей, мм/с – 
обобщающий показатель скорости осаждения частиц при их равномерном падении в неподвижной среде жидкости (воде); 
• эффективность очистки сточной воды, % – относительная доля 
удаленных примесей по отношению к их исходной концентрации. 

1.2. Классификация двухфазных систем. 
Процессы разделения твердой и жидкой фаз 

При обезвоживании приходится отделять твердые частицы от воды. Гетерогенные системы, содержащие вещества в двух различных 
агрегатных состояниях, называют двухфазными.  
Поведение двухфазных систем определяется в основном концентрацией твердого и размером минеральных частиц. Чем меньше размер минеральных частиц и их концентрация, тем ближе свойства 
двухфазных систем к однофазной – жидкости. 

В продуктах обогащения, подлежащих обезвоживанию, встречается самый широкий диапазон размеров частиц – от 10 мм до единиц 
микрометра. Содержание твердого в исходных продуктах обогащения колеблется в пределах – от 5 до 50 %, чаще 10–20 %. 
В настоящее время двухфазные системы принято разбивать на ряд 
подсистем в зависимости от размера минеральных частиц, их концентрации. На рис. 1.1 приведена классификация двухфазной системы 
твердое – жидкое в зависимости от дисперсности твердого с указанием 
основных процессов их разделения и движущей силы в этих процессах.  

 

Рис. 1.1. Классификация процессов разделения твердой и жидкой фаз 

Например, процесс дренирования (дренаж) представляет собой 
свободное вытекание жидкости под действием силы тяжести из межзеренного пространства кускового материала, что сближает этот 
процесс с фильтрованием воды через зернистую загрузку. Дренаж 

наиболее часто применяется при обезвоживании углей, гравитационных концентратов редкометального сырья, марганцевых руд, железных и марганцевых концентратов магнитной сепарации и др. 
При грохочении к силе тяжести воды добавляется сила вибрации 
и небольшая центробежная сила.  
Сгущение происходит под действием сил тяжести, но по сравнению с дренированием происходит не вытекание жидкости, а осаждение частиц, обладающих большей плотностью, чем вода. 
Для ускорения осаждения шламов и коллоидов в системе разделения 
дополнительно применяется центробежная сила, либо частицы укрупняются за счет предварительного агрегирования (коагуляция или флокуляция), для чего используются специальные реагенты. 
Механические методы обезвоживания легче описать с помощью 
двух физических процессов: 
1) оседания частиц в жидкости с переменной вязкостью; 
2) фильтрации воды через поры.  
Первый метод применяют для сгущения материала до 50…70 % 
твердого (Т:Ж = 1:1 или 1:0,4); при этом необходимо учитывать направление и скорость потоков в сгустителях. 
Процесс отделения воды из двухфазной системы, содержащей более 50 % твердого, легче представить как фильтрование через пористый и сжимаемый во времени осадок. 

1.3. Формы связи воды с твердым телом. Энергия 
связи различных форм воды с твердым телом 

На практике нельзя достичь необходимого обезвоживания за счет 
применения только одного из методов обезвоживания. Это связано с 
тем, что влага на поверхности минеральных частиц и в каналах осадка удерживается различными силами: 
– химическими, 
– физическими, 
– капиллярными. 
Химически связанную воду, например в гидроксидах Fe(OH)2, 
Ca(OH)2, называют конституционной. Влага из этих соединений удаляется, как правило, при высокой температуре порядка 500…1000 °С; 

 
(
)
2
2
Fe OH
FeO 
 H O;
→
+
 

 
(
)
2
2
Ca OH
CaO 
 H O.
→
+
 

Координационно-химически связанную воду в кристаллогидратах 
(
4
2
CuSO
5H O
⋅
) называют кристаллизационной водой, которая удаляется нагреванием при более низких температурах. Например: 
сульфат меди CuSO4·5H2O (синий) при нагревании выше 105 °C переходит в тригидрат CuSO4·3H2O (голубой), при 150 °C – в моногидрат CuSO4·H2O (белый); полное удаление кристаллизационной воды 
происходит при температуре выше 250 °C. 
Физически адсорбированную воду на поверхности твердых тел часто 
называют пленочной и гигроскопической. Гигроскопичность можно связать с поглощением паров воды за счет их конденсации в микропорах. 
Пленка воды на непогруженных зернах твердого является адгезионной. 
Увеличение адсорбции воды в тонких порах менее 10 Å вызвано 
перекрыванием полей сил Ван-дер-Ваальса от противоположных 
стенок, что способствует возрастанию сил притяжения по сравнению 
с плоской поверхностью. 
Давление паров воды зависит от кривизны поверхности раздела 
жидкость–газ и радиуса пор согласно уравнению Кельвина: 

 
M

0

2
ln
cos ,
V
P
P
rRT
σ
=
θ  
 

где Р и 
0P – давление паров воды соответственно над искривленной и 
плоской поверхностями, Па; 
σ – поверхностное натяжение, Дж/м2; 

M
V
– молярный объем адсорбированной воды, м3/кмоль; 
θ – краевой угол смачивания, град; 
r – радиус пор, м; 
R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К); 
T– абсолютная температура, К. 

Если вода смачивает поры диаметром больше, чем 10 Å , имеющиеся в твердом теле или осадке, то она снова будет задерживаться в 
них капиллярными силами. 
Влага, удерживаемая в порах осадка капиллярными силами, называется капиллярной. 
Вода имеет конечную скорость вытекания из межзеренного пространства. Эта скорость падает по мере уменьшения гидростатического напора при вытекании, поэтому вода не успевает вытечь из пористой системы за время ее удаления в каком-либо аппарате. 

Влага, остающаяся в осадке по этой причине, называется гравитационной. Она не удерживается ни поверхностными, ни капиллярными силами. Гравитационная влага обычно содержится в обводненных продуктах обогащения, когда количество воды настолько велико, что мениски в капиллярах отсутствуют. 
На рис. 1.2 приведена классификация видов связи воды с зернами 
твердого материала. 

 

Рис. 1.2. Классификация видов связи воды с зернами твердого материала:  
1 – гравитационная; 2 – адсорбционная (пленочная);  
3 – адгезионная; 4 – капиллярная 

При обезвоживании удаляются гравитационная и капиллярная вода. 
Энергию связи воды с поверхностью твердого тела можно оценить. 
Энергия связи конституционной воды равна тепловому эффекту реакции разложения гидроксида металла до его оксида, что в среднем составляет 418,68…837,36 кДж/моль (100…200 ккал/моль). 
Тепловой эффект реакции при отщеплении кристаллизационной 
воды меньше и составляет десятки-сотни килоджоулей на моль (десятки килокалорий на моль). Дифференциальная теплота адсорбции 
паров q зависит от степени заполнения поверхности. При малых заполнениях q порядка 2–3 L (L – скрытая теплота конденсации, 
кДж/кг) в тонких порах (диаметром менее 10 Å ), где удерживается 
гигроскопическая влага, дифференциальная теплота адсорбции почти 
не уменьшается для второго и третьего слоев. 
Энергию удаления капиллярной удерживаемой влаги можно оценить 
по величине работы перемещения объема жидкости с высоты, соответ

ствующей капиллярному подъему, до уровня жидкости в широком сосуде. Аналогично оценивается энергия удаления гравитационной влаги 
по необходимому перепаду давления (против сил вязкости). 
Для строгого проведения расчетов такого рода необходимо точно 
знать величины поверхностей твердых частиц, размер пор, а также 
диаметр капилляров, образующихся в осадке. Поэтому на практике 
для описания свойств твердой поверхности в жидкой фазе используются обобщающие показатели. 

1.4. Влагоудерживающая способность  
твердых тел. Влияние основных факторов  
на степень обезвоживания 

Влагоудерживающая способность продуктов обогащения в первую очередь определяется гранулометрическим составом минеральных частиц и величиной смачиваемости их поверхности жидкостью, 
а также наличием пор в частицах. 
При уменьшении размера минеральных частиц отделение их от воды 
затрудняется по следующим причинам: падает скорость осаждения, 
уменьшается сила тяжести, быстрее увеличивается вязкость суспензии 
при наличии в ней мелких частиц, в осадке образуются более тонкие 
капилляры, что затрудняет вытекание из них жидкости. Возрастает роль 
капиллярных сил и доля влаги, удерживаемой ими. Возрастает величина 
поверхности частиц и, следовательно, доля адсорбционно удерживаемой воды. Мелкие частицы могут также закупоривать капилляры, 
имеющиеся между крупными частицами в осадке. 
С ростом смачиваемости поверхности водой увеличивается доля 
адсорбционно связанной воды. Обычно эту влагу нецелесообразно 
удалять даже при сушке, так как адсорбционная влага находится 
в равновесии с парами воды атмосферного воздуха. 
Степень гидратации поверхности определяется величиной смачиваемости и оказывает большое влияние на агрегирование частиц. Гидратные 
слои препятствуют агрегированию частиц, а в отсутствие агрегирования 
скорость осаждения твердой фазы всегда меньше. В случае образования 
агрегатов из частиц осаждение значительно ускоряется. 
Влагоудерживающая способность также определяется пористостью самих твердых частиц. Минералы по степени пористости условно разделяются на три класса: 
– макропористые (размер пор более 2 · 10–4 мм); 
– переходные (размер пор 6 · 10–6 … 2 · 10–4 мм); 
– микропористые (размер пор 2 · 10–6 … 6 · 10–6  мм).