礦井廢水處理優(yōu)化技術(shù)研究

田衛(wèi)平

(1.太原理工大學(xué)，山西太原 030024; 2.西山煤電集團(tuán)設(shè)計(jì)院，山西太原 030053)

0 引言

礦井廢水是指采煤過(guò)程中，所有滲入井下采掘空間的水。水質(zhì)主要受當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)年代、地質(zhì)構(gòu)造、各種煤系伴生礦物成分、所在地區(qū)的環(huán)境條件等因素的影響。礦井廢水經(jīng)礦井排水系統(tǒng)抽排出地面，在地面進(jìn)行廢水處理。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年全國(guó)煤礦礦井涌水量約在42億m3。資料顯示，近20年間，山西礦井水排放造成的經(jīng)濟(jì)損失累計(jì)達(dá)到340.5億元。在“十二五”規(guī)劃中，全國(guó)礦井水年產(chǎn)生量70.92億m3，利用量54億m3左右，要求利用率75%，達(dá)標(biāo)排放率100%。

1 西山礦區(qū)礦井廢水水質(zhì)分析

西山礦井水水質(zhì)見(jiàn)表1。

結(jié)合表1，經(jīng)過(guò)調(diào)研，得出西山礦區(qū)各礦井廢水水質(zhì)特點(diǎn)：1)懸浮物高，正常時(shí)值在40 mg/L～200 mg/L，井下清倉(cāng)時(shí)會(huì)達(dá)到1 000 mg/L～3 000 mg/L，甚至更高。2)pH值接近中性。3)BOD5遠(yuǎn)小于COD，主要是煤粉煤屑中碳原子的有機(jī)還原性所致。4)硬度高，均高于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》所規(guī)定的450 mg/L，礦化度高。

2 西山礦區(qū)礦井廢水處理工藝

西山礦區(qū)礦井廢水處理工藝見(jiàn)圖1。

圖1 礦井廢水處理工藝圖

礦井廢水經(jīng)調(diào)節(jié)池處理后，經(jīng)混凝沉淀和過(guò)濾工藝的處理后經(jīng)消毒后至中水回用水池，回用至地面沖廁、澆灑、矸石山、選煤廠補(bǔ)充用水等雜用水。部分中水經(jīng)過(guò)深度處理后供給井下、地面鍋爐房、電廠等用水。

3 礦井廢水處理工藝優(yōu)化

3.1 調(diào)節(jié)池

1)調(diào)節(jié)池容積：由于井下排水是間斷式排水(要求20 h排出24 h的排水)，同時(shí)由于井下地質(zhì)構(gòu)造、探放水和季節(jié)性差異，排至地面的水是不連續(xù)的，且變化幅度較大。而地面處理設(shè)施其運(yùn)行要求是連續(xù)的，調(diào)節(jié)池要求有足夠的調(diào)節(jié)能力。同時(shí)礦井逐漸向深部開(kāi)采，西山礦區(qū)礦井排水量呈逐漸增大的趨勢(shì)，礦井廢水處理站改造優(yōu)化時(shí)需充分考慮調(diào)節(jié)池的調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)池容積要求根據(jù)來(lái)水曲線和供水量經(jīng)過(guò)計(jì)算，其容積可按照4 h～8 h(日平均時(shí))處理水量計(jì)算。否則易造成來(lái)水量過(guò)大，后續(xù)設(shè)施來(lái)不及處理，造成調(diào)節(jié)池溢流，污染環(huán)境。

2)調(diào)節(jié)池預(yù)處理：調(diào)節(jié)池中的預(yù)處理設(shè)施，根據(jù)設(shè)計(jì)思路的不同，礦區(qū)有兩種預(yù)處理設(shè)施：a.在調(diào)節(jié)池中設(shè)攪拌裝置(高壓水、空氣管或攪拌器)，保證調(diào)節(jié)池中水不停攪動(dòng)，不沉降，由渣將泵提升至后續(xù)設(shè)施處理。在調(diào)節(jié)池和凈水設(shè)施中間設(shè)旋流器等設(shè)施去除大粒徑顆粒，沉泥定期排至排泥水溝，可減輕后續(xù)凈水設(shè)施的負(fù)荷。本設(shè)計(jì)方法在官地礦和屯蘭礦中運(yùn)用。b.把調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)為平流沉淀池，礦井水中的粒徑大于50 μm的微粒，不須加藥即可自然沉淀去除，基于此原理，在池頂設(shè)計(jì)刮泥機(jī)，來(lái)水在平流沉淀池中進(jìn)行預(yù)沉，污泥經(jīng)污泥泵提升至污泥池處理。馬蘭礦、東曲礦、鎮(zhèn)誠(chéng)底礦采用此方式。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行比較后一種工藝較為適用，前一種方式在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)池中的攪拌裝置連續(xù)運(yùn)行時(shí)不存在問(wèn)題，在檢修時(shí)，大量污泥沉降，由于煤泥不易攪動(dòng)，攪拌裝置就會(huì)無(wú)法運(yùn)行，運(yùn)行操作管理水平要求嚴(yán)格，且后續(xù)設(shè)施加藥量大，需定期人工清理池內(nèi)污泥，勞動(dòng)強(qiáng)度大?，F(xiàn)有工藝改進(jìn)時(shí)，調(diào)節(jié)池改造中可增設(shè)潛水?dāng)嚢铏C(jī)并在池頂增設(shè)吸泥機(jī)。后一種方式在預(yù)沉池中進(jìn)行了初步沉淀，減少了后續(xù)設(shè)施的加藥量，較為經(jīng)濟(jì)，運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，便于操作。

3.2 混凝沉淀和過(guò)濾工藝

礦井水中的粒徑小于50 μm的微粒，可用加藥混凝沉淀去除。目前西山礦區(qū)采用的混凝沉淀工藝有以下兩種：

1)澄清、過(guò)濾工藝流程(見(jiàn)圖2)。

圖2 澄清、過(guò)濾工藝流程

2)反應(yīng)、沉淀、過(guò)濾工藝(見(jiàn)圖3)。

圖3 反應(yīng)、沉淀、過(guò)濾工藝流程

反應(yīng)、沉淀和澄清均屬于混凝沉淀，在實(shí)際運(yùn)行中了解到兩種方式均能處理礦井廢水，經(jīng)過(guò)比較采用澄清過(guò)濾工藝的優(yōu)點(diǎn)有：a.出水懸浮物更低，且易于控制。b.澄清池在凈化過(guò)程中耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，處理穩(wěn)定性高。c.對(duì)礦井水中的油類物質(zhì)有去除率高，澄清池泥渣回流，使藥劑得以充分利用，同時(shí)泥渣有利于懸浮物質(zhì)與絮體間的相互碰撞，增大絮體力度，加快絮凝體的沉降速度。

針對(duì)礦區(qū)用地的緊張，處理系統(tǒng)自動(dòng)化要求高的特點(diǎn)，礦區(qū)在礦井廢水處理站改造時(shí)采用了一體化凈水器，即混凝沉淀過(guò)濾一體，占地面積小、上馬快，自控水平高的優(yōu)點(diǎn)。但在選用時(shí)應(yīng)注意到幾點(diǎn)：a.凈水器優(yōu)先選擇處理高濁度凈水器(適應(yīng)原水濁度3 000，出水濁度＜10)，以適應(yīng)懸浮物增大的影響。b.凈水器混凝沉淀過(guò)程優(yōu)先采用含澄清工藝(懸浮澄清等)，對(duì)來(lái)水濁度適應(yīng)力強(qiáng)。c.反沖洗過(guò)程選擇自動(dòng)化程度高且可控的系統(tǒng)，做到自動(dòng)手動(dòng)均可，便于調(diào)節(jié)。d.濾料不宜選擇塑料濾珠(油類污染物易堵塞)，最好選擇無(wú)煙煤、石英砂等濾料。

3.3 深度處理工藝

原先設(shè)計(jì)礦井廢水排放標(biāo)準(zhǔn)為《城鎮(zhèn)污水處理廠綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，為滿足礦區(qū)廢水資源化的目標(biāo)，中水復(fù)用，礦井水零排放，要求分別滿足《井下消防灑水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》《城市污水再生利用》《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》等，解決不同用戶對(duì)水質(zhì)的不同要求，需對(duì)部分中水進(jìn)行進(jìn)一步深度處理達(dá)到用水要求。

西山礦區(qū)目前使用的深度處理工藝有以下幾種：離子交換工藝、反滲透、超濾工藝。

離子交換工藝主要適用于鍋爐房等軟化用水要求設(shè)施，但由于去除了鈣、鎂離子等人體必需的礦物質(zhì)，而大量增加了鈉離子，軟化水不宜作為飲用水。另外軟水容易腐蝕管路，使金屬管路生銹穿漏，所以離子交換軟化水不宜于長(zhǎng)距離輸送。

使用效果較好的為超濾工藝，超濾主要作用是減少原水中的濁度、懸浮物和有機(jī)物、細(xì)菌、病毒和病原體，以達(dá)到凈化原水目的。超濾過(guò)程是在膜兩側(cè)產(chǎn)生一定的壓力差后，水、低分子物質(zhì)和無(wú)機(jī)鹽透過(guò)膜，而大分子物質(zhì)、膠體等被半透膜所截留。超濾截留粒徑0.01 μm～0.1 μm。針對(duì)鍋爐房等要求軟化用水的要求可在礦井水處理站進(jìn)行超濾處理，超濾水供至鍋爐房再進(jìn)行離子交換工藝。針對(duì)井下消防灑水，原先對(duì)井下消防灑水是直接利用礦井混凝沉淀過(guò)濾后的中水，隨著井下用水設(shè)備對(duì)用水水質(zhì)的要求提高，同時(shí)煤礦井下施救系統(tǒng)的要求，且井下供水施救管網(wǎng)與消防灑水一般為合用管網(wǎng)，采用原先中水不能滿足用水要求，若處理為飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，成本過(guò)高。目前東曲礦采用方式為對(duì)井下消防灑水進(jìn)行超濾處理較為合理，井下飲水用供水點(diǎn)單設(shè)小型水處理設(shè)備滿足井下飲用水水質(zhì)要求。

針對(duì)礦區(qū)生活用水要求，由于水中硬度約為600 mg/L，硫酸根≈1 200 mg/L，遠(yuǎn)大于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，長(zhǎng)期飲用會(huì)造成腹瀉等癥狀，若處理為飲用水應(yīng)采用反滲透(RO)工藝進(jìn)行處理。目前鎮(zhèn)城底礦深度處理采用反滲透工藝，由于產(chǎn)水成本高，適合小水量使用。

4 礦井廢水處理新工藝

隨著礦井深部開(kāi)采，礦井廢水的排水量逐年呈增大趨勢(shì)，礦井廢水處理規(guī)模需加大，有的甚至增加到原來(lái)的2倍以上，由于廠區(qū)占地的制約因素，需在原廠址基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建，調(diào)節(jié)池需增大，若按照傳統(tǒng)的混凝沉淀方法占地較大，工藝設(shè)計(jì)較為困難，因此，微濾處理工藝有良好的應(yīng)用前景。

微濾又稱微孔過(guò)濾，截留溶液中的砂礫、淤泥、黏土等顆粒、小分子及少量大分子溶質(zhì)都能透過(guò)膜的分離過(guò)程。截留大小在0.1 μm以上的物質(zhì)，針對(duì)礦井廢水來(lái)說(shuō)，主要污染物為懸浮物，懸浮物粒徑為0.1 μm以上，現(xiàn)在一般微濾采用陶瓷膜、管式膜。

礦井廢水，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)水池后，由提升水泵送至膜系統(tǒng)入口，膜組件內(nèi)的輸料泵加壓輸送到保安過(guò)濾器中，攔截大顆粒的煤粉等，以保護(hù)膜元件，再由循環(huán)泵增至一定的壓力和流量進(jìn)入膜組件中進(jìn)行分離。小于膜分離孔徑的物質(zhì)例如水、無(wú)機(jī)鹽、小分子物質(zhì)等在壓力的作用下，穿透過(guò)膜表面，被分離開(kāi)來(lái)形成透析液，進(jìn)入到產(chǎn)水罐。而懸浮物顆粒、大分子菌體無(wú)法穿透過(guò)膜表面，從而形成截留液，排出膜系統(tǒng)。

采用微濾替代混凝沉淀過(guò)濾工藝的優(yōu)點(diǎn)是占地非常小，處理水量大，模塊化，自動(dòng)化程度高，適用于礦井水處理站的改擴(kuò)建。

5 結(jié)語(yǔ)

為便于礦井廢水處理站的正常運(yùn)行，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，保證穩(wěn)定可靠的處理效果，在改擴(kuò)建中礦井廢水處理工藝優(yōu)化是非常重要的，同時(shí)，根據(jù)礦井廢水資源化的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)礦井廢水零排放，要求中水回用，為滿足不同的使用水質(zhì)的要求，礦井水處理工藝需進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。礦井廢水處理站要求對(duì)來(lái)水調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，一級(jí)處理要求對(duì)水質(zhì)的變化適應(yīng)能力強(qiáng)，出水穩(wěn)定，礦井廢水處理站不僅是進(jìn)行廢水處理，同時(shí)要求深度處理，成為供水中心，滿足礦區(qū)用水要求。因此礦井水處理工藝局部的改造優(yōu)化是勢(shì)在必行的，適用于礦井水的一級(jí)處理和深度處理的成套化的先進(jìn)處理工藝會(huì)越來(lái)越多的得到應(yīng)用。

［1］ 曹祖民，高 亮.礦井水凈化及資源化成套技術(shù)與裝備［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2004.

［2］ 崔玉川.煤炭礦井水處理回用利用技術(shù)進(jìn)展［J］.工業(yè)用水與廢水，2000(2)：43-44.