含懸浮物礦井水處理技術現狀及發展趨勢

張 超，王宏義，李紅偉，王立國

(山東環能環保科技有限公司，山東 泰安 271000)

1 背 景

煤礦礦井水[1-4]是伴隨煤炭開采過程產生的地下涌水。為確保煤炭安全開采，須排出大量礦井涌水。按照污染物特征，目前我國將礦井水分為潔凈礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水和特殊污染型礦井水5類[5-7]。我國礦井水大多屬于含懸浮物礦井水，而其他類型礦井水也都含有一定數量的懸浮物。含懸浮物礦井水水質特點為：水質呈中性，外觀多為灰黑色，懸浮物含量高[7-10]。

礦井水中懸浮物主要由煤粉和巖粉組成。據統計[11-14]：① 懸浮物含量低于300 mg /L的礦井水占我國礦井水總量的80%，而懸浮物含量高于500 mg /L的礦井水不到12%；② 由于采煤方式不斷進步，采煤工作面產生的礦井水懸浮物粒徑越來越小，平均密度為1.2～1.3 g /cm3，其中排至地面的礦井水中懸浮物粒徑不大于50 μm的占88%，粒徑不大于5 μm的占50%以上，而粒徑大于80 μm的不超過5%；懸浮物自然沉降時間長，沉降效果差；③ 由于煤粒表面的—COOH易失去H及煤粒易吸附水中油性物質，導致礦井水中懸浮物具有膠體微粒的性質，難以自由沉降。目前的礦井水懸浮物脫除工藝[14-18]主要有斜板(斜管)沉淀工藝、高效旋流工藝及磁分離工藝。

2 傳統脫除礦井水懸浮物工藝

2.1 斜板(斜管)沉淀工藝

斜板(斜管)沉淀工藝發展較早，工作原理為：在沉降區設置許多密集的斜管或斜板，使水中懸浮雜質在斜板或斜管中依靠重力沉淀，水沿斜板或斜管上升流動，分離出的泥渣在重力作用下沿著斜板(管)向下滑至池底，再集中排出。見圖1。

圖1 斜板沉淀工藝脫除礦井水懸浮物工藝流程

斜板(斜管)沉淀工藝在運行中存在以下主要問題：

(1)工藝雖簡單，但設備占地面積大，同時污泥的沉降過程主要靠自身重力，導致停留時間長，處理效率低；

(2)斜管沉淀池排泥含水率高(98%左右)，煤泥無法直接送入煤泥脫水機，需適當脫水后才可，導致后續人力、相關設備成本大幅增加。

2.2 高效旋流工藝

高效旋流工藝出現于2000年左右，工作原理為含懸浮物的礦井水在壓力作用下沿漸開線方向進入旋流器高速旋轉，在離心力場的作用下，細而小的礦物顆粒由于所受離心力小，在旋流器的軸線中心富集，并隨內旋流向上運動，從上部溢流管得到粒度細的溢流產物。粒度較大的礦物顆粒由于所受的離心力較大，被甩向旋流器的內壁，在重力的作用下，隨外旋流向下運動，在下部的沉砂口得到粒度粗而密度大的沉砂產物。其工藝流程見圖2。

圖2 高效旋流脫除礦井水懸浮物工藝流程

高效旋流工藝在運行中存在以下主要問題：

(1)高效旋流工藝由于重力分離需要一定的沉降距離，因此設備必須保持相當的高度；而且旋流離心無法高效分離微小絮體，目前尚無運行良好的工程案例，因此有待于繼續研究；

(2)高效旋流器設計為一塔化，采用碳鋼作為塔體和內部結構用材料，在高效旋流流體及SS的沖擊下對塔體及內部結構的材料磨損和腐蝕是相當嚴重的；

(3)高效旋流需設反沖洗工序，反沖洗產生的反沖洗污水回灌，使裝置達不到處理水量的設計要求；

(4)高效旋流裝置排泥含水率高(98%～99%)，且采用間歇排泥，由于煤泥含水率高，無法直接送入煤泥脫水機進行脫水，需建一座容積相當大的污泥儲池，再提升進入污泥濃縮池進行重力濃縮，還要進行二次加藥沉淀，導致人力、電費、藥劑費用大幅增加，加大了運行成本；

(5)目前高效旋流單臺最大處理能力只有200 m3/h，無法滿足現有大部分煤礦對礦井水的處理要求，高效旋流裝置的增加導致所占場地面積大，后續輪檢和維修工作量大等問題。

3 磁分離工藝

3.1 工作原理及流程

磁分離工藝處理礦井水懸浮物的原理是，通過投加磁種介質與微磁絮凝藥劑，使水體中的懸浮物和磁種凝聚在一起，形成具有磁性的“礬花”之后，依靠永磁材料所產生的高強磁場，在強磁場力的作用下對賦磁性絮團進行快速分離。磁力是重力的640倍，因此磁分離水處理技術分離速度快，大大縮短了水力停留時間及設備占地面積。該工藝工作流程見圖3。

圖3 磁分離脫除礦井水懸浮物工藝流程

如圖3所示，煤礦井水經水砂分離器對礦井水進行初步分離，除去水中大顆粒物質，出水進入混凝反應設備，在設備內投加磁種和混凝劑(PAC)、助凝劑(PAM)，使懸浮物在較短時間內形成以磁種為載體的“微磁性絮團”，產生的絮團進入磁分離磁鼓，實現磁種和污泥的分離并對磁種進行回收，回收的磁種由磁種投加泵輸送至混凝設備循環使用，脫磁后污泥自流進入污泥池；從磁分離主機出來的礦井水再經精密過濾器進行固液分離凈化，使出水水質達到要求后自流進入清水池，同時精密過濾器過濾污泥自流進入污泥池，污泥池內污泥由污泥泵輸送至板框壓濾機，污泥經壓濾機脫水后，泥餅轉載外運。

3.2 磁分離工藝優勢分析

以處理量48 000 m3/d的煤礦礦井水懸浮物處理項目為例，對斜板(斜管)沉淀工藝、高效旋流工藝及磁分離工藝3種懸浮物脫除工藝在占地面積、水力停留時間、運行成本、藥劑投加量等方面進行分析。結果見表1。

表1 3種礦井水懸浮物脫除工藝對比

根據表1可發現，相比斜板(斜管)沉淀工藝和高效旋流工藝，磁分離水處理技術的特點及優勢如下：

(1)技術穩定成熟。核心設備采用稀土釹鐵硼永磁鋼，磁場強度穩定，技術穩定成熟。

(2)處理時間短。節省了傳統工藝的重力沉降水力停留時間。磁吸附實現泥/水分離過程僅需3～5 s。進出水全過程僅需要3～5 min。

(3)設備占地面積小，處理量大。由于磁分離工藝實現了一體化、連續處理功能，單位時間的處理效率高，處理量大，占地僅為傳統工藝的30%左右。

(4)運行成本低。磁分離依靠強磁力進行吸附分離，不需要形成大的絮團，可節約藥劑使用量(僅為常規水處理加藥量的1/3～1/2)；裝機功率低，能耗低，節約了電費；運行維護簡單，節約了人工費。

(5)出渣污泥濃度高，可不經過濃縮過程直接進入脫水設備。經壓濾脫水后，污泥含水率小于30%，便于與礦井運輸系統銜接外運。避免了傳統工藝污泥處理“拖泥帶水”現象。

(6)自動化程度高。整套系統可實現自動控制及遠程控制，與數字化礦井建設相匹配。

3.3 磁分離工藝經濟效益分析

以處理量48 000 m3/d，進水ρ(SS)=3 200 mg/L，出水ρ(SS)<30 mg/L，年運行時間為365 d的煤礦井水處理項目為例，對比傳統工藝，對磁分離工藝進行經濟分析。

3.3.1 設備運行費用

磁分離水處理系統的運行成本為0.358元/ m3，以處理量48 000 m3/d，年運行時間為365 d計算，1 a設備運行費用為：48 000 m3/d×365 d×0.358元/m3=627.2萬元。

3.3.2 節省運行成本費

相比傳統工藝(高效旋流工藝)的運行成本為0.85元/m3，磁分離水處理系統的運行成本為0.358元/m3，運行成本可節約費用0.492元/m3。則1 a可節約運行費用：48 000 m3/d×365 d×0.492元/m3=861.9萬元。

3.3.3 煤泥經濟價值

經磁分離工藝處理后，煤泥可直接脫水處理后成為塊狀泥餅，含水率低于30%。按48 000 m3/d、進水ρ(SS)=3 200 mg/L、出水ρ(SS)<30 mg/L計算，每年可回收含水30%左右的煤泥(3 200-30)mg/L×10-9t/mg×1000L/m3×48000m3/d×365d=55538.4t ；煤泥熱值按照15.74 MJ/kg計算，標煤系數取0.543 1，標煤單價按300元/t，年回收標煤55538.4 t×0.5431=30162.9t。則1 a煤泥帶來的經濟價值為：300元/t×30162.9 t=904.9萬元。扣除設備運行費用，綜合可得每年可實現的經濟效益為：861.9萬元+904.9萬元-627.2萬元=1139.6萬元。

4 討論與展望

(1)我國大部分煤礦礦井水均為含懸浮物礦井水，且懸浮物自然沉降困難，而傳統工藝即斜板(斜管)沉淀工藝及高效旋流工藝存在占地面積大、水力停留時間長、煤泥含水率高、運行成本高且維護困難等缺點，因此新型高效的懸浮物脫除工藝將是解決傳統工藝所存在難題的關鍵。

(2)相比傳統工藝，磁分離工藝作為目前礦井水懸浮物處理的新工藝，具有設備占地面積小、處理水量大、煤泥含水率低、水力停留時間短、運行成本低、自動化程度高等優點，更能夠有效脫除礦井水懸浮物，滿足煤礦需求，成為目前高效脫除礦井水懸浮物的主要工藝。

(3)以處理量48 000 m3/d，進水ρ(SS)=3 200 mg/L，出水ρ(SS)<30 mg/L，年運行時間為365 d的煤礦礦井水處理項目為例，對比傳統工藝，對磁分離工藝進行經濟分析后發現：扣除設備運行費用，每年可實現的經濟效益1 139.6萬元。因此，采用磁分離工藝脫除礦井水懸浮物具有較大的技術優勢及經濟優勢，在煤礦礦井水處理領域具有廣闊的應用前景。