實用新型煤礦礦井水預處理系統應用分析

馬金龍

（寧夏煤礦設計研究院有限責任公司，寧夏銀川 750000）

地下水資源和煤炭資源在自然狀態處于共生狀態，開采煤炭資源會打破原有的共生狀態，但這一過程也是締造新的共生狀態的過程。從礦井水的社會生態效益出發，高效的礦井水處理利用模式可以使區域的共生狀態更優。因此，要從實現區域共生狀態更優，充分挖掘礦井水的利用價值，對礦井水進行有效利用，在改善地區生態環境的同時，通過水資源處理回收與利用措施，推動礦井水利用產業化發展，提高企業經濟、社會效益，實現企業經營的可持續發展。

1 煤礦礦井水特點

懸浮物與可溶性無機物均為煤礦礦井水的組成成分，比如，懸浮物SS 主要是由煤粉和巖粉組成，巖粉組成，其含量較不穩定。另外，礦井水流經過采煤工作面和巷道時，受到人為的影響，有部分有機物摻入水體中，礦井水中SS 的主要成分是煤粉，能被重鉻酸鉀等強氧化劑所氧化，因此，顯示有相對較高的CODcr。

煤炭開采基地一般設置有生產礦井，年礦井水產生量巨大，以寧煤公司為例，煤炭板塊年礦井水產生量達到約60Mt，而且基本都屬于高硬度、高SS、pH 在8左右的高礦化度礦井水，其中SS 含量200L～1500mg/L，礦化度4000～12000mg/L，永久硬度1500～4000mg/L，Cl-含量2500～5000mg/L，SO2-含量2000～4000mg/L，COD 含量≤30mg/L，氨氮含量≤1.5mg/L，石油類含量≤0.5mg/L，氟化物氨氮含量≤1.5mg/L。

煤礦不僅是具有工業特點的污染源，也是寶貴的水資源。我國許多煤礦一方面缺水嚴重，另一方面未經處理直接排放，造成大量的廢水資源和環境污染，因此，將煤礦作為工業用水或飲用水處理，不僅可以解決開采過程中的缺水問題，而且還可以解決水資源短缺的問題，充分開發礦泉水資源，節約地下水資源，產生明顯的經濟、環境和社會效益。

2 礦井水預處理工藝

煤礦水處理的主要任務是去除懸浮物。煤礦懸浮液的主要成分是極細的碳粉和石粉。用自然沉淀法去除懸浮物是非常困難的，有必要用鞣劑除去。目前煤礦預處理已有成熟的實踐經驗。通常加設混凝過程、沉淀（或流水）和過濾，其出水SS 基本能達到≤10mg/L，主流的預處理工藝路線為：煤礦井下來水—預沉調節池—提升泵—PAC 攪拌池—PAM 攪拌池—熟化池—沉淀池—過濾。

目前國內比較成熟的煤礦礦井水預處理工藝主要有傳統混凝沉淀工藝、高效沉淀池工藝、重介速沉工藝等。

2.1 傳統混凝沉淀工藝

混凝沉淀原理：在混凝劑的作用下，礦泉水中的膠體和細懸浮物凝結成片狀，隨后排出分離。

制革法的基本原理是在廢水中使用鞣劑。由于鞣劑是電解液，它在廢水中形成微粒，通過電中和廢水中的膠體物質，產生天鵝絨般的沉淀。混凝沉淀法不僅能去除細懸浮物，還能去除色度、油脂、微生物，去除氮、磷等豐富的營養物質、重金屬和有機物。

水中的膠體和細懸浮物非常輕，由于水分子熱運動的碰撞，它們具有不規則的布朗運動。首先，細懸浮物具有相同的電荷，它們之間的靜電位移阻止粒子接近較大的粒子；其次，帶電的膠體顆粒和區域與周圍的水分子可以形成一層水化殼，你所裝載的膠體聚合成膠體，其電位越大；擴散層中的離子越多，水化效果越大，水化層越厚；擴散層越厚，穩定性越強。

在礦井水中加入混凝劑后，由于rt 的降低或消除，膠體被破壞，失穩顆粒聚集成較大顆粒的過程稱為凝聚。膠體的混凝機理主要有四種類型：壓縮電雙層效應、吸附電中和效應、吸附橋效應和網捕集。反作用，不穩定的膠體也能形成剝落的大顆粒。不同類型的化學物質可能：膠體以各種方式破壞穩定、凝結或引起薄片。

在煤礦水混凝沉淀處理過程中，影響水樣混凝效果的因素很多：對于不同的水樣，由于礦井水成分的不同，同一種混凝劑的處理效果可能大不相同，也會受到水溫的影響，主要表現在以下幾個方面：①影響試劑在水中的堿度的化學反應速率，對金屬鹽鞣劑有重要影響，因為其水解是吸熱反應；②影響明礬的培養和質量。水溫低時，拍打形成緩慢，結構松散，顆粒細小；③水溫低時，水的黏度大，布朗運動強度減弱，不利于不穩定膠粒的聚集，水流剪切力增大，鱗片生長增加，這是影響金屬鹽鞣劑的主要因素，但對聚合物鞣劑影響不大。傳統混凝沉淀工藝技術成熟、運行穩定，但占地面積大，土建投資高，抗負荷變化能力較差，對運行操作要求較高。

2.2 高效沉淀池工藝

高效沉淀池是集混凝、片狀、沉淀、濃縮于一體的混凝技術和高效沉淀池。反應釜與沉淀池之間的低配水不會破壞所形成的鋁顆粒，產生的鋁水團致密而牢固，能很好地保持鋁水團的完整性，獲得最佳的剝落性能，獲得濁度較低的出水。

高性能沉淀容器具有以下突出特點：第一，占地面積小，僅為常規沉淀工藝的1/4～1/10，節約了深部施工成本；第二，沉淀效率高；第三，污泥干度高；一般情況下，石灰軟化后，泥漿濃度由50～80g/L 可達到100～400g/L，完全可以滿足直接脫水的要求；第四，不必建壓縮罐；Comb-9315具有很強的抗負載變化能力，由于污泥回流功能是反應區的懸浮物濃度高達幾千ppm，在水質變化較大的情況下可以起到很好的緩沖作用，而不影響廢水水質；第五，污泥回收可回收部分活性物質，且循環周期使污泥與水接觸時間較長，藥物用量低于其他鎮靜劑。第六，失水率低。由于排出的污泥濃度高，帶走的水量相對較小；第七，與傳統的靜態沉淀池相比，高密度轉爐的失水率很低，該系統易于操作和維護。如圖1所示。

圖1 高效沉淀池工藝原理圖

2.3 重介速沉工藝

重介速沉工藝是目前應用于礦井水處理的一種新工藝，采用一體化設計，混凝、絮凝及沉淀過程均在設備中完成。設備主體分為混合段、絮凝段、反應段、沉淀段四個部分，并配套泥水分離裝置和微砂投加裝置。

清洗原理是在水體中懸浮物和微端的聚集物中加入微砂、介質和混凝劑，形成高密度鱗片的“芯載體”和壓艙物，由于沉淀去除，絮片密度更高，重量更輕。由于微砂的加速拍打速度是傳統拍打工藝在相同沉降性能下的10倍，大大縮短了水力停留時間。因此重介速沉礦井水處理技術具有沉淀速度快，效率高，工程設施占地面積小等優勢（圖2）。

圖2 重介速沉工藝原理圖

3 實用新型煤礦礦井水預處理系統應用分析

實用新型名稱：用于煤礦礦井水處理的系統（圖3～圖4）。該系統主要包括：第一PAC 攪拌池，用于對加有PAC 藥劑的煤礦礦井水進行攪拌，以便混凝；第二PAC 攪拌池，用于接收PAM 藥劑和所述第一PAC 攪拌池的溢流并攪拌以便絮凝；PAM 攪拌池，用于接收PAM 藥劑和所述第二PAC 攪拌池的底流并攪拌以進一步絮凝；沉淀池，用于接收所述PAM 攪拌池的溢流并沉降，得到位于上層的清液和位于下層的沉淀物；清水池，用于接收來自所述沉淀池的清液。

由于煤礦井下排水泵的數量是依據礦井涌水量來確定的，為避峰填谷，礦井水預處理多在夜間高負荷運行，導致存在夜間預處理能力不足的問題，該系統取消前端預沉調節池，系統設計處理能力與井下排水泵匹配，系統不受避峰填谷影響。該系統主要由混凝部分、絮凝部分和沉淀部分組成。可以是一體化設計也可多體設計制造后拼裝，主體材質為混凝土加防腐。與其他相近裝置相比，增加了一級PAC 攪拌池，去掉了熟化段，同時增加了PAM 兩點加藥的設施，實現了PAM間隔性分批次加藥的創新。

圖3 用于煤礦礦井水處理的系統原理

圖4 用于煤礦礦井水處理的系統原理

該系統具備如下幾個突出的優勢：

1）降低工程投資，減少了預沉調節池及提升泵的投資。

2）降低了運行費用和管理難度，去掉了礦井水從預沉調節池向處理裝置二次提升泵的電耗，減少了管理環節、減少了管理人員，減少維護費用等。

3）創新了工藝流程，在混凝、絮凝沉淀的理論基礎上，拋棄了傳統的混凝、絮凝工藝在混勻和工藝流程上的做法，對煤礦礦井水處理工藝中混凝、絮凝和加藥進行了重新構思和設計，增加了PAM 兩點加藥的設施，顛覆了傳統繁雜的工藝設計。

4）減少藥劑使用成本，由于實現了分2 點加PAM，反應較充分，因此在同等出水水質的情況下，凈水藥劑PAC 和PAM 的用量極大減少。

5）適用性強，投資和運行費用大幅度減少，更具使用價值。

6）針對性強，充分依據煤礦礦井水的特點，完全適用于煤礦礦井水去除懸浮物、色度、COD、石油類等處理的需要。

應用案例分析：寧煤公司石槽村煤礦礦井水處理站提標改造工程。寧煤公司石槽村煤礦礦井水處理站提標改造工程于2017年建成投產，采用該實用新型煤礦礦井水預處理系統，設計預處理能力1100m3/h，自竣工驗收以來運行穩定，預處理出水懸浮物指標在20～30mg/L，正常運行加藥量20～30mg/L，傳統工藝正常運行加藥量40～80mg/L。相比其他相近預處理工藝節約工程投資約30%，噸水預處理成本減少約0.15元/m3。

4 結語

實用新型煤礦礦井水預處理系統在混凝、絮凝沉淀的理論基礎上，對煤礦礦井水處理工藝中混凝、絮凝和加藥進行了重新構思和設計，顛覆了傳統繁雜的工藝設計，充分依據煤礦礦井水的特點，節約了投資及運行費，完全適用于煤礦礦井水去除懸浮物、色度、COD、石油類等處理的需要，應用前景廣泛，直接效益和間接效益顯著，是提高企業的經濟效益，推動礦井水利用產業化發展，實現企業經營的可持續發展的良好助力。