五陽煤礦礦井水深度處理：超濾+臭氧+生物活性炭濾池系統設計研究

李 暉

(潞安環能股份公司 五陽煤礦，山西 長治 046205)

煤炭是我國重要的基礎能源和原料，在國民經濟中具有重要的戰略地位，在我國一次性能源結構中，煤炭占到60%以上。隨著煤炭的不斷開采，國家對企業外排水的標準越來越高，如何提高礦井水的資源化利用成為了一個研究熱點[1]。礦井水的主要污染物為懸浮物，主要由煤屑、巖粉、粘土等細小顆粒物構成，尤其是煤粉，含量可達幾十到幾百mg/L。而且煤粉能被重鉻酸鉀等強氧化劑氧化，出現較高濃度的COD(化學需氧量，Chemical Oxygen Demand的縮寫)。由于受到煤、齒輪油、液壓油、乳化液等污染，礦井水中還含有一定量的油類。礦井水常見的深度處理工藝主要有電吸附法、各種膜法、臭氧法、生物活性炭濾池法、多介質過濾法、反滲透法等。

五陽煤礦南豐礦井水處理站原有處理工藝為混凝沉淀+自動凈水器，排放標準執行《煤炭工業污染物排放標準》(GB20426-2006)表2中新建(擴、改)生產線的要求。根據長治市環境保護局《關于規范煤礦礦井水外排執行標準的通知》《長治市水污染防治工作方案》文件要求，所有煤炭生產企業的外排礦井水，化學需氧量、氨氮、總磷、氟化物、石油類5項控制指標執行《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中Ⅲ類標準。根據第三方監測數據可知，原有處理工藝存在化學需氧量、氟化物、石油類的超標情況，因此需要進行提標改造，增加深度處理環節。綜合考慮該礦井水處理站的出水水質情況、工程投資金額、占地面積等因素，設計的深度處理工藝流程為：超濾+臭氧+生物活性炭濾池。

1 五陽煤礦南豐礦井水水量水質特點

五陽煤礦礦井生產廢水由井下水倉提升輸送至南豐礦井水處理站，實際日處理量約6 000 m3，最高日處理量達到9 000 m3。根據五陽煤礦生產系統優化方案，五陽煤礦對75采區、75-5號區段進行了封閉，原有的75-5號區段排水系統無法再將75-5號區段的水排至+600 m水平排水系統，而流至南豐主排水倉，經南豐主排水泵房，排至南豐污水處理站處理后外排，該區段日產水量3 000多m3。另外，隨著80采區開始采掘后，日產生水量約3 000 m3。綜上，南豐礦井水處理站未來將達到12 000 m3/d的處理水平。

根據對南豐礦井水處理站的進水口、出水口水樣進行采樣分析，進水口的COD(268 mg/L)、氟化物(2.94 mg/L)、石油類(0.43 mg/L)、懸浮物(180 mg/L)指標較高，經污水站現有處理設施處理后，懸浮物可以達到9 mg/L，但是COD(31 mg/L)、氟化物(1.85 mg/L)和石油類(0.1 mg/L)等3項指標達不到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中Ⅲ類標準，需要進行深度處理。

2 礦井水原有處理工藝與效果

南豐工區建有一座礦井水處理站，礦井水由井下水倉提升輸送至礦井水處理站，設計處理能力為7 680 m3/d，工藝采用的是混凝沉淀+自動凈水器，工藝流程見圖1。

圖1 南豐礦原井水處理站工藝流程

南豐礦井水經過預沉池—平流沉淀池—自動凈水器后，其懸浮物濃度和COD濃度明顯下降，懸浮物平均值由原來的180 mg/L降為9 mg/L，COD平均值由原來的268 mg/L降為31 mg/L，出水pH值在6～9之間，各指標值見表1。這些指標均達到了《煤炭工業污染物排放標準》(GB20426-2006)的相關規定。

表1 南豐礦井水處理站現有設施處理后水質指標

與地表水Ⅲ類水標準相比，處理后的礦井水COD、氟化物(F-)和石油類的含量仍然偏高，不能滿足環保要求，若要使所有污染物指標全部達標，就必須進行深度處理。

3 礦井水深度處理工藝設計

為了使原系統出水進一步得到處理，確保出水化學需氧量、氨氮、總磷、氟化物、石油類等5項污染物指標穩定達到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)表中Ⅲ類水標準，根據國內外礦井水深度處理技術發展趨勢及相關文獻[2-3]，五陽煤礦礦井水深度處理工藝采用“超濾+臭氧+生物活性炭濾池” 工藝，工藝流程見圖2。

圖2 南豐礦井水處理站深度處理工藝流程

深度處理工藝流程為：經過前端的混凝沉淀+一體化凈水器等預處理之后，由清水池中的提升泵提升至超濾車間，首先經過保安過濾器，然后進入超濾系統，超濾系統出水進入臭氧接觸池，最后提升進入活性炭濾池，出水達標，部分回用，部分外排。該工藝綜合強氧化、活性炭吸附、生物降解等技術的優勢于一體，臭氧分解快，基本為低毒無毒，由于臭氧對大分子的分解作用，有機污染物去除效率高，且臭氧和活性炭聯合使用，可以延長活性炭的使用壽命，減少運行費用。

3.1 超濾系統的設計

超濾是一種能將溶液進行凈化、分離和濃縮的膜法分離技術。從反滲透至微濾過濾范圍的連續譜圖中，超濾介于納濾和微濾之間。超濾膜孔徑大小為0.002～0.1 μm。

超濾過程通常可理解為一種篩孔分離過程。以膜兩側0.1～0.5 MPa的壓力差為推動力利用多孔膜的攔截能力，以物理截留的方式，將溶液中大小不同的物質顆粒分開。在一定的壓力下，當水流過膜表面時，只允許水、無機鹽及小分子物質透過膜，而阻止水中的懸浮物、膠體、蛋白質和微生物等大分子物質通過，從而達到純化和濃縮溶液中不同組分的目的。

超濾可用于去除水中的懸浮微粒、膠體、微生物等以保護反滲透設施，尤其在去除膠體方面較其他技術卓越。原水經超濾處理后純水通常可以保證SDI(淤泥密度指數，Silt Density Index的縮寫)≤3，濁度(散射濁度單位，Nephelometric Turbidity Unit的縮寫)≤0.1NTU，可明顯提高產水水質。

該深度處理系統的超濾處理單元設計總處理水量12 000 m3/d，共設4組膜器，每組40支膜件，型號為AQU250-W，膜絲材質為PVDF(聚偏氟乙烯poly(1,1-difluoroethylene)的縮寫)，單組膜件設計產水通量125 m2/h，共設3臺進水水泵，兩用一備，單泵設計流量為380 m3/h，揚程為32 m，額定功率為55 kW。

反沖洗水來自生物活性碳濾池后清水池，反沖洗出水排入舊系統調節池。超濾單元設專用化學反沖洗間，維護性清洗周期1～7 d，化學清洗周期30～180 d，化學反沖洗水進入中和池處理后排入廠區污水管道，超濾產水進入臭氧接觸池。

3.2 臭氧+生物活性炭濾池的設計

臭氧(O3)+生物活性炭(BAC，Biological Activated Carbon的縮寫)深度水處理技術是結合臭氧氧化與生物活性炭技術，以臭氧氧化和顆粒活性炭吸附及生物活性炭生物降解為主的凈水工藝。其采用臭氧氧化和生物活性炭濾池聯用的方法，將臭氧氧化、滅菌消毒、活性炭吸附和生物降解四種技術合為一體，其主要目的是在常規處理之后進一步去除水中有機污染物和氨氮，保證出水的化學穩定性和生物穩定性。

臭氧(O3)是氧(O2)的同素異性體，常溫常壓下是一種不穩定的具有強刺激性氣味的淡藍色氣體，可自行分解為氧氣。臭氧的氧化能力很強，氧化能力高于氯和其他常用氧化劑，僅次于氟，具有廣泛的殺菌作用。臭氧投加到水中以后，主要有三個作用：一是直接對有機物進行降解，有效降低進入生物活性炭濾池中的有機負荷；二是大分子有機物通過臭氧作用被降解為小分子有機物，水中有機物的分子量分布被改變，提高了水中有機物的可生化性，從而有利于強化后續活性炭工藝對于中小分子量有機物的吸附降解；三是為后續活性炭工藝充氧，利于活性炭中好氧微生物的生長。

生物活性炭技術是20世紀70年代發展起來一種去除水中有機污染物的新技術。目前，已在世界許多國家的污染水源凈化、工業廢水處理及污水再利用工程中應用。該技術實質是利用粒狀活性炭巨大的比表面積及發達的孔隙結構，對水中有機物及溶解氧有很強的吸附特性，以及優良的吸附性能等特點，以活性炭作為載體構建生物膜，從而形成生物活性炭對污染物質進行降解。BAC法常可以去除活性炭和生物法單獨使用時不能去除的污染物，且其處理效率也較兩者單獨使用時高。近年來，生物活性炭技術在國內外水處理領域得到了廣泛應用，并取得了較好成果。

臭氧車間下設臭氧接觸池1座，工藝平面尺寸12 m×5.8 m，池深7.4 m，設計水深5.5 m，鋼筋混凝土結構，池體內壁涂覆衛生級防腐涂料。臭氧池接觸單元與過濾車間內其它工藝間以墻體隔離，以保證臭氧單元的獨立工作空間。

臭氧接觸池分兩格，接觸時間15 min，每格由兩段接觸室串聯而成，前室接觸時間5 min，后室接觸時間10 min。接觸池出水端設余臭氧監測裝置。臭氧單元設臭氧尾氣破壞裝置。臭氧單元車間內設臭氧濃度預警裝置，車間內電器采用防爆型。臭氧發生器裝置(空氣氣源)1套，型號為NLO-A-10K，單臺產量10 kg/h，額定功率為160 kW，工作壓力為0.2 MPa，設計臭氧濃度為30 mg/L，當冷卻水溫度為25 ℃時，每產生1 kg的O3的功耗不高于16 kW·h。臭氧尾氣破壞裝置1套，排放濃度低于0.10×10-6。

生物活性炭濾池過濾總水量為600 m3/h，設兩組濾池，每組均可獨立運行，池身為鋼筋混凝土結構。活性炭濾池設出水池，超濾以及活性炭濾池反沖洗水均取自超濾后清水池。濾池單格面積6 m×6 m，設計總過濾面積72 m2，設計濾速8.3 m/h，接觸時間11 min，濾池高度4.8 m，超高0.50 m。承托層采用粗石英砂，有效粒徑2～4 mm，濾料層采用活性炭，濾料體積約215 m3，有效粒徑1.25～1.8 mm，不均勻系數K80≤1.25，使用壽命約6～12個月。

活性炭濾池反沖洗泵房設4臺反沖洗泵，三用一備，設計流量為600 m3/h，揚程為17 m，額定功率為37 kW；鼓風機房設2臺羅茲三葉鼓風機，一用一備，全壓58.8 kPa，進口流量為36.48 m3/min，額定功率為55 kW。

4 效益及運行成本分析

本提標改造工程采用的方案：超濾+臭氧+生物活性炭濾池處理工藝。工程總投資主要包括建筑工程、設備購置和安裝工程三個方面。經過預算，南豐礦井水深度處理系統建設總投資費用為1 126.04萬元。該方案工藝穩定、性能可靠、運行靈活，出水水質能夠穩定達標，工藝流程較短，受水質、水量的影響較小，場地布局合理，而且投資和運行成本也較為合適。該項目建成后年處理礦井水能力可達438萬t，處理后得到的清水可回用于綠化、道路噴灑、井下消防等，節約了大量新鮮水。本工程建成后，每年減少COD排放量13.14 t，懸浮物排放量6 351 t。由以上數據可見，本項目的建設極大地降低了污水對環境造成的影響，環境效益、社會效益可觀。由于新增提標改造系統，運行成本相比之前增加0.844元/m3，具體運行成本分析見表2。

表2 南豐礦井水處理站深度處理運行成本分析表(按照12 000 m3/d水量計算)

5 結 語

針對五陽煤礦礦井水的水量和水質，設計出深度處理工藝流程為超濾+臭氧+生物活性炭濾池，本工藝運行穩定、可靠，抗沖擊負荷能力強，出水主要污染物指標可穩定達到國家《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)表中Ⅲ類水標準。