礦井水實時分質精細化處理的研究及應用

＊王飛 李暉 常柳青 范洪達

（山西潞安環保能源開發股份有限公司五陽煤礦 山西 046200）

煤礦在開采過程中經常伴隨著大量的礦井涌水，一般都具有一定的污染性。針對該類水處理達標排放或回用是環保需求大勢所趨，也會給企業節約大量資源和經費。目前高懸浮物礦井水主要采用絮凝沉淀法為主的前期處理再進入下游工藝處理，既保護了周邊環境又緩解了周邊缺水的局面[1-3]。

本文以五陽煤礦南豐風井出水為研究對象，南豐礦礦井水原有處理工藝為：初沉池→調節池→一級反應池→二級反應池→平流沉淀池→下游處理，藥劑為PAM和PAC復合使用，屬常規處理工藝符合礦井水處理原則[4]。目前因懸浮物和濁度大幅升高而導致原有加藥系統已經不能穩定運行，加藥需依賴人工的經驗性，無法避免藥劑過量投加現象。本文進行了水質與加藥劑量的關系研究，并將研究所獲得數據進行整理建立數學模型，應用到自動化控制系統。目的在于解決原有加藥系統依賴操作人員經驗、藥劑過量，效率低的問題。

1.試驗部分

(1)礦井水的來源和特征

試驗用水來自五陽煤礦南豐井，無異味、pH在8.4～9.0之間，電導率1000μS/cm左右，懸浮物和濁度波動幅度較大。懸浮物含有較高濃度的煤粉以及其他有機物，會導致顏色趨于黑色，經過處理后色度消失因而色度不做考察指標。因礦井水懸浮物測試易產生負值現象[5]，因而進行在線與國標法并行測試。其在實驗室測試其指標如表1所示。

表1 試驗所用礦井水水質

(2)試驗儀器器材

①主要測試儀器。分析天平（電子）：梅特勒托利多MS104TS/02，恒溫干燥箱，水浴鍋，蒸發皿；pH計：上海雷磁PHG-21C，電導率儀：上海雷磁DDG-33，污泥濃度計（SS）上海雷磁FS-100，濁度計WZB-175。

②主要試驗裝置。連續型實驗裝置，包括原水箱，供水泵，流量計，反應池一和二，沉淀池，攪拌器兩套，加藥泵兩套，配套閥門、電控箱。

2.試驗方法

(1)試驗方案

試驗按照先單組分藥劑投加，即進行固定懸浮物濃度投加系列濃度PAM和PAC的實驗。在PAM劑量單組分試驗基礎上繪制曲線，并以曲線上的相對較好數據為基礎進行與系列PAC復合投加的實驗。并以此類推進行不同懸浮物濃度和濁度的藥劑投加試驗。在上述試驗的完成后整理實驗數據生成相關曲線，并建立數學模型，編寫成軟件并應用到改造后的處理系統，做工業化運行試驗，將試運行效果與未改造前進行比較，得出結論。

(2)實驗操作流程

①將調節池水泵至原水箱，原水箱內設循環泵以免水樣靜置沉淀。②按照反應池、沉淀池容積計算所需要的流量，本實驗按照實際運行反應時間t1=2min，t2=4.8min，沉淀時間t3=2h計，進水流量V=20L/h。根據流量計算PAM和PAC系列加入劑量。③對試驗數據進行整理分析總結。④進行工業化運行試驗。

3.試驗結果分析

(1)水質情況分析

對原水進行多次取樣化驗，水溫保持在14～15℃，其參數統計結果如表2。

表2 原水水質參數

分析：①原水pH基本穩定在8.3～8.9之間，屬于弱堿性。電導率基本穩定在1000μS/cm，溶解性總固體（TDS）在830～1020之間，波動幅度較小。②原水懸浮物（SS）濃度和濁度波動幅度較大。③溶解性總故體（TDS）與電導率比例關系在1.0至1.2之間，均低于鹽度與電導率關系對照表中數據，說明該水含有部分無機非電離性礦物質，如滑石等。④關于懸浮物（SS）和濁度，SS在線測試與標準法測試存在較大的差別[5]，原因在于線監測采用光學法測試，懸浮物中含有大量煤粉容易吸光。此外觀察SS與濁度也沒有穩定或者大致規律。⑤綜上可初步說明，該股水中懸浮物構成大部分為以煤粉和少量有機質污泥為主，伴有一定含量的巖性物質。

(2)懸浮物SS和濁度與加藥量關系

對單組分藥劑PAM投加試驗數據進行整理并繪制成曲線如圖1的SS-PAM曲線圖和圖2的濁度-PAM曲線圖。圖中曲線擬合結果為多項式函數關系，復合y=ax2+bx+c函數關系。以SS=3000為例，復合函數y=4.2082x2-78.977x+459.57，對稱軸左側尤其擬合程度較高，其R=0.9896，于最低點（函數頂點）之后出現上升，有小幅反彈現象，原因可能為當藥劑過量后多余絮凝劑容易形成膠體[6]。濁度與藥劑量的曲線呈相同趨勢。所有曲線中，原水SS或者濁度最低和最高的曲線除外，其拐點基本出現在6×10-6左右。低濃度值曲線拐點提前，高濃度值曲線拐點后延。

圖1 SS-PAM曲線圖

圖2 濁度-PAM曲線圖

①單組分PAC藥劑投加與SS和濁度關系。單組分藥劑PAM投加試驗數據曲線如圖3的SS-PAM曲線圖和圖4的濁度-PAM曲線圖。曲線擬合結果為多項式函數關系，復合y=ax2+bx+c函數關系。以SS=3000為例，符合函數y=0.0054x2-2.7389x+416.87。SS-PAC和濁度-PAC曲線與SS-PAM和濁度-PAM曲線的趨勢基本相同。不同點在于，PAC混凝后殘余SS值和濁度值較高，從藥劑作用機理上也復合PAC在短時間內優先混凝較大顆粒性物質，而PAM則需要時間相對較長絮凝更廣粒徑的懸浮物。

圖3 SS-PAM曲線圖

圖4 濁度-PAM曲線圖

②雙組份藥劑復合投加SS和濁度關系

對雙組分藥劑復合投加試驗數據整理并繪制成曲線，以PAM劑量7.2×10-6為例，進行系列濃度的PAC投加試驗，所得數據繪制曲線如圖5的PAM-SS曲線圖和圖6的濁度-PAC。在該條件下，不同濃度的進水隨著PAC劑量的增加其SS和濁度下降有所不同，在較低濃度如SS＜350時下降幅度相對較小，原因由于其初始濃度較低加入藥劑后很快降低至趨于極限值；SS=350～3000mg/L區間內，SS和濁度指標隨藥劑增加大幅度下降，拐點出現于150×10-6附近，之后隨著劑量增加逐漸趨于平緩，達到極限值；當進水SS超過3000mg/L后，指標下降幅度稍有減小，曲線拐點基本保持不變。當進水指標過高時，隨藥劑量增加下降幅度減小，甚至曲線前半部分出現近似線性狀態，原因由于水中過高的懸浮物對藥劑消耗量隨之加大，之后又呈現曲線。

圖5 PAM-SS曲線圖

圖6 濁度-PAC曲線圖

③優化數據后曲線。對所有數據進行整理，以其中PAM=7.2×10-6PAC投加試驗數據為例，統計所有曲線的拐點處數據，對不同產水指標做曲線了解。伴隨著進水指標的升高，曲線的拐點處所需劑量有一定的增加，同時出水水質指標有小幅增加。

(3)試驗研究小結

通過實驗研究，該處高濃度懸浮物和濁度礦井水溫度和pH較為穩定，其懸浮物濃度SS和濁度指標波動較大。實驗結論如下：

①采取PAM和PAC復合投加的工藝比較適合，能實現有效的沉淀效果。②隨進水懸浮物SS和濁度的升高，藥劑消耗量增加，且其指標與劑量呈現多項式（二次函數）關系。③不同濃度的進水與藥劑量消耗關系曲線的拐點（最佳比例關系）不同，成對應升高關系。④隨著進水懸浮物SS和濁度的升高，藥劑消耗量隨之增加，最終出水SS和濁度指標呈現小幅升高。

(4)現場工業化運行試驗

將實驗數據進行整理統計后，建立數據模型并寫成自動化程序應用到改造后的處理系統。原有基礎設施不變，反應池進出水加裝在線懸浮物SS和濁度監測，監測到的數據分別反饋到中控處理部分，該信息經過數學模型計算換算后形成指令到變頻系統，實時根據水質參數調整加藥劑量。經過一個月時間運行觀察：系統運行穩定，出水滿足下游工藝要求。PAM和PAC藥劑消耗量相比之前分別下降了50%和25%。

4.結語

通過對五陽煤礦南豐井礦井水實驗研究，摸索出懸浮物SS和濁度與加藥量的關系：懸浮物SS和濁度與加藥量呈多項式（二次函數關系），伴隨其濃度的升高曲線拐點（最佳加藥劑量）后移。將所得到的比例關系建立數據模型，應用到自動化處理系統中，系統得以穩定運行，實現了加藥實時分質精細化沉淀處理，有效避免了藥劑資源的過量投加而導致的浪費現象，降低了系統運行對人員經驗的依賴性，降低了人員勞動強度，創造了一定的經濟效益，對于類似礦井水處理提供了一定的借鑒。