淺層氣浮處理礦井水工程實踐

＊王瑾 王世奕 梁楨 李福勤,2,3*

（1.河北工程大學 能源與環境工程學院 河北 056038 2.河北省水污染控制與水生態修復技術創新中心 河北 056038 3.污水處理及資源化利用河北省工程研究中心 河北 056038）

煤炭作為重要原料和主體能源，發揮著穩定經濟健康的資源保障功能[1]。采煤過程中，因采煤層及開拓巷道附近的地下水和部分地表水通過巖層裂隙滲入巷道產生大量礦井水[2]。由于受井下開采和人工干預的影響，而成為具有煤炭行業特色的礦井水[3]。礦井水主要特征為含懸浮物較高，部分礦井水礦化度較高，某些礦井水中含有油類物質，該物質主要來源于采煤過程中挖掘機械的液壓系統、機器、機械的潤滑劑和冷卻系統[4]。油類物質隨著礦井水經水泵提升至地面，礦井水中油類物質大部分以乳化狀態存在，增加了礦井水的處理難度。目前對于含油污水的處理研究較為廣泛，麻博等人[5]在混凝過程中采用無機-有機復合絮凝劑，處理效果良好，最終達到去除濁度和油類物質的目的。當混凝劑（PAC）和助凝劑（PAM）的最佳配比為100:1時，含油礦井水的去除效果最好，去除率可達到80%[6]。

河北某礦礦井水排放量為24000m3/d，礦井水中懸浮物含量較高，并且含有一定的礦物質油，主體采用氣浮工藝。礦井水處理站于2019年8月建立，但是自投產以來，運行效果不穩定，出水水質較差，藥劑費用較高，為解決上述問題，進行現場調研和混凝實驗，提出改進措施，并應用于工程實踐。

1.礦井水處理工藝現狀

(1)礦井水水質

礦井水表觀渾濁，呈灰黑色，含有大量懸浮物，有些懸浮物夾雜少量油類物質浮于水面，且水質變化較大。處理后的礦井水主要用于廠區內道路清掃綠化和附近農田灌溉用水，因此礦井水出水水質需滿足《城市污水再生利用城市雜用水水質》（GBT 18920—2020）和《城市污水再生利用農田灌溉用水水質》（GB 20922—2007）標準，剩余礦井水將排放至附近水體，執行河北省地方標準《子牙河流域水污染物排放標準》DB 13/2796—2018。

多次現場取樣，檢測的礦井水原水水質范圍見表1。由表1可以看出礦井水水質波動較大，主要是濁度和SS超標，石油類時有超標。

表1 礦井水原水水質

(2)原有工藝流程

針對礦井水中漂浮物較多和含有油類物質，初期設計工藝流程為“調節預沉池+混凝氣浮池+纖維轉盤過濾”，其中氣浮采用淺層氣浮池，工藝流程如圖1所示。

圖1 原有礦井水處理工藝流程

礦井水由井下提升至地面，進入預沉池，池內設有刮泥機，將泥刮至預沉池前端的泥斗內用泵排出，預沉后礦井水由提升泵提升進入淺層氣浮池，泵前投加PAM、PAC和表面活性劑，正常投加量為100mg/L的PAC、3mg/L的PAM和1.6mg/L的表面活性劑。氣浮出水經過纖維轉盤過濾后回用，或由巴氏計量槽排出。

(3)主要構筑物及設備

設計處理水量24000m3/d。

預沉池1座，規格尺寸：12m×37m×6m，有效容積2000m3，池內安裝行車式刮泥機1臺，池前端設4m×4m×6m混合池，內設混合攪拌機（未投入使用），混合池與預沉池間設有穿孔配水墻；淺層氣浮池1座，相關設備參數見表2，氣浮系統配置溶氣泵2臺，一用一備，最大流量為480m3/h，75kW，氣浮池最大處理能力為1700m3/h；纖維轉盤1座，轉盤直徑1.8m，共16個盤片。

表2 WQF型淺層氣浮設備參數

(4)運行效果及存在問題

原工藝運行各工序出水水質結果見表3。由表3可知，原工藝對懸浮物去除效果較差，出水SS大多在10mg/L以上，主要是淺層氣浮池運行不穩定導致。

表3 原工藝各工序出水水質

現場調研礦井水處理運行存在以下問題：①預沉池污泥淤積嚴重，淤積污泥約2m深，導致刮泥機無法正常使用，惡性循環，調節時間縮短，沒有起到預沉作用。②礦井水水質變化較大，氣浮池處理效果不穩定，表面活性劑的投加量跟不上懸浮物含量的變化，煤粉比重大于1，浮渣穩定性較差，總體出水水質較差。③氣浮池出水懸浮物含量較高，纖維轉盤基本無過濾效果。

2.改進措施及效果

(1)改進措施

針對上述問題，結合其他礦井水處理工程，提出改進措施為：①清理預沉池內淤泥，恢復刮泥機正常工作狀態。②檢修預沉池前混合攪拌機正常工作，加設預沉池前加藥泵及管路并投入使用，試驗確定一次和二次混凝最佳投藥量。③氣浮池前（二次）投加PAC和PAM，并確保表面活性劑正常投加，提高氣浮池處理效果。④拆除纖維轉盤過濾器。⑤氣浮后增加二次沉池，提高出水水質。

(2)改進后工藝流程

改造后礦井水處理工藝流程為“調節（一次混凝）預沉池+（二次混凝）氣浮池+二次沉淀池”，如圖2所示。其中利用廠區空地新建二次沉淀池尺寸為14m×60m×1.8m，有效容積1500m3。

圖2 改進后礦井水處理工藝流程

(3)混凝沉淀試驗

試驗所用聚合氯化鋁（PAC）和陽離子聚丙烯酰胺（PAM）均為工業級產品，ZR4-6型混凝試驗攪拌機（深圳市中潤），濁度測定采用HACH TL2300臺式濁度儀。

試驗方法：取12份1L的礦井水原水（濁度349NTU），分為兩組進行混凝實驗，一次加藥，快速攪拌1min，轉速120r/min，慢速攪拌10min，轉速60r/min，靜置沉淀10min，取上清液測其濁度。混凝劑PAC投加量對混凝效果的影響，如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著投藥量的增加，濁度呈先降低后升高的趨勢，去除率呈先增加后降低的趨勢，當混凝劑PAC投加量為100mg/L時，濁度去除效果最好，此時濁度為16.42NTU。

固定PAC投加量為100mg/L，取實驗室陽離子型PAM進行混凝沉淀實驗，PAM投加量對混凝效果的影響，如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著PAM投加量的增加，濁度呈先降低后增加的趨勢，去除率呈現先增加后減少的趨勢。當投加量為0.5mg/L時，濁度去除率達到最大，此時濁度為7.26NTU。

混凝劑投藥量較高，為減少投藥量，降低運行成本，采用二重混凝技術優化混凝劑投加量[7]。減少PAC投加量至60mg/L，PAM投加量為0.5mg/L，具體投藥情況和二重混凝沉淀結果見表4。

表4 二重混凝試驗投藥量情況和混凝沉淀結果

由表4可以看出，隨著一次混凝過程中PAC投加量的不斷增加，其上清液濁度持續下降，當一次混凝PAC投加量為50mg/L，二次混凝PAC投加量10mg/L，PAM投加量0.5mg/L時，濁度最低為1.14NTU。在一次混凝時，PAC水解后的產物能通過壓縮雙電子層和電性中和的作用使膠體脫穩而聚集，若同時投加一定量的PAM雖能促進混凝效果，但在二次混凝過程中形成的絮凝體會因攪拌強度較大而破碎[8]。因此只在二次混凝中投加PAM，使其混凝效果達到更好。

(4)運行效果

礦井水處理工藝改進后，采用二重混凝試驗結果投加混凝劑，表面活性劑投加量1.5mg/L，在運行中加強預沉池的刮泥機、氣浮池前加藥設備的管理，系統運行穩定，各工序出水水質見表5。

表5 改進后各工序出水水質

對比表3和表5可知，改進后氣浮池出水水質明顯提高，二次沉淀池起到了良好的穩定水質作用，出水達到了礦井水回用和排放相關標準。

3.結語

（1）河北某礦礦井水排放量為24000m3/d，原礦井水處理工藝流程為“調節預沉池+混凝氣浮池+纖維轉盤過濾”，存在運行效果差、出水水質不穩定等問題。（2）提出清理堆積的淤泥，恢復刮泥機，改進處理工藝流程為“調節（一次混凝）預沉池+（二次混凝）氣浮池+二次沉淀池”。（3）二重混凝沉淀實驗，優化混凝劑、助凝劑最佳投藥量為“一次混凝PAC投加量50mg/L，二次混凝PAC投加量10mg/L，PAM投加量0.5mg/L，出水濁度1.14NTU”。（4）改造后氣浮池出水水質明顯提高，藥劑費減少30%以上，二次沉淀池起到了良好的穩定水質作用，出水水質符合礦區回用和排放相關標準。