陳艷慧,龐亨瑞

(山西省輕工建設(shè)有限責(zé)任公司,山西 長治 032300)

采煤生產(chǎn)中,會(huì)產(chǎn)生大量的礦井水,其中含有煤粉、巖粉、油污等污染物,如果不加處理直接外排,不僅會(huì)對周邊環(huán)境造成極大破壞,同時(shí)也造成水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

我國每年礦井水排放量早已超過40億m3,礦井水的大量外排會(huì)造成當(dāng)?shù)氐叵滤暗乇硭谎杆傧陆?導(dǎo)致地表沉降、農(nóng)耕退化、塌陷開裂等地質(zhì)災(zāi)害,破壞生態(tài)平衡環(huán)境;另一方面,人們對于環(huán)境質(zhì)量要求越來越高,對于水質(zhì)的要求也越來越嚴(yán)格,針對排放水的酸堿度pH值、生化需氧量BOD5、化學(xué)需氧量COD、懸浮物SS等指標(biāo)進(jìn)行了嚴(yán)格的限制。面對我國大部分煤礦開采地區(qū)缺水嚴(yán)重的現(xiàn)象,因地制宜對煤礦礦井水和生活污水合理資源化利用已成為煤礦企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇,符合我國綠色發(fā)展的要求和政策,能夠促進(jìn)我國煤炭產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此國內(nèi)外的學(xué)者對礦井水的處理利用進(jìn)行了大量研究,以求實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展,達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)環(huán)境、社會(huì)效益的統(tǒng)一。我國幅員遼闊,各地地質(zhì)條件迥異,也造就了不同的礦井水問題與解決辦法。因此，針對高河礦區(qū)高懸浮物、高礦化度礦井水選擇設(shè)計(jì)處理工藝,就顯得十分必要,整個(gè)過程值得同業(yè)參考。

1 礦井水處理國內(nèi)外研究進(jìn)展及現(xiàn)狀

1.1 國外相關(guān)研究情況

前蘇聯(lián)和美國最早開展煤礦礦井水利用技術(shù)研究。在20世紀(jì)40年代,美國和蘇聯(lián)的礦井水利用技術(shù)已成型,到了80年代,礦井水的利用率已經(jīng)達(dá)到了80%,甚至某些地區(qū)達(dá)到了90%[1]。相比較于早期對礦井水進(jìn)行簡單處理使之達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)直接排入自然水流,后期的處理工藝更為先進(jìn),主要為以下幾個(gè)方面:

1)對于高懸浮物的礦井水,開發(fā)出了滲透膜滲透處理工藝。

2)對于高礦化度礦井水,采用電滲析、反滲透、離子交換等處理方法。

3)對于高酸性礦井水,多采用生物硫酸鹽還原工藝,利用表面活性劑選擇性培養(yǎng)硫桿菌來還原、除去水中的鐵、鎳、錳、銅等金屬元素,中和酸性礦井水,達(dá)到利用指標(biāo)要求,以作生活用水及工業(yè)用水；另一種是采用改性濾料來去除鐵錳處理礦井水的工藝。

1.2 國內(nèi)相關(guān)進(jìn)展

我國針對礦井水有意識的利用開發(fā)起步較晚,起于20世紀(jì)60年代。由于我國大部分地區(qū)對礦井水的利用意識薄弱,導(dǎo)致礦井水利用率長期低下,不到30%,綜合利用技術(shù)開發(fā)研究進(jìn)程緩慢,我國大多數(shù)煤礦在缺水條件下生產(chǎn)運(yùn)營,這個(gè)矛盾急需解決。隨著國家一系列政策的出臺(tái)與實(shí)施,我國對于礦井水的資源化利用才越來越重視。在國外研究的基礎(chǔ)之上,我國目前的研究集中在以下幾個(gè)方面:

1)對于高懸浮物礦井水處理技術(shù),從處理所用藥劑及制度、工藝等方面進(jìn)行了研究。楊靜、李福勤、高亮等學(xué)者[2-4]對混凝藥劑選擇、用量、添加時(shí)間等藥劑制度細(xì)則進(jìn)行了探究,以期達(dá)到最優(yōu)條件。武強(qiáng)、聶錦旭等學(xué)者[5-6]對微濾膜或者納濾膜分離技術(shù)在礦井水處理中的運(yùn)用進(jìn)行了深入研究。李培云、羅延歆[7-8]等學(xué)者在礦井水超磁分離凈化技術(shù)上做了大量工作。

2)對于高礦化度礦井水處理,由于電滲析成本大,目前處于淘汰狀態(tài),主要采用反滲透法。反滲透處理工藝中容易出現(xiàn)膜污染和膜結(jié)垢現(xiàn)象,影響工作效率及系統(tǒng)壽命,對于膜污染的防治及預(yù)處理是以何緒文先生為代表的很多學(xué)者[9]的研究方向。

3)對于高酸性礦井水,不同于之前使用石灰中和,利用輕燒鎂粉來中和酸性礦井水,不易造成二次污染,操作環(huán)節(jié)易控且成本較低,效果較好。

2 高河礦礦井水井下處理工藝設(shè)計(jì)

2.1 礦井水原水特征及用水要求

1)礦井下正常排水量為6 000 m3/d左右,最大排水量為18 000 m3/d。對原礦井水水質(zhì)分析結(jié)果如表1所示。

表1 高河礦原礦井水水質(zhì)分析Table 1 Quality analysis of mine water in Gaohe Mine

結(jié)合表1結(jié)果及測試樣品,可知礦井水渾濁、色度明顯、硬度大,還含有一定的石油成分,屬極硬水范疇。

2)目前井下消防、洗煤廠、地面用水、電廠需水量共約4 500 m3/d,約1 500 m3/d達(dá)標(biāo)排放。考慮一定的余量,本次提質(zhì)處理外排水量按3 000 m3/d考慮,排水水質(zhì)須穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 工藝比較與設(shè)計(jì)

工藝流程的確定對礦井井下排水處理站的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能有決定性的因素，考慮地面處理和井下處理兩種方案，井下處理方案相較于傳統(tǒng)地面處理，安裝成本較大但能最大程度降低水質(zhì)對提升管道的磨損影響，降低后續(xù)處理成本，經(jīng)濟(jì)效益較好，因此采用井下處理工藝。鑒于該項(xiàng)目原水水質(zhì)狀況、出水要求、占地面積以及低運(yùn)行消耗的有關(guān)要求，綜合考慮采納高強(qiáng)度、高效率的新型水處理工藝技術(shù)“礦井水渦旋混凝低脈動(dòng)處理技術(shù)”及“高密度迷宮斜板處理礦井水技術(shù)”，以保證高效率除濁與高質(zhì)量供水要求。

主要工藝處理環(huán)節(jié)采用高效絮凝、高密度迷宮斜板沉淀池為主導(dǎo)工藝,以聚合氯化鋁(PAC)溶液為混凝藥劑,使用自動(dòng)加藥系統(tǒng),自動(dòng)排泥系統(tǒng)。工藝流程見圖1。

圖1 井下礦井水水處理系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 The process flow chart of mine water treatment system

3 關(guān)鍵技術(shù)及原理

根據(jù)礦井水原水水質(zhì)和處理后的水質(zhì)要求,處理的重點(diǎn)是水中的懸浮物SS、COD、乳化油等。采用高效反應(yīng)沉淀和乳化油破乳上浮隔離、過濾后再經(jīng)次氯酸鈉發(fā)生器消毒的工藝。水流通過高密度斜板孔眼網(wǎng)格時(shí),在格板兩側(cè)出水處分別產(chǎn)生眾多小渦旋,這些小渦旋在相互碰撞之后會(huì)形成更小更多的微渦旋群,渦旋的數(shù)目急劇增加,在渦旋的離心力作用下,大大增加了介質(zhì)的傳質(zhì)速率,增加了水流中各組分的混合,有利于藥劑的高效作用。

3.1 高效除油

高密度迷宮斜板沉淀技術(shù)是淺池技術(shù)的發(fā)展,增加了沉淀池中斜板的密度及上升流速,提高了沉淀效率和排泥負(fù)荷,使處理污水的能力進(jìn)一步提高。水流經(jīng)過斜板之后產(chǎn)生的微渦流與投加的聚合氯化鋁絮凝劑的作用下,乳化狀態(tài)破壞之后的油污會(huì)實(shí)現(xiàn)高效油水分離。

3.2 高效絮凝

絮凝是礦井水處理的最重要的工藝環(huán)節(jié),其效果決定了濾池出水水質(zhì)。傳統(tǒng)絮凝工藝,出水時(shí)尚有很多絮凝不完善的小顆粒,絮凝完善度低。高密度斜板孔眼網(wǎng)格使得水流通過時(shí),速度激烈變化,水中各物質(zhì)顆粒在慣性效應(yīng)的作用下充分碰撞,碰撞的幾率大大提高;水流通過孔眼網(wǎng)格之后形成的微渦旋群,渦旋的離心慣性效應(yīng)增加,有效地增加了顆粒碰撞次數(shù);同時(shí)在微渦旋群的作用下,混凝劑水解產(chǎn)生的高分子彼此搭橋連接成為礬花,迅速產(chǎn)生強(qiáng)烈的變形,使礬花中處于吸附能級低的部分,由于其變形揉動(dòng)作用達(dá)到高吸能級的部位,這樣就使得通過網(wǎng)格之后礬花變得更密實(shí)。因此高密度斜板孔眼使得整個(gè)絮凝過程在水流速度無須提高的同時(shí),各物質(zhì)顆粒碰撞概率增加,同時(shí)保證了礬花的長大,保證了絮凝的效果,提高了絮凝完善度。

3.3 高效沉淀

斜管沉淀池是一種傳統(tǒng)沉淀工藝形式,基于淺池理論設(shè)計(jì),上升流速一般為1.5 mm/s～1.8 mm/s,其主要問題在于處理效率低,沉泥面積大于排泥面積,在夏季礦井水高濁期容易出現(xiàn)阻塞等。高密度迷宮板沉淀池由于間距小,礬花可快速沉淀分離。使沉淀池清水區(qū)上升流速可達(dá)到3.0 mm/s～3.5 mm/s,沉淀后出水濁度≤3 NTU,最大限度提高效率,提高出水量。

4 運(yùn)行實(shí)踐

高河礦礦井水處理系統(tǒng)建成之后,實(shí)際處理量達(dá)到6 000 m3/d,出水水質(zhì)如表2所示。對照表2數(shù)據(jù),可知出水各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB20426-2006)和《礦井井下消防、灑水設(shè)計(jì)規(guī)范》(MT/T5023—2003)的排放標(biāo)準(zhǔn),處理后的水一部分作為井下消防灑水、地面灑水防塵及選煤廠洗煤用水等,另一部分進(jìn)行深度處理,經(jīng)無閥過濾器處理再經(jīng)消毒后,可用做工業(yè)場地生產(chǎn)、生活用水。

表2 高河礦出水水質(zhì)分析Table 2 Effluent quality analysis in Gaohe Mine

5 結(jié)束語

高河礦礦井水井下處理站的設(shè)計(jì)應(yīng)用,考慮到了高河煤礦的煤礦基建、水質(zhì)情況,項(xiàng)目效果好,實(shí)現(xiàn)了沉淀效率高、節(jié)省基建投資、占地面積小、運(yùn)行費(fèi)用少的目標(biāo),可以為同類工程提供借鑒。