煤礦礦井水處理站改造方案分析及實(shí)踐

魏姍姍

（晉能控股裝備制造集團(tuán)，山西 晉城 048000）

0 引言

山西某礦位于沁水煤田東南部，本區(qū)域地下水可分為碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、碎屑巖裂隙水，松散巖類孔隙水僅在礦區(qū)溝谷和南北邊緣，且含水性極弱。對煤礦開采有直接影響者主要為煤系碎屑巖類，山西組、太原組砂巖和砂巖夾薄層灰?guī)r裂隙巖溶水，其次在局部地段為淺層孔隙水。地下水水質(zhì)主要超標(biāo)因子為總硬度、硫酸鹽。煤炭在開采過程中會產(chǎn)生大量的礦井涌水，而礦井水主要是由地下水和少量滲入的地表水組成。

1 礦井水處理工藝

該礦礦井水處理工藝為：井下提升水→分配水箱→平流沉淀池→水力旋流澄清池→過濾→復(fù)用，復(fù)用后多余的水進(jìn)行深度處理后外排。礦井開拓變化時（高嶺土含量增大、中央水倉清倉）礦井水原水水質(zhì)會惡化，此水質(zhì)靜置一周仍不能沉降，屬于難沉降的泥化廢水。根據(jù)礦井水原水水質(zhì)分析結(jié)果表明，在中央水倉清倉時的懸浮物質(zhì)量濃度可達(dá)到2 000～4 000 mg/L，總鋁質(zhì)量濃度為30 mg/L，總硅（以二氧化硅計(jì)）質(zhì)量濃度為470 mg/L，二氧化硅（以二氧化硅計(jì)）/硅質(zhì)量濃度為9.98 mg/L，折合高嶺土質(zhì)量濃度為150 mg/L。

2 水質(zhì)惡化原因分析

經(jīng)分析，在原水水質(zhì)惡化（高嶺土含量增大、中央水倉清倉）時，主要依靠水力旋流澄清凈水裝置進(jìn)行廢水的預(yù)沉淀處理，此裝置主要依靠水力旋流的方式進(jìn)行混合反應(yīng)，在原水水質(zhì)惡化時水力混合反應(yīng)就存在混合不充分、反應(yīng)不完全的問題，導(dǎo)致出水水質(zhì)和處理能力很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求；原水力旋流澄清凈水裝置的混合罐采用兩臺罐式混合器，分別向兩臺混合罐中投加PAC 和PAM，將混凝反應(yīng)后的水再由分配水箱分配至各個脈沖式旋流澄清凈水裝置中，未實(shí)現(xiàn)混合和絮凝過程分開，影響水處理效果。

3 試劑試驗(yàn)方案

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)在增加加藥量約為60%～100%的情況下，通過機(jī)械攪拌混合及反應(yīng)后出水水質(zhì)可滿足設(shè)計(jì)要求。為了節(jié)約運(yùn)行成本且提高運(yùn)行效率，試驗(yàn)利用一種復(fù)合藥劑對難沉降的泥化廢水有進(jìn)行處理。以礦井實(shí)際的PAC、PAM 加藥量及廠家提出的加藥量進(jìn)行對比，對結(jié)果進(jìn)行評價。

3.1 材料與方法

3.1.1 藥劑與儀器

試劑：聚合氯化鋁（PAC，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%）；復(fù)合藥劑；聚丙烯酰胺（PAM，陰離子型）；氫氧化鈉；鹽酸。

儀器：雷磁PHBJ－260 便攜式pH 計(jì)；OHAUS 電子天平；ZR4－6 混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)。

3.1.2 試驗(yàn)方法

原水的pH=8.94，懸浮物質(zhì)量濃度為2 288 mg/L。將原水水樣置于1 L 攪拌容器中，研究復(fù)合藥劑和PAC 對沉降效果的影響，試驗(yàn)中pH 采用氫氧化鈉和鹽酸調(diào)節(jié)。

試驗(yàn)方案：空白水樣①、水樣②中加普通藥劑PFC+PAM、水樣③中加PFC+復(fù)合藥劑+PAM，攪拌5 min，靜置觀察，記錄沉降時間；取原水樣、加藥靜置后的上清液分別測定懸浮物濃度；分別測定原水樣和上清液的氟化物濃度。

1）配置藥劑：取PFC 藥劑5 g 溶于100 mL 蒸餾水中，配置PFC 儲備液；取PAM藥劑1 g 溶于200 mL水中，配置PAM儲備液；取專用藥劑10 g 溶于100 mL水中，配置專用藥劑儲備液。

2）分別取原水樣500 mL 于3 個燒杯中。

3）在水樣②中加入PFC 儲備液8 mL，攪拌均勻，約2 min 后加PAM儲備液1.5 mL，攪拌均勻；同時在水樣③中加入PAC 儲備液3 mL，攪拌均勻約2 min后，加專用藥劑儲備液1.5 mL，攪拌同時測定pH 值，調(diào)整pH 在6～7 之間，隨后加PAM 儲備液0.5 mL，攪拌均勻。

4）將水樣②和水樣③同時倒入1 000 mL量筒中，同時計(jì)時觀察，記錄沉降時間并觀測上清液效果。

3.2 試驗(yàn)效果評價

1）沉降速度（計(jì)時）：水樣②停止沉降計(jì)時為1 min，水樣③停止沉降計(jì)時為50 s。結(jié)果表明，使用復(fù)合藥劑比普通藥劑沉降時間縮短，減少了水力停留時間，可處理更多水量。

2）水樣②的上清液懸浮物質(zhì)量濃度為13 mg/L，水樣③的上清液懸浮物質(zhì)量濃度為8 mg/L。結(jié)果表明，使用復(fù)合藥劑可以取得比普通藥劑更清澈的出水；使用普通藥劑的懸浮物去除效率為99.4%，使用專用藥劑的懸浮物去除效率為99.7%，二者相差不大。

原水樣氟化物指標(biāo)為2.6 mg/L，水樣②上清液測定氟化物質(zhì)量濃度為1.3 mg/L，水樣③上清液氟化物質(zhì)量濃度為1.0 mg/L。結(jié)果表明，使用普通藥劑氟化物去除率約為50%，使用專用藥劑氟化物去除率約為60%；使用復(fù)合藥劑后氟化物去除率比普通藥劑提高10%。

3.3 試驗(yàn)成本評價

該礦目前處理水量6 000 m3/d，水樣②的加藥量模擬該礦特殊水質(zhì)時期的實(shí)際運(yùn)行加藥量。根據(jù)其實(shí)際購買的普通藥劑價格及第三方提供的復(fù)合藥劑市場價計(jì)算得出，使用普通藥劑成本共為9 480 元/d；使用復(fù)合藥劑后的成本共為10 170 元/d。

結(jié)果表明，加入復(fù)合藥劑比普通藥劑的成本費(fèi)用高出690 元/d。

3.4 總體評價

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出，從藥劑成本上來看，增加了礦方的運(yùn)行成本；但從沉降時間、沉降速度、懸浮物去除情況來看，復(fù)合藥劑的使用效果比PAC 的效果要好。實(shí)際運(yùn)行中使用普通藥劑的效果與實(shí)驗(yàn)室效果有一定差距，由此可見實(shí)驗(yàn)分析不具有代表性，仍然需要進(jìn)行現(xiàn)場測驗(yàn)，測定實(shí)際運(yùn)行效果。另一方面，該方案試驗(yàn)過程中反應(yīng)的問題表明，水力混合的缺陷是造成水質(zhì)惡化的根本原因。

4 處理工藝改進(jìn)方案

4.1 工藝改進(jìn)思路分析

處理工藝改進(jìn)主要是圍繞改進(jìn)原水力旋流澄清凈水裝置水力混合反應(yīng)的不足，通過機(jī)械攪拌提升PAC、PAM與原水的混合效率，提高混凝效果，解決由于原水水質(zhì)惡化（高嶺土含量增大、中央水倉清倉），導(dǎo)致出水水質(zhì)和處理能力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的問題，保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。經(jīng)過分析，脈沖式旋流澄清凈水裝置的特點(diǎn)如下：適用于中小型處理水量，進(jìn)水SS 質(zhì)量濃度5 000 mg/L 左右，具有水處理適應(yīng)性強(qiáng)、混合效果好、處理效果穩(wěn)定、效率高、排泥方便等優(yōu)勢，能適合本次改造的需求。改造思路如下：

1）原水力旋流澄清凈水裝置的混合罐采用兩臺罐式混合器，分別向兩臺混合罐中投加PAC 和PAM，且采用水力混合的方式對藥劑進(jìn)行混合，由于藥劑與水接觸時間短，混合不充分，形成大的絮體時間較長，導(dǎo)致處理負(fù)荷較低?，F(xiàn)采用專用的機(jī)械混合配水槽，使PAC 與礦井水在機(jī)械攪拌的作用下充分混合，且混合效果更好，在配水槽末端投加PAM，使絮凝反應(yīng)在脈沖式旋流澄清凈水裝置內(nèi)部發(fā)生，采用變頻攪拌機(jī)輔助絮凝，將混合與絮凝過程分開，實(shí)現(xiàn)了快速混合慢速絮凝的工藝要求，混凝效果更好，有效的提高了在原水水質(zhì)惡化時，脈沖式旋流澄清凈水裝置的處理負(fù)荷及處理效果。

2）原水力旋流澄清凈水裝置采用壓力進(jìn)水，澄清池進(jìn)水流速快，澄清池內(nèi)水力波動較大，絮凝形成的礬花容易被打破。而脈沖式旋流澄清凈水裝置的重力配水使進(jìn)水流速變慢，澄清池內(nèi)水力波動更小，更有利于絮體的聚集與沉降，避免了大的礬花被打破，有效提高了脈沖式旋流澄清凈水裝置的處理負(fù)荷。

脈沖旋流澄清裝置已有應(yīng)用實(shí)例[1-2]，并且已取得很好的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境效益。本次改造使用的裝置是升級后的新脈沖旋流澄清裝置，其具有較大的泥斗，排出的污泥含水率低，排泥量少，可以提高后續(xù)污泥脫水單元的運(yùn)行效率。

4.2 工藝改進(jìn)效果

考慮藥劑的成本問題，本次改造只針對澄清單元進(jìn)行了設(shè)備改造，藥劑仍用原有藥劑。水質(zhì)檢測結(jié)果見表1，從表中可以看出取得了預(yù)期的效果。

表1 該礦水質(zhì)監(jiān)測報(bào)告

5 結(jié)論

山西該礦井水原水水質(zhì)會惡化，采取了復(fù)合藥劑改造方式和脈沖式旋流澄清工藝改造方式，經(jīng)過分析和對比表明，復(fù)合藥劑改造方式的應(yīng)用成本較高，而脈沖式旋流澄清工藝改造方式的應(yīng)用成本較低，并且實(shí)現(xiàn)混合和絮凝過程的有效分開，取得了良好的效果。