含懸浮物礦井水處理技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

張 超，王宏義，李紅偉，王立國(guó)

(山東環(huán)能環(huán)?？萍加邢薰?，山東 泰安 271000)

1 背 景

煤礦礦井水[1-4]是伴隨煤炭開(kāi)采過(guò)程產(chǎn)生的地下涌水。為確保煤炭安全開(kāi)采，須排出大量礦井涌水。按照污染物特征，目前我國(guó)將礦井水分為潔凈礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水和特殊污染型礦井水5類(lèi)[5-7]。我國(guó)礦井水大多屬于含懸浮物礦井水，而其他類(lèi)型礦井水也都含有一定數(shù)量的懸浮物。含懸浮物礦井水水質(zhì)特點(diǎn)為：水質(zhì)呈中性，外觀多為灰黑色，懸浮物含量高[7-10]。

礦井水中懸浮物主要由煤粉和巖粉組成。據(jù)統(tǒng)計(jì)[11-14]：① 懸浮物含量低于300 mg /L的礦井水占我國(guó)礦井水總量的80%，而懸浮物含量高于500 mg /L的礦井水不到12%；② 由于采煤方式不斷進(jìn)步，采煤工作面產(chǎn)生的礦井水懸浮物粒徑越來(lái)越小，平均密度為1.2～1.3 g /cm3，其中排至地面的礦井水中懸浮物粒徑不大于50 μm的占88%，粒徑不大于5 μm的占50%以上，而粒徑大于80 μm的不超過(guò)5%；懸浮物自然沉降時(shí)間長(zhǎng)，沉降效果差；③ 由于煤粒表面的—COOH易失去H及煤粒易吸附水中油性物質(zhì)，導(dǎo)致礦井水中懸浮物具有膠體微粒的性質(zhì)，難以自由沉降。目前的礦井水懸浮物脫除工藝[14-18]主要有斜板(斜管)沉淀工藝、高效旋流工藝及磁分離工藝。

2 傳統(tǒng)脫除礦井水懸浮物工藝

2.1 斜板(斜管)沉淀工藝

斜板(斜管)沉淀工藝發(fā)展較早，工作原理為：在沉降區(qū)設(shè)置許多密集的斜管或斜板，使水中懸浮雜質(zhì)在斜板或斜管中依靠重力沉淀，水沿斜板或斜管上升流動(dòng)，分離出的泥渣在重力作用下沿著斜板(管)向下滑至池底，再集中排出。見(jiàn)圖1。

圖1 斜板沉淀工藝脫除礦井水懸浮物工藝流程

斜板(斜管)沉淀工藝在運(yùn)行中存在以下主要問(wèn)題：

(1)工藝雖簡(jiǎn)單，但設(shè)備占地面積大，同時(shí)污泥的沉降過(guò)程主要靠自身重力，導(dǎo)致停留時(shí)間長(zhǎng)，處理效率低；

(2)斜管沉淀池排泥含水率高(98%左右)，煤泥無(wú)法直接送入煤泥脫水機(jī)，需適當(dāng)脫水后才可，導(dǎo)致后續(xù)人力、相關(guān)設(shè)備成本大幅增加。

2.2 高效旋流工藝

高效旋流工藝出現(xiàn)于2000年左右，工作原理為含懸浮物的礦井水在壓力作用下沿漸開(kāi)線方向進(jìn)入旋流器高速旋轉(zhuǎn)，在離心力場(chǎng)的作用下，細(xì)而小的礦物顆粒由于所受離心力小，在旋流器的軸線中心富集，并隨內(nèi)旋流向上運(yùn)動(dòng)，從上部溢流管得到粒度細(xì)的溢流產(chǎn)物。粒度較大的礦物顆粒由于所受的離心力較大，被甩向旋流器的內(nèi)壁，在重力的作用下，隨外旋流向下運(yùn)動(dòng)，在下部的沉砂口得到粒度粗而密度大的沉砂產(chǎn)物。其工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 高效旋流脫除礦井水懸浮物工藝流程

高效旋流工藝在運(yùn)行中存在以下主要問(wèn)題：

(1)高效旋流工藝由于重力分離需要一定的沉降距離，因此設(shè)備必須保持相當(dāng)?shù)母叨龋欢倚麟x心無(wú)法高效分離微小絮體，目前尚無(wú)運(yùn)行良好的工程案例，因此有待于繼續(xù)研究；

(2)高效旋流器設(shè)計(jì)為一塔化，采用碳鋼作為塔體和內(nèi)部結(jié)構(gòu)用材料，在高效旋流流體及SS的沖擊下對(duì)塔體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的材料磨損和腐蝕是相當(dāng)嚴(yán)重的；

(3)高效旋流需設(shè)反沖洗工序，反沖洗產(chǎn)生的反沖洗污水回灌，使裝置達(dá)不到處理水量的設(shè)計(jì)要求；

(4)高效旋流裝置排泥含水率高(98%～99%)，且采用間歇排泥，由于煤泥含水率高，無(wú)法直接送入煤泥脫水機(jī)進(jìn)行脫水，需建一座容積相當(dāng)大的污泥儲(chǔ)池，再提升進(jìn)入污泥濃縮池進(jìn)行重力濃縮，還要進(jìn)行二次加藥沉淀，導(dǎo)致人力、電費(fèi)、藥劑費(fèi)用大幅增加，加大了運(yùn)行成本；

(5)目前高效旋流單臺(tái)最大處理能力只有200 m3/h，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)有大部分煤礦對(duì)礦井水的處理要求，高效旋流裝置的增加導(dǎo)致所占場(chǎng)地面積大，后續(xù)輪檢和維修工作量大等問(wèn)題。

3 磁分離工藝

3.1 工作原理及流程

磁分離工藝處理礦井水懸浮物的原理是，通過(guò)投加磁種介質(zhì)與微磁絮凝藥劑，使水體中的懸浮物和磁種凝聚在一起，形成具有磁性的“礬花”之后，依靠永磁材料所產(chǎn)生的高強(qiáng)磁場(chǎng)，在強(qiáng)磁場(chǎng)力的作用下對(duì)賦磁性絮團(tuán)進(jìn)行快速分離。磁力是重力的640倍，因此磁分離水處理技術(shù)分離速度快，大大縮短了水力停留時(shí)間及設(shè)備占地面積。該工藝工作流程見(jiàn)圖3。

圖3 磁分離脫除礦井水懸浮物工藝流程

如圖3所示，煤礦井水經(jīng)水砂分離器對(duì)礦井水進(jìn)行初步分離，除去水中大顆粒物質(zhì)，出水進(jìn)入混凝反應(yīng)設(shè)備，在設(shè)備內(nèi)投加磁種和混凝劑(PAC)、助凝劑(PAM)，使懸浮物在較短時(shí)間內(nèi)形成以磁種為載體的“微磁性絮團(tuán)”，產(chǎn)生的絮團(tuán)進(jìn)入磁分離磁鼓，實(shí)現(xiàn)磁種和污泥的分離并對(duì)磁種進(jìn)行回收，回收的磁種由磁種投加泵輸送至混凝設(shè)備循環(huán)使用，脫磁后污泥自流進(jìn)入污泥池；從磁分離主機(jī)出來(lái)的礦井水再經(jīng)精密過(guò)濾器進(jìn)行固液分離凈化，使出水水質(zhì)達(dá)到要求后自流進(jìn)入清水池，同時(shí)精密過(guò)濾器過(guò)濾污泥自流進(jìn)入污泥池，污泥池內(nèi)污泥由污泥泵輸送至板框壓濾機(jī)，污泥經(jīng)壓濾機(jī)脫水后，泥餅轉(zhuǎn)載外運(yùn)。

3.2 磁分離工藝優(yōu)勢(shì)分析

以處理量48 000 m3/d的煤礦礦井水懸浮物處理項(xiàng)目為例，對(duì)斜板(斜管)沉淀工藝、高效旋流工藝及磁分離工藝3種懸浮物脫除工藝在占地面積、水力停留時(shí)間、運(yùn)行成本、藥劑投加量等方面進(jìn)行分析。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3種礦井水懸浮物脫除工藝對(duì)比

根據(jù)表1可發(fā)現(xiàn)，相比斜板(斜管)沉淀工藝和高效旋流工藝，磁分離水處理技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)如下：

(1)技術(shù)穩(wěn)定成熟。核心設(shè)備采用稀土釹鐵硼永磁鋼，磁場(chǎng)強(qiáng)度穩(wěn)定，技術(shù)穩(wěn)定成熟。

(2)處理時(shí)間短。節(jié)省了傳統(tǒng)工藝的重力沉降水力停留時(shí)間。磁吸附實(shí)現(xiàn)泥/水分離過(guò)程僅需3～5 s。進(jìn)出水全過(guò)程僅需要3～5 min。

(3)設(shè)備占地面積小，處理量大。由于磁分離工藝實(shí)現(xiàn)了一體化、連續(xù)處理功能，單位時(shí)間的處理效率高，處理量大，占地僅為傳統(tǒng)工藝的30%左右。

(4)運(yùn)行成本低。磁分離依靠強(qiáng)磁力進(jìn)行吸附分離，不需要形成大的絮團(tuán)，可節(jié)約藥劑使用量(僅為常規(guī)水處理加藥量的1/3～1/2)；裝機(jī)功率低，能耗低，節(jié)約了電費(fèi)；運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，節(jié)約了人工費(fèi)。

(5)出渣污泥濃度高，可不經(jīng)過(guò)濃縮過(guò)程直接進(jìn)入脫水設(shè)備。經(jīng)壓濾脫水后，污泥含水率小于30%，便于與礦井運(yùn)輸系統(tǒng)銜接外運(yùn)。避免了傳統(tǒng)工藝污泥處理“拖泥帶水”現(xiàn)象。

(6)自動(dòng)化程度高。整套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程控制，與數(shù)字化礦井建設(shè)相匹配。

3.3 磁分離工藝經(jīng)濟(jì)效益分析

以處理量48 000 m3/d，進(jìn)水ρ(SS)=3 200 mg/L，出水ρ(SS)<30 mg/L，年運(yùn)行時(shí)間為365 d的煤礦井水處理項(xiàng)目為例，對(duì)比傳統(tǒng)工藝，對(duì)磁分離工藝進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。

3.3.1 設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用

磁分離水處理系統(tǒng)的運(yùn)行成本為0.358元/ m3，以處理量48 000 m3/d，年運(yùn)行時(shí)間為365 d計(jì)算，1 a設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用為：48 000 m3/d×365 d×0.358元/m3=627.2萬(wàn)元。

3.3.2 節(jié)省運(yùn)行成本費(fèi)

相比傳統(tǒng)工藝(高效旋流工藝)的運(yùn)行成本為0.85元/m3，磁分離水處理系統(tǒng)的運(yùn)行成本為0.358元/m3，運(yùn)行成本可節(jié)約費(fèi)用0.492元/m3。則1 a可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用：48 000 m3/d×365 d×0.492元/m3=861.9萬(wàn)元。

3.3.3 煤泥經(jīng)濟(jì)價(jià)值

經(jīng)磁分離工藝處理后，煤泥可直接脫水處理后成為塊狀泥餅，含水率低于30%。按48 000 m3/d、進(jìn)水ρ(SS)=3 200 mg/L、出水ρ(SS)<30 mg/L計(jì)算，每年可回收含水30%左右的煤泥(3 200-30)mg/L×10-9t/mg×1000L/m3×48000m3/d×365d=55538.4t ；煤泥熱值按照15.74 MJ/kg計(jì)算，標(biāo)煤系數(shù)取0.543 1，標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)按300元/t，年回收標(biāo)煤55538.4 t×0.5431=30162.9t。則1 a煤泥帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為：300元/t×30162.9 t=904.9萬(wàn)元?？鄢O(shè)備運(yùn)行費(fèi)用，綜合可得每年可實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效益為：861.9萬(wàn)元+904.9萬(wàn)元-627.2萬(wàn)元=1139.6萬(wàn)元。

4 討論與展望

(1)我國(guó)大部分煤礦礦井水均為含懸浮物礦井水，且懸浮物自然沉降困難，而傳統(tǒng)工藝即斜板(斜管)沉淀工藝及高效旋流工藝存在占地面積大、水力停留時(shí)間長(zhǎng)、煤泥含水率高、運(yùn)行成本高且維護(hù)困難等缺點(diǎn)，因此新型高效的懸浮物脫除工藝將是解決傳統(tǒng)工藝所存在難題的關(guān)鍵。

(2)相比傳統(tǒng)工藝，磁分離工藝作為目前礦井水懸浮物處理的新工藝，具有設(shè)備占地面積小、處理水量大、煤泥含水率低、水力停留時(shí)間短、運(yùn)行成本低、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，更能夠有效脫除礦井水懸浮物，滿(mǎn)足煤礦需求，成為目前高效脫除礦井水懸浮物的主要工藝。

(3)以處理量48 000 m3/d，進(jìn)水ρ(SS)=3 200 mg/L，出水ρ(SS)<30 mg/L，年運(yùn)行時(shí)間為365 d的煤礦礦井水處理項(xiàng)目為例，對(duì)比傳統(tǒng)工藝，對(duì)磁分離工藝進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析后發(fā)現(xiàn)：扣除設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用，每年可實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效益1 139.6萬(wàn)元。因此，采用磁分離工藝脫除礦井水懸浮物具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，在煤礦礦井水處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。