煤礦井下廢水處理與綜合利用

陳俊清

（湖南有色金屬研究院，長(zhǎng)沙 410015）

水資源是人類生存不可缺少的自然資源，也是企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要保證。煤礦企業(yè)每開采1 t煤，約產(chǎn)生2 t礦井水。煤炭開采產(chǎn)生的大量礦井水若直接排放，將會(huì)嚴(yán)重污染周邊環(huán)境，不僅給礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)帶來極大的壓力，還造成了水資源的浪費(fèi)。有數(shù)據(jù)表明，西北地區(qū)已探明的煤炭資源量占全國(guó)的70.8%，而水資源總量?jī)H占全國(guó)的3.7%。盡管我國(guó)礦井水資源利用率逐漸逐漸提高，但全國(guó)煤礦排水量與缺水量之間的矛盾越來越受關(guān)注。

一般來說，煤礦井下廢水富含固體懸浮物、有機(jī)物和重金屬元素，色度較高[1-2]。煤礦企業(yè)要科學(xué)處理井下廢水，推進(jìn)水資源的綜合利用，保護(hù)礦山生態(tài)環(huán)境。井下廢水處理達(dá)標(biāo)后可以回用于煤礦企業(yè)，服務(wù)生產(chǎn)與生活，同步提高環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[3]。本文結(jié)合江西省某煤礦企業(yè)井下廢水處理工程實(shí)例，詳細(xì)論述了煤礦井下廢水處理工藝及其設(shè)計(jì)參數(shù)，以期提升水資源綜合利用率。

1 工程概況

該煤礦井下廢水處理工程的處理規(guī)模為：井下廢水處理量Q=5 000 m3/d，回用水量Q=1 800 m3/d。設(shè)計(jì)的廢水處理廠進(jìn)水水質(zhì)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)的廢水處理廠進(jìn)水水質(zhì)

井下廢水經(jīng)處理后執(zhí)行《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB20426-2006），達(dá)標(biāo)后外排，回用水質(zhì)要求達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）要求，回用至澡堂供職工洗浴使用。

2 井下廢水處理工藝的選擇

2.1 井下廢水的水質(zhì)特點(diǎn)

井下廢水一般分為酸性礦井水和非酸性礦井水。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和水質(zhì)檢測(cè)，該煤礦井下廢水屬于酸性礦井水，pH=4～5，具有大多數(shù)煤礦企業(yè)井下廢水的顯著特征。水質(zhì)特點(diǎn)如下。

一是井下廢水多數(shù)時(shí)候比較渾濁，色度高，污染物主要為懸浮物（SS），水質(zhì)變化較大，懸浮物濃度變化大，其懸浮物含量遠(yuǎn)高于地表水，感官較差。二是懸浮物顆粒直徑小、比重較小、沉降速度較小。礦井廢水中懸浮物顆粒直徑一般只有2～8 μm，超過85%的懸浮物粒徑在50 μm以下；煤粉密度一般只有1.3～1.5 g/cm3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地表水系中泥砂顆粒物的密度（2.4～2.6 g/cm3）。三是化學(xué)需要量（COD）超標(biāo)，主要原因是礦井廢水含有少量的污機(jī)油、乳化油、腐爛污坑木等有機(jī)物。另外，懸浮物中的煤屑中碳分子的有機(jī)還原性也會(huì)導(dǎo)致COD超標(biāo)。四是酸性礦井廢水含有有毒有害的重金屬離子，鐵、錳等重金屬離子超標(biāo)。

2.2 井下廢水處理與綜合利用技術(shù)

煤礦井下廢水處理與綜合利用工藝較多，但是通常采用混凝沉淀+過濾的工藝。本工程對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用的是初沉+混凝沉淀+過濾+深度處理的處理工藝。煤礦井下廢水含有大量懸浮物，初沉是為了對(duì)廢水中的較大懸浮物進(jìn)行預(yù)沉淀。煤礦生產(chǎn)期間，礦井水排放量和水質(zhì)具有很大的差異性。通常，煤礦每天選擇在電費(fèi)較低時(shí)持續(xù)排出礦井水，因此需要在排出口設(shè)置一個(gè)比較大的調(diào)節(jié)池。為此，本工程將初沉和調(diào)節(jié)池合并設(shè)計(jì)為預(yù)沉調(diào)節(jié)池，不僅具有調(diào)節(jié)水量、水質(zhì)的作用，還能起到初沉的效果，提高了處理系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷的能力。

混凝沉淀是煤礦井下廢水處理中十分重要的環(huán)節(jié)，混凝劑的選擇原則是產(chǎn)生大、重、強(qiáng)的礬花，凈水效果好，對(duì)水質(zhì)沒有不良影響，價(jià)格便宜，貨源充足。常用的混凝劑是鋁鹽和鐵鹽混凝劑。過濾的主要目的是進(jìn)一步去除水中的細(xì)小懸浮物，如果選配濾料得當(dāng)，過濾還擁有去除鐵、錳等特殊功效。

鑒于礦井廢水可生化性低、懸浮物含量較高的特點(diǎn)，本項(xiàng)目確定的處理思路為：井下廢水全部經(jīng)過初沉、混凝、斜板沉淀、過濾物化處理后，出水能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。深度處理一般采用反滲透工藝。為了適應(yīng)反滲透膜的進(jìn)水要求，防止原水中懸浮物堵塞反滲透系統(tǒng)，給系統(tǒng)運(yùn)行造成障礙，影響膜的壽命，因此必須進(jìn)行預(yù)處理，使原水流經(jīng)反滲透膜表面之前就去除懸浮成分和易濃縮結(jié)垢的物質(zhì)。

該工程廢水處理工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：對(duì)原水水質(zhì)波動(dòng)適應(yīng)性好，即能有效地緩沖來水水質(zhì)和水量負(fù)荷的變化，從而保證合格的出水水質(zhì)；管理簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，處理流程大大簡(jiǎn)化，操作管理及維護(hù)方便；結(jié)構(gòu)緊湊，能節(jié)省寶貴的土地資源和降低投資，減少占地面積30%，節(jié)約基建建設(shè)投資20%～30%；采用高效斜板沉淀池，泥漿采用脈沖氣流輸送，不會(huì)堵管，無需沖洗，具有沉淀效率高、停留時(shí)間短、占地少、處理效果穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，污泥濃縮同步完成。

3 井下廢水處理工藝流程

煤礦井下廢水首先進(jìn)入預(yù)沉調(diào)節(jié)池，它既可以調(diào)節(jié)水量，又可將部分顆粒煤渣沉淀；接著，廢水通過提升泵提升至化學(xué)反應(yīng)池，通過加藥裝置投加NaOH、重金屬捕捉劑，調(diào)節(jié)pH值，去除重金屬；然后，廢水自流進(jìn)入混凝反應(yīng)池，同時(shí)投加混凝劑PAC和助凝劑PAM，混凝反應(yīng)池出水自流進(jìn)入高效斜板沉淀池，經(jīng)過斜管填料沉淀后，生成大量的有機(jī)膠團(tuán)，大部分懸浮物在沉淀池內(nèi)下沉后除去；沉淀池的上清液自流進(jìn)入多介質(zhì)濾池，將水中不易沉降的固體物通過濾料的截留、攔截等作用進(jìn)行過濾，通過濾池內(nèi)的過濾介質(zhì)，攔截水中的膠體和其他很細(xì)的物質(zhì)，確保出水水質(zhì)。出水進(jìn)入清水池，部分進(jìn)行深度處理后回用作濾池反洗水，多余的達(dá)標(biāo)外排。

預(yù)沉調(diào)節(jié)池和高效斜板沉淀池污泥能通過排泥泵輸入污泥池，進(jìn)行濃縮后再通過板框壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾脫水，脫水后的干污泥進(jìn)行外運(yùn)處置。清水池出水通過原水泵提升至前級(jí)預(yù)處理，為后續(xù)反滲透的正常運(yùn)行創(chuàng)造良好的條件，預(yù)處理出水通過反滲透裝置中半透膜的選擇吸附-毛細(xì)管流動(dòng)機(jī)理和篩分機(jī)理，使出水得到深度凈化，出水達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）要求后進(jìn)行回用。工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

4 主要污水處理構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)

4.1 預(yù)沉調(diào)節(jié)池

處理規(guī)模為5 000 m3/d，按停留時(shí)間6 h設(shè)計(jì)，有效容積V=1 250 m3，池體尺寸為26.0 m×12.0 m×4.5 m，配套設(shè)置提升泵2臺(tái)Q=210 m3/h，H=9.0 m，N=15 kW；桁架式吸泥機(jī)1臺(tái)，跨距12 m，行程26 m，功率1.10+0.75 kW。

圖1 工藝流程簡(jiǎn)圖

4.2 化學(xué)反應(yīng)池

化學(xué)反應(yīng)池主要用于投加NaOH，調(diào)節(jié)pH值，再投加重金屬捕捉劑，進(jìn)行反學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)時(shí)間為15 min，池體尺寸為4.0 m×4.0 m×3.8 m，有效水深為3.25 m，配套設(shè)計(jì)混合攪拌機(jī)設(shè)備1臺(tái)，功率7.5 kW。

4.3 混凝反應(yīng)池

對(duì)混凝池投加混凝劑PAC和助凝劑PAM。配套設(shè)置框式攪拌機(jī)，用于混合和混凝攪拌反應(yīng)。設(shè)計(jì)反應(yīng)時(shí)間為60 min，池體尺寸為13.0 m×4.0 m×4.5 m，有效水深為4.0 m，分為2格，配套框式攪拌機(jī)設(shè)備2臺(tái)，單臺(tái)功率1.50+0.75 kW。

4.4 高效斜板沉淀池

按設(shè)計(jì)流量210 m3/h設(shè)計(jì)，采用4座高效斜板沉淀池，每座斜板沉淀池由2組高效斜板沉淀器單元體組成，泥漿采用脈沖氣流輸送。每座斜板沉淀池的設(shè)計(jì)流量53 m3/h。設(shè)置斜板沉淀池4臺(tái)，碳鋼防腐，設(shè)計(jì)尺寸：12.0 m×5.0 m×2.8 m，配套設(shè)置排泥泵2臺(tái)，Q=15 m3/h，H=20 m，N=3.0 kW。

4.5 多介質(zhì)濾池

為了進(jìn)一步去除廢水中的懸浮物、有機(jī)物及重金屬離子，確保廢水達(dá)標(biāo)排放，設(shè)計(jì)多介質(zhì)濾池一座。設(shè)計(jì)流量為210 m3/h，過濾速度3 m/h，設(shè)計(jì)尺寸為12.0 m×6.0 m×4.6 m，分二格，濾料層H=2.0 m。設(shè) 置 反 沖 洗 水 泵2臺(tái)，Q=300 m3/h，H=22 m，N=30 kW。設(shè)置反沖洗風(fēng)機(jī)2臺(tái)，Q=13.75 m3/min，N=22kW，P=58.8 kPa。

4.6 污泥池

設(shè)計(jì)尺寸為4.0 m×4.0 m×4.5 m，1座，配套設(shè)計(jì)污泥泵潛水?dāng)嚢杵?臺(tái)。

4.7 污泥脫水車間

車間設(shè)計(jì)尺寸為6.0 m×6.0 m×7.0 m，1座；配套設(shè)置板框壓濾機(jī)2臺(tái)，過濾面積40 m2，功率3.0 kW；設(shè)置螺桿泵2臺(tái)，流量10 m3/h，揚(yáng)程60 m，功率3.7 kW。

4.8 加藥車間

車間設(shè)計(jì)尺寸為12.0 m×6.0 m×4.5 m，配套布置5套加藥裝置，其中1套NaOH、1套重金屬捕捉劑、1套PAC、1套PAM和1套消毒成套加藥裝置。

4.9 深度處理車間

深度處理規(guī)模按1 800 t/d設(shè)計(jì)，車間尺寸為16.0 m×6.0 m×7.0 m，主要設(shè)備為：石英砂過濾器1臺(tái)，活性炭過濾器1臺(tái)，精密過濾器1臺(tái)，反滲濾裝置1臺(tái)。

5 投資及運(yùn)行

該項(xiàng)目總投資約920萬元，廢水處理部分單位運(yùn)行成本0.9元/t，深度處理1.5元/t，年總經(jīng)營(yíng)成本262.8萬元。運(yùn)行費(fèi)用包括電費(fèi)、人工費(fèi)、藥劑費(fèi)和維修費(fèi)等。

6 結(jié)論

本項(xiàng)目工藝投資較低、占地面積小、運(yùn)行穩(wěn)定，操作管理簡(jiǎn)便，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，運(yùn)行費(fèi)用合理，在煤礦井下廢水處理與綜合利用中具有獨(dú)特的優(yōu)越性。凈化處理采用混凝、沉淀與過濾工藝，深度處理采用超濾和反滲透工藝，適合井下廢水回用處理，是經(jīng)濟(jì)和切實(shí)可行的，出水指標(biāo)達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）要求。該礦井廢水處理與利用工程已于2018年5月投入運(yùn)行，處理效果良好，凈化處理出水各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）要求，出水穩(wěn)定可靠，出水水質(zhì)較好。出水回用至澡堂供職工洗浴用，解決了礦區(qū)職工洗浴問題。對(duì)于礦井水不需要消毒這一說法，人們需要進(jìn)一步論證，但是建議增加消毒裝置；反沖洗閥門建議均采用電動(dòng)閥，可以實(shí)現(xiàn)自控，降低操作人員的運(yùn)維難度。