磁分離凈化技術(shù)在礦井污水處理中的應(yīng)用

艾敬國，梁則虎，劉會彬，孫彬強(qiáng)

（彬縣煤炭有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 712000）

0 引言

現(xiàn)階段我國煤炭礦井污水處理普遍采用井下沉淀、地面二次處理的技術(shù)工藝，存在井下水倉清淤工作量大、水泵易磨損、運(yùn)行成本高等缺點(diǎn)［1-5］。綜合考慮污水處理系統(tǒng)工藝及礦井實(shí)際，彬長礦區(qū)某煤礦在井下建設(shè)污水處理站，采用磁分離水體凈化技術(shù)，在井下對進(jìn)入水倉前的礦井水進(jìn)行凈化處理，實(shí)現(xiàn)清水入倉，水體中的煤泥打撈并經(jīng)壓濾脫水實(shí)現(xiàn)綜合利用。處理后的水排放至水倉，經(jīng)泵房提升至地面進(jìn)行回用或外排。該礦井井下污水處理站工程建設(shè)分兩期進(jìn)行，兩期處理能力均為500 m3/h，總計1 000 m3/h。

1 工藝簡述

1.1 工藝流程簡述

礦井污水經(jīng)巷道溝渠匯集至進(jìn)水渠內(nèi)，在進(jìn)水渠內(nèi)設(shè)置機(jī)械格柵，去除來水中大的機(jī)械雜質(zhì)后，自流進(jìn)入預(yù)沉池［6-10］。水中大顆粒及大比重物質(zhì)在預(yù)沉池中沉積下來，預(yù)沉池設(shè)潛水渣漿泵，將泥定期排入污泥池，再由污泥泵送至壓濾機(jī)進(jìn)行脫水，圖1為超磁分離凈化技術(shù)工藝流程圖。

圖1 超磁分離凈化技術(shù)工藝流程圖

經(jīng)過預(yù)沉處理的水自流進(jìn)入超磁分離混凝系統(tǒng)，混凝系統(tǒng)通過投加磁種和混凝劑（PAC和PAM），使懸浮物在較短時間內(nèi)（約3～6 min）形成以磁種為載體的“微絮團(tuán)”。經(jīng)過混凝之后的水再自流進(jìn)入超磁分離機(jī)進(jìn)行固液分離凈化，使出水水質(zhì)達(dá)到設(shè)計出水指標(biāo)后，自流進(jìn)入井下水倉，由井下排水泵將水送至地面進(jìn)行回用。

超磁分離機(jī)分離出的煤泥（渣）進(jìn)入磁分離磁鼓，在磁鼓的高速分散作用下將磁種和非磁性懸浮物分散，分離出來的磁種由磁鼓吸附回收，再由泵打入前端的混凝投加系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用；分離出來的非磁性污泥排入污泥池中轉(zhuǎn)池，和預(yù)沉池污泥一起由泵打入壓濾機(jī)進(jìn)行脫水，脫水后的煤泥外運(yùn)升井。

1.2 水質(zhì)及排放指標(biāo)

礦井污水主要污染物質(zhì)為煤粉及巖粉，以及可溶的無機(jī)鹽類，有機(jī)污染物較少［11-15］。根據(jù)調(diào)研資料及環(huán)評報告要求，確定進(jìn)水水質(zhì)為：pH值6～9；SS≤1000 mg/L；出水水質(zhì)達(dá)到《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 20426—2006，并且滿足pH值6～9，出水SS≤30 mg/L。污水凈化處理后水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.3 污水處理系統(tǒng)性能控制參數(shù)

該井下污水處理站處理能力按500 m3/h設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計主要控制指標(biāo)見表2。

表1 污水凈化處理后水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)表

表2 污水處理系統(tǒng)設(shè)計主要控制指標(biāo)表

2 主要構(gòu)筑物及工藝系統(tǒng)

2.1 主要構(gòu)筑物

格柵渠為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，用于去除來水中的機(jī)械雜質(zhì)，充分保障后續(xù)提升設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行［16-17］。預(yù)沉池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，有效容積為160 m3，主要用于去除水中的較大顆粒物質(zhì)，以減輕后續(xù)處理構(gòu)筑物的處理負(fù)荷，采用潛水渣漿泵將沉積在污泥斗的污泥排至污泥池。混凝反應(yīng)池是微磁絮凝反應(yīng)設(shè)施，池內(nèi)PAC、PAM及磁種充分混合反應(yīng)，形成微絮凝體，充分的微磁絮凝反應(yīng)，為超磁分離機(jī)的吸附分離提供了保證?？焖倩旌铣赜行莘e4.48 m3，Ⅰ級反應(yīng)池有效容積18.75 m3，Ⅱ級反應(yīng)池有效容積18.75 m3，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。中轉(zhuǎn)池用于暫存磁鼓分離出來的污泥，再由渣漿泵送至污泥池。中轉(zhuǎn)池構(gòu)造為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，有效容積為10 m3。污泥池主要用于貯存磁分離磁鼓機(jī)分離出的污泥及預(yù)沉池定期排放的污泥，構(gòu)造為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，有效容積為37.5 m3。

2.2 主要工藝系統(tǒng)

混凝系統(tǒng)：混凝系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)微磁凝聚技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，主要由PAC攪拌裝置、PAM攪拌裝置構(gòu)成。經(jīng)過預(yù)處理后的原水通過進(jìn)水口流經(jīng)混凝系統(tǒng)，磁種、PAC、PAM這3種物質(zhì)分別經(jīng)3個位置加入混凝系統(tǒng)中，經(jīng)過PAC和PAM攪拌，混合形成磁性絮團(tuán)。混凝系統(tǒng)設(shè)置3臺攪拌裝置，為槳葉式攪拌器。

超磁分離系統(tǒng)：超磁分離系統(tǒng)主要包括超磁分離機(jī)、磁分離磁鼓機(jī)及磁種投加裝置。超磁分離機(jī)利用永磁材料的高強(qiáng)磁力，通過磁盤的聚磁組合，將廢水中的磁性懸浮物絮團(tuán)吸附分離去除，完成固液分離，實(shí)現(xiàn)污水凈化功能。它主要由磁盤機(jī)構(gòu)、機(jī)架與水槽、卸渣裝置、集渣及輸渣裝置、傳動系統(tǒng)等部分組成。超磁分離機(jī)分離出來的磁性絮團(tuán)進(jìn)入磁種回收系統(tǒng)的高速攪拌單元進(jìn)行分散，磁種和懸浮物被高速分散機(jī)打散分離后進(jìn)入磁分離磁鼓，磁種被吸附在連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁鼓上，回收到磁種攪拌箱里，非磁性的懸浮物隨水流排出?；厥蘸蟮拇欧N在磁種攪拌箱內(nèi)稀釋成一定濃度的溶液，經(jīng)攪拌混合均勻。磁種投加泵則定量地將磁種溶液輸送至混凝系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)磁種再利用。

加藥系統(tǒng)：混凝劑制備投加裝置用于配制和投加PAC和PAM藥劑。它由制備箱、攪拌機(jī)、閥門、儲液箱、計量泵等幾部分組成。干粉藥劑稱量后投入制備箱內(nèi)，通過攪拌機(jī)混合形成均勻的溶液，放至儲液箱儲備，計量泵則按要求將溶液輸送至混凝系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)連續(xù)定量投加。

2.3 控制系統(tǒng)

系統(tǒng)自動化主要包括：PAC藥劑投加，PAM藥劑自動制備和投加，機(jī)械格柵自動循環(huán)工作，預(yù)沉池潛污泵自動循環(huán)工作，污泥泵與板框壓濾機(jī)自動連鎖運(yùn)行，根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)自動調(diào)節(jié)加藥量，對出水水質(zhì)進(jìn)行在線監(jiān)測實(shí)時數(shù)據(jù)上傳。整套控制系統(tǒng)按“集中管理、分散控制”的原則設(shè)計，設(shè)置一臺工業(yè)控制計算機(jī)，其上顯示工藝流程圖、設(shè)備運(yùn)行工況及各種液位、水質(zhì)、流量等，可實(shí)時監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀況，同時參與電控設(shè)備的啟停指令、運(yùn)行信號及水質(zhì)、液位信號等均輸入PLC，可實(shí)現(xiàn)整個井下水處理站電控系統(tǒng)操作、管理、監(jiān)測監(jiān)控、顯示及報警等功能。

設(shè)備的控制方式包括遠(yuǎn)程集中控制（PLC控制）和配電柜控制，操作指令均通過工業(yè)機(jī)的鍵盤或鼠標(biāo)點(diǎn)擊相關(guān)的模擬畫面下達(dá)。當(dāng)安裝調(diào)試配電柜或PLC等集控設(shè)備發(fā)生故障時，操作人員可通過配電柜面板上的按鈕采用配電柜控制方式對設(shè)備進(jìn)行操作。

3 應(yīng)用效果及費(fèi)用

礦井在井底車場旁建立井下污水處理站，臨近中央水泵房，實(shí)現(xiàn)污水就近處理，回用井下，多余清水升井再利用。目前一期工程已經(jīng)運(yùn)行一年多，運(yùn)行情況良好。該套污水處理系統(tǒng)的裝機(jī)總功率為119 kW，運(yùn)行總功率83 kW，包括4大系統(tǒng)：PAC藥劑制備投加和預(yù)沉排泥系統(tǒng)，PAM制備投加和中轉(zhuǎn)池排泥系統(tǒng)，混凝超磁系統(tǒng)，壓濾機(jī)污泥脫水系統(tǒng)?，F(xiàn)場儀表主要有GUCS10礦用液位傳感器，LCM127出水渠道流量計，在線濁度儀及電磁閥等。系統(tǒng)相關(guān)監(jiān)控信息通過礦井監(jiān)控環(huán)網(wǎng)交換機(jī)可上傳至礦井調(diào)度中心。

3.1 處理能力和處理效果

相比常見的重力沉降，污染物從反應(yīng)到分離平均僅需3 min，沉降速度快數(shù)10倍以上，且對主要污染物凈化效果顯著，針對污水中的懸浮物平均去除率達(dá)90%以上，凈化效果顯著，同時可有效去除水體的異色異味。

磁鼓分離出的污泥含泥率大于70 g/L，大大高于傳統(tǒng)工藝的10 g/L，且含水率較普通沉淀法低，尾泥可不經(jīng)過濃縮直接進(jìn)入壓濾環(huán)節(jié)。相比傳統(tǒng)工藝，人工清淤后需要裝礦車升井，由于處理成本較高，有的煤礦未進(jìn)行回收利用，從而造成資源浪費(fèi)，并可能造成環(huán)境污染。磁分離技術(shù)處理工藝大大節(jié)約了污泥處理成本，同時處理后的泥餅可以升井銷售，有直接經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過計算，單套處理能力為500 m3/h磁分離凈化技術(shù)工藝系統(tǒng)年回收處理泥煤可達(dá)4 500 t以上。

3.2 用藥費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用

系統(tǒng)采用微磁凝聚技術(shù)，不需要通過增加投藥量加快水體污染物的絮凝沉淀，藥劑使用量較常規(guī)水處理工藝減少50%～60%，而且磁種回收利用率高，可達(dá)98%以上，大大節(jié)省藥劑費(fèi)用。僅絮凝劑用量估算，年費(fèi)用節(jié)約超過30萬元。

目前礦井水處理后主要用于井下降塵、灑水和消防用水以及乳化油配制用水，井下處理工藝可以將清水直接輸送到井下用水點(diǎn)，不需污水升井再回返井下，有效降低了系統(tǒng)水阻和水泵磨損。礦井垂深520 m，中央水泵房選用水泵流量600 m3/h，揚(yáng)程560 m，功率1 600 kW。經(jīng)磁分離水體凈化處理的礦井水污染物濃度較低，含懸浮物礦井水比重由1.085降到清水比重1.0。經(jīng)計算單臺水泵運(yùn)行每小時耗電減少了72 kW·h，礦井正常排水運(yùn)行兩臺水泵，年節(jié)省用電達(dá)95萬kW·h。同時水泵負(fù)荷及磨損大大降低，有效延長水泵和管路的使用壽命，降低設(shè)備維修或更換成本，節(jié)省系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。

3.3 維護(hù)管理

在傳統(tǒng)工藝下，礦井污水簡單沉降后抽排至地面進(jìn)行處理，隨著水倉泥煤淤積，使得水倉有效蓄水容積不斷減小，因此需要對水倉進(jìn)行清淤。然而井下清淤工作條件比較惡劣，勞動強(qiáng)度大、效率低，污水經(jīng)超磁凈化處理后，大大減少水倉泥煤淤積，系統(tǒng)運(yùn)行至今還沒有進(jìn)行水倉清淤工作。相比其他礦井，每年都必須集中進(jìn)行一次水倉人工清淤，工期將近兩個月，大大降低了工人勞動強(qiáng)度，節(jié)省了水倉清淤的人工成本。

磁分離水體凈化技術(shù)作為一項新穎的、現(xiàn)階段最先進(jìn)的水污染治理技術(shù)之一，設(shè)備配置效率高，工藝設(shè)備先進(jìn)可靠，自動化程度高，操作簡單，便于管理維護(hù)，不存在產(chǎn)品組件易耗損需頻繁更換的情形，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本低。該套系統(tǒng)運(yùn)行至今，除正常維護(hù)保養(yǎng)外，沒有發(fā)生過大的故障，可靠性較高。

4 結(jié)語

磁分離水體凈化技術(shù)在2012年被國家發(fā)改委列入《國家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄》，作為一項污水處理新技術(shù)，在礦井污水處理系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用。該套系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)煤礦礦井水處理工藝及其局限，有效提升了礦井污水處理能力，大幅降低了污水處理費(fèi)用，在資源綜合利用、節(jié)能減排、安全、環(huán)保等方面發(fā)揮了積極作用，該項技術(shù)在礦井的實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。