實用新型煤礦礦井水預處理系統(tǒng)應用分析

馬金龍

（寧夏煤礦設計研究院有限責任公司，寧夏銀川 750000）

地下水資源和煤炭資源在自然狀態(tài)處于共生狀態(tài)，開采煤炭資源會打破原有的共生狀態(tài)，但這一過程也是締造新的共生狀態(tài)的過程。從礦井水的社會生態(tài)效益出發(fā)，高效的礦井水處理利用模式可以使區(qū)域的共生狀態(tài)更優(yōu)。因此，要從實現(xiàn)區(qū)域共生狀態(tài)更優(yōu)，充分挖掘礦井水的利用價值，對礦井水進行有效利用，在改善地區(qū)生態(tài)環(huán)境的同時，通過水資源處理回收與利用措施，推動礦井水利用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，提高企業(yè)經(jīng)濟、社會效益，實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營的可持續(xù)發(fā)展。

1 煤礦礦井水特點

懸浮物與可溶性無機物均為煤礦礦井水的組成成分，比如，懸浮物SS 主要是由煤粉和巖粉組成，巖粉組成，其含量較不穩(wěn)定。另外，礦井水流經(jīng)過采煤工作面和巷道時，受到人為的影響，有部分有機物摻入水體中，礦井水中SS 的主要成分是煤粉，能被重鉻酸鉀等強氧化劑所氧化，因此，顯示有相對較高的CODcr。

煤炭開采基地一般設置有生產(chǎn)礦井，年礦井水產(chǎn)生量巨大，以寧煤公司為例，煤炭板塊年礦井水產(chǎn)生量達到約60Mt，而且基本都屬于高硬度、高SS、pH 在8左右的高礦化度礦井水，其中SS 含量200L～1500mg/L，礦化度4000～12000mg/L，永久硬度1500～4000mg/L，Cl-含量2500～5000mg/L，SO2-含量2000～4000mg/L，COD 含量≤30mg/L，氨氮含量≤1.5mg/L，石油類含量≤0.5mg/L，氟化物氨氮含量≤1.5mg/L。

煤礦不僅是具有工業(yè)特點的污染源，也是寶貴的水資源。我國許多煤礦一方面缺水嚴重，另一方面未經(jīng)處理直接排放，造成大量的廢水資源和環(huán)境污染，因此，將煤礦作為工業(yè)用水或飲用水處理，不僅可以解決開采過程中的缺水問題，而且還可以解決水資源短缺的問題，充分開發(fā)礦泉水資源，節(jié)約地下水資源，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。

2 礦井水預處理工藝

煤礦水處理的主要任務是去除懸浮物。煤礦懸浮液的主要成分是極細的碳粉和石粉。用自然沉淀法去除懸浮物是非常困難的，有必要用鞣劑除去。目前煤礦預處理已有成熟的實踐經(jīng)驗。通常加設混凝過程、沉淀（或流水）和過濾，其出水SS 基本能達到≤10mg/L，主流的預處理工藝路線為：煤礦井下來水—預沉調(diào)節(jié)池—提升泵—PAC 攪拌池—PAM 攪拌池—熟化池—沉淀池—過濾。

目前國內(nèi)比較成熟的煤礦礦井水預處理工藝主要有傳統(tǒng)混凝沉淀工藝、高效沉淀池工藝、重介速沉工藝等。

2.1 傳統(tǒng)混凝沉淀工藝

混凝沉淀原理：在混凝劑的作用下，礦泉水中的膠體和細懸浮物凝結(jié)成片狀，隨后排出分離。

制革法的基本原理是在廢水中使用鞣劑。由于鞣劑是電解液，它在廢水中形成微粒，通過電中和廢水中的膠體物質(zhì)，產(chǎn)生天鵝絨般的沉淀。混凝沉淀法不僅能去除細懸浮物，還能去除色度、油脂、微生物，去除氮、磷等豐富的營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬和有機物。

水中的膠體和細懸浮物非常輕，由于水分子熱運動的碰撞，它們具有不規(guī)則的布朗運動。首先，細懸浮物具有相同的電荷，它們之間的靜電位移阻止粒子接近較大的粒子；其次，帶電的膠體顆粒和區(qū)域與周圍的水分子可以形成一層水化殼，你所裝載的膠體聚合成膠體，其電位越大；擴散層中的離子越多，水化效果越大，水化層越厚；擴散層越厚，穩(wěn)定性越強。

在礦井水中加入混凝劑后，由于rt 的降低或消除，膠體被破壞，失穩(wěn)顆粒聚集成較大顆粒的過程稱為凝聚。膠體的混凝機理主要有四種類型：壓縮電雙層效應、吸附電中和效應、吸附橋效應和網(wǎng)捕集。反作用，不穩(wěn)定的膠體也能形成剝落的大顆粒。不同類型的化學物質(zhì)可能：膠體以各種方式破壞穩(wěn)定、凝結(jié)或引起薄片。

在煤礦水混凝沉淀處理過程中，影響水樣混凝效果的因素很多：對于不同的水樣，由于礦井水成分的不同，同一種混凝劑的處理效果可能大不相同，也會受到水溫的影響，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①影響試劑在水中的堿度的化學反應速率，對金屬鹽鞣劑有重要影響，因為其水解是吸熱反應；②影響明礬的培養(yǎng)和質(zhì)量。水溫低時，拍打形成緩慢，結(jié)構(gòu)松散，顆粒細小；③水溫低時，水的黏度大，布朗運動強度減弱，不利于不穩(wěn)定膠粒的聚集，水流剪切力增大，鱗片生長增加，這是影響金屬鹽鞣劑的主要因素，但對聚合物鞣劑影響不大。傳統(tǒng)混凝沉淀工藝技術(shù)成熟、運行穩(wěn)定，但占地面積大，土建投資高，抗負荷變化能力較差，對運行操作要求較高。

2.2 高效沉淀池工藝

高效沉淀池是集混凝、片狀、沉淀、濃縮于一體的混凝技術(shù)和高效沉淀池。反應釜與沉淀池之間的低配水不會破壞所形成的鋁顆粒，產(chǎn)生的鋁水團致密而牢固，能很好地保持鋁水團的完整性，獲得最佳的剝落性能，獲得濁度較低的出水。

高性能沉淀容器具有以下突出特點：第一，占地面積小，僅為常規(guī)沉淀工藝的1/4～1/10，節(jié)約了深部施工成本；第二，沉淀效率高；第三，污泥干度高；一般情況下，石灰軟化后，泥漿濃度由50～80g/L 可達到100～400g/L，完全可以滿足直接脫水的要求；第四，不必建壓縮罐；Comb-9315具有很強的抗負載變化能力，由于污泥回流功能是反應區(qū)的懸浮物濃度高達幾千ppm，在水質(zhì)變化較大的情況下可以起到很好的緩沖作用，而不影響廢水水質(zhì)；第五，污泥回收可回收部分活性物質(zhì)，且循環(huán)周期使污泥與水接觸時間較長，藥物用量低于其他鎮(zhèn)靜劑。第六，失水率低。由于排出的污泥濃度高，帶走的水量相對較??；第七，與傳統(tǒng)的靜態(tài)沉淀池相比，高密度轉(zhuǎn)爐的失水率很低，該系統(tǒng)易于操作和維護。如圖1所示。

圖1 高效沉淀池工藝原理圖

2.3 重介速沉工藝

重介速沉工藝是目前應用于礦井水處理的一種新工藝，采用一體化設計，混凝、絮凝及沉淀過程均在設備中完成。設備主體分為混合段、絮凝段、反應段、沉淀段四個部分，并配套泥水分離裝置和微砂投加裝置。

清洗原理是在水體中懸浮物和微端的聚集物中加入微砂、介質(zhì)和混凝劑，形成高密度鱗片的“芯載體”和壓艙物，由于沉淀去除，絮片密度更高，重量更輕。由于微砂的加速拍打速度是傳統(tǒng)拍打工藝在相同沉降性能下的10倍，大大縮短了水力停留時間。因此重介速沉礦井水處理技術(shù)具有沉淀速度快，效率高，工程設施占地面積小等優(yōu)勢（圖2）。

圖2 重介速沉工藝原理圖

3 實用新型煤礦礦井水預處理系統(tǒng)應用分析

實用新型名稱：用于煤礦礦井水處理的系統(tǒng)（圖3～圖4）。該系統(tǒng)主要包括：第一PAC 攪拌池，用于對加有PAC 藥劑的煤礦礦井水進行攪拌，以便混凝；第二PAC 攪拌池，用于接收PAM 藥劑和所述第一PAC 攪拌池的溢流并攪拌以便絮凝；PAM 攪拌池，用于接收PAM 藥劑和所述第二PAC 攪拌池的底流并攪拌以進一步絮凝；沉淀池，用于接收所述PAM 攪拌池的溢流并沉降，得到位于上層的清液和位于下層的沉淀物；清水池，用于接收來自所述沉淀池的清液。

由于煤礦井下排水泵的數(shù)量是依據(jù)礦井涌水量來確定的，為避峰填谷，礦井水預處理多在夜間高負荷運行，導致存在夜間預處理能力不足的問題，該系統(tǒng)取消前端預沉調(diào)節(jié)池，系統(tǒng)設計處理能力與井下排水泵匹配，系統(tǒng)不受避峰填谷影響。該系統(tǒng)主要由混凝部分、絮凝部分和沉淀部分組成?？梢允且惑w化設計也可多體設計制造后拼裝，主體材質(zhì)為混凝土加防腐。與其他相近裝置相比，增加了一級PAC 攪拌池，去掉了熟化段，同時增加了PAM 兩點加藥的設施，實現(xiàn)了PAM間隔性分批次加藥的創(chuàng)新。

圖3 用于煤礦礦井水處理的系統(tǒng)原理

圖4 用于煤礦礦井水處理的系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)具備如下幾個突出的優(yōu)勢：

1）降低工程投資，減少了預沉調(diào)節(jié)池及提升泵的投資。

2）降低了運行費用和管理難度，去掉了礦井水從預沉調(diào)節(jié)池向處理裝置二次提升泵的電耗，減少了管理環(huán)節(jié)、減少了管理人員，減少維護費用等。

3）創(chuàng)新了工藝流程，在混凝、絮凝沉淀的理論基礎上，拋棄了傳統(tǒng)的混凝、絮凝工藝在混勻和工藝流程上的做法，對煤礦礦井水處理工藝中混凝、絮凝和加藥進行了重新構(gòu)思和設計，增加了PAM 兩點加藥的設施，顛覆了傳統(tǒng)繁雜的工藝設計。

4）減少藥劑使用成本，由于實現(xiàn)了分2 點加PAM，反應較充分，因此在同等出水水質(zhì)的情況下，凈水藥劑PAC 和PAM 的用量極大減少。

5）適用性強，投資和運行費用大幅度減少，更具使用價值。

6）針對性強，充分依據(jù)煤礦礦井水的特點，完全適用于煤礦礦井水去除懸浮物、色度、COD、石油類等處理的需要。

應用案例分析：寧煤公司石槽村煤礦礦井水處理站提標改造工程。寧煤公司石槽村煤礦礦井水處理站提標改造工程于2017年建成投產(chǎn)，采用該實用新型煤礦礦井水預處理系統(tǒng)，設計預處理能力1100m3/h，自竣工驗收以來運行穩(wěn)定，預處理出水懸浮物指標在20～30mg/L，正常運行加藥量20～30mg/L，傳統(tǒng)工藝正常運行加藥量40～80mg/L。相比其他相近預處理工藝節(jié)約工程投資約30%，噸水預處理成本減少約0.15元/m3。

4 結(jié)語

實用新型煤礦礦井水預處理系統(tǒng)在混凝、絮凝沉淀的理論基礎上，對煤礦礦井水處理工藝中混凝、絮凝和加藥進行了重新構(gòu)思和設計，顛覆了傳統(tǒng)繁雜的工藝設計，充分依據(jù)煤礦礦井水的特點，節(jié)約了投資及運行費，完全適用于煤礦礦井水去除懸浮物、色度、COD、石油類等處理的需要，應用前景廣泛，直接效益和間接效益顯著，是提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，推動礦井水利用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營的可持續(xù)發(fā)展的良好助力。