煤礦工作面生產(chǎn)污水井下分流與前置快速處置一體化水處理系統(tǒng)研發(fā)與工程應用

戚 俊

（淄博市淄川區(qū)水資源服務中心 淄博 255100）

我國煤炭井下開采噸煤涌水量均值約為 2.1m3，即每生產(chǎn)一噸原煤平均產(chǎn)生2.1m3礦井污水。某煤礦日均污水量約15000m3，主要污染物為煤粉、煤泥、乳化液等，這些污水在匯集至中央水倉的過程中，造成了排水溝的淤堵，中央水倉的煤泥淤積的情況也日益突出，頻繁的清淤工作給煤礦的生產(chǎn)管理造成了困擾，消耗大量的人力、物力、財力。

1 存在的問題

（1）某煤礦因水量較大，傳統(tǒng)的PAC（聚鋁，化學絮凝劑）和PAM（聚丙，化學助凝劑）的混凝沉淀法需要開挖較大硐室甚至硐室群，建立污水處理廠（站），以滿足混凝沉淀的基本需求，投資巨大，空間需求苛刻不易滿足。而且混凝后的淤泥粘性較大，形成小分子結(jié)構(gòu)后，不容易破壁，給后續(xù)的壓濾脫水工作造成困難。

（2）某煤礦井下主要污水從東、西兩翼在中央水倉匯集，東翼總水量約為100m3/h，西翼總水量約200m3/h。東翼水體由約70m3/h 鉆孔帶壓清水和約30m3/h 的生產(chǎn)污水構(gòu)成；西翼水體由約150m3/h鉆孔帶壓清水和約50m3/h 的生產(chǎn)污水構(gòu)成。中央水倉污水的來源主要是東西兩翼在采工作面的生產(chǎn)污水，占比約25%～30%。在東翼，生產(chǎn)污水在采區(qū)水倉、大巷水溝、大巷沉淀和中央水倉池逐級沉淀，形成沉積污泥；在西翼，生產(chǎn)污水在采區(qū)水倉、大巷水溝、中央水倉逐級沉淀，形成沉積污泥。生產(chǎn)污水給整個水路沿線都造成了不同程度的煤泥淤積，增加了繁重、持續(xù)的清淤工作。

2 井下污水處理研究的現(xiàn)狀

煤礦井下污水處理的案例較少，目前主要研究集中在兩個方面：一是工作面水量較大的固液分離處理，采用振動篩份和粗過濾的辦法，降低煤體的含水量，方便運輸，同時減少工作面轉(zhuǎn)運端部粗粒煤泥的淤堵問題，粗過濾后的污水通過水溝流向水倉；二是在中央水倉水體入口處進行前置處理（如超磁水處理系統(tǒng)），可以大幅減少進入水倉的污泥量，大幅降低清淤任務量，但這樣相當于把地表污水處理廠建于井下，甚至還要重新開鑿專門的硐室，運行和管理成本均高于井上，經(jīng)濟性不高，推廣價值有限。

針對井下污水構(gòu)成的特點，進行生產(chǎn)污水的分流、前置處理的案例鮮有報道：一是對井下水情、污水來源與水路分布研究不夠；二是適用井下的小型、可移動的一體化設備關(guān)鍵技術(shù)沒有突破，使得因設備尺寸過大，或者工藝太復雜而不具備實施可能。

本文提出直接在井下進行生產(chǎn)污水的分流和前置處理，做到煤泥不進水倉、水溝，解放清淤工作。

3 一體化水處理系統(tǒng)的技術(shù)概況

某煤礦礦井水的污染源主要來自在采工作面，而采空區(qū)的涌水、頂板潰水、巷道淋水均不需要處理，因此只要對在采工作面的污水進行原位處理即可。

JC 一體化水處理系統(tǒng)無需土建工程、沉降速度快、淤泥脫水性好、無二次污染、自動化程度高，可實現(xiàn)小型模塊化的井下巷道內(nèi)的原位處理，不僅安裝方便，還具有移動性。這種處理模式的優(yōu)點是：一是將整個煤礦污水的處理量降至50%以內(nèi)；二是排水溝（或巷道）內(nèi)只流清水，避免了淤積堵塞和持續(xù)清理；三是中央水倉存儲清水，將不受沉淀泥煤的困擾；四是避免了污水抽至地表的過程中對水泵的損害；五是處置方式的改變可系統(tǒng)性降低運行成本，對某煤礦而言，年節(jié)約成本以百萬元計。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

井下煤泥污水的處理，最關(guān)鍵的技術(shù)是快速實現(xiàn)固液的相態(tài)分離以及基于相態(tài)分離的機械分離，和整套設備的小型化，占地不超過6m2，且模塊化、可移動。

相態(tài)分離指的是水體的液相和煤泥顆粒的固相分離，已經(jīng)實現(xiàn)了復合渦流條件下的高效微絮凝，可實現(xiàn)在20～30s 內(nèi)的相態(tài)分離；基于相態(tài)分離的機械分離是指借助裝備手段實現(xiàn)固液的分流，即清水入倉或水溝，固態(tài)煤泥快速截留、分離，已經(jīng)實現(xiàn)了不設沉淀池、直接進行相態(tài)分離后的快速固液分流，進而可對絮凝條件進行放寬，微絮凝即可，大大降低了絮凝藥劑的使用量。

突破的三項關(guān)鍵技術(shù)：一是復合渦流的小體積化；二是基于動態(tài)膜原理的輕質(zhì)過濾介質(zhì)的選擇和結(jié)構(gòu)設計，保障介質(zhì)和絮凝體的自動分離，且本質(zhì)型不堵塞；三是截留懸浮物（絮凝體）的濃縮和穩(wěn)定性。

3.2 設計說明

3.2.1 設計水量

依據(jù)JC 成熟的一體化設備為基礎，進行模塊化設計和組裝、同時增加防爆裝置；同時根據(jù)工作面原位處理的工作條件和井下運送的客觀限制，設計處理能力和設備尺寸。單套處理能力設計為2000m3/d，污水處理系統(tǒng)為24h 待機運行。

即：QT=2000m3/d，設計小時處理量 Q =100m3/h（預留一定余量）。

3.2.2 進水水質(zhì)（表1）

表1 進水綜合水質(zhì)參照表

3.2.3 出水水質(zhì)（表2）

表2 出水綜合水質(zhì)參照表

3.3 污水處理工藝

JC 一體化水處理系統(tǒng)，采用物理方法，是綠色生態(tài)的新型方法，也是未來水處理的發(fā)展方向。JC水處理系統(tǒng)無需土建工程、沉降速度快、淤泥脫水性好，自動化程度高，投資和運行成本優(yōu)勢明顯，見表3。

表3 參數(shù)對表

3.4 工藝流程圖（圖1）

圖1 JC 一體化水處理工藝流程圖

3.5 一體化污水處理系統(tǒng)尺寸

攪拌模塊尺寸：長2.5m×寬1.4m×高1.5m。

沉淀模塊尺寸：長2.5m×寬1.4m×高1.5m。

4 投資預算

JC 一體化水處理系統(tǒng)（日處理2000 m3）：

模塊化設計：30 萬元；防爆系統(tǒng)：10 萬元；設備費：90 萬元；總計：130 萬元。

每增加一套，費用增加100 萬，即8000m3/日，總投資約430 萬。

5 運行成本預算

5.1 能耗費用

各用電單元電耗：攪拌機3 臺、投藥劑1 臺，總功率2.95kW，電費為1 元每度，則：

噸水電費＝2.95×1/100 ＝0.024 元。

5.2 藥劑費用

根據(jù)污水水質(zhì)情況，JC 絮凝劑投入量正常水質(zhì)（工作面水濃度較大）按50ppm（工作面污水濃度較大，中央水倉處污水約20ppm 投藥量）計，則噸水藥費約為0.35 元/t。

5.3 人工費用

由于處理系統(tǒng)自動化程度高，所以只需工作人員照看和加藥即可，按3 班，每班1 人，工資3500元每月，則：

噸水人工費＝3500×3×1/30/2000 ＝0.18 元。

5.4 設備維修費用

由于工藝簡單，設備較少，而且設備都選用質(zhì)量可靠、信譽好的產(chǎn)品，所以維修費用較低。設每年設備維修費為10000 元，則：

噸水設備維修費＝10000/365/2000 ＝0.02 元。

5.5 總費用

每噸水處理的總費用＝噸水電費＋噸水藥費＋噸水人工費＋噸水設備維修費＝0.57 元。

6 結(jié)語

JC 一體化水處理系統(tǒng)成功運行后，采區(qū)中央水倉、水路沿途、水溝、東翼大巷沉淀池等的清理任務可基本省去或大幅減輕；地表污水處理廠的負荷大幅降低，藥劑使用量降低60%以上；抽水泵的使用壽命顯著延長；鉆孔水不帶壓力的工作面，生產(chǎn)用水可實現(xiàn)循環(huán)利用，極大地降低污水處理成本，避免地表煤泥對環(huán)境的污染，保障煤礦的安全和綠色生產(chǎn)，在集團內(nèi)部甚至全國范圍內(nèi)都有推廣價值，可取得良好的經(jīng)濟效益和社會環(huán)境效益■