煤礦井下礦井水處理工藝的探索

徐 京，王雨晨，駱祥波，史 強(qiáng)，邸衛(wèi)猛，劉軍明

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273512；2.中煤(北京)環(huán)保工程有限公司，北京 100013)

全面貫徹落實(shí)新發(fā)展理念和黨中央國(guó)務(wù)院決策部署，建設(shè)生態(tài)礦山、綠色礦山，已是煤礦未來發(fā)展的大方向。煤礦礦井水作為煤礦主要污染物之一，其主要來源于受開采影響而進(jìn)入巷道的地下水。相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每開采1 t煤產(chǎn)生2 t礦井水，每年產(chǎn)生的礦井水資源總量約為68.9億m3，但平均利用率僅為35%。

因此，建設(shè)高效、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的礦井水處理站已是煤礦生產(chǎn)中不可或缺的一環(huán)。隨著礦井外排標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升、地面空間的不足，以及礦井水升井產(chǎn)生的一系列費(fèi)用，如何充分利用井下空間，減少升井水量，提升產(chǎn)水標(biāo)準(zhǔn)，已是煤礦未來發(fā)展的重要課題。

1 井下礦井水處理站的優(yōu)點(diǎn)

隨著國(guó)家對(duì)煤礦礦井排水標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)指標(biāo)要求日趨嚴(yán)格，煤炭生產(chǎn)企業(yè)對(duì)礦井水處理的需求不斷擴(kuò)大。傳統(tǒng)的煤礦礦井水處理流程是將井下集中的礦井水提升至地面礦井水處理站，再進(jìn)行集中處理。傳統(tǒng)的地面處理站存在著諸多的問題，具體表現(xiàn)為：

(1)礦井水首先集中至污水倉(cāng)后，再提升至地面預(yù)沉池，井下清倉(cāng)工作強(qiáng)度大；

(2)原水中含大顆粒懸浮物，對(duì)排水泵、閥磨損嚴(yán)重；

(3)占用大量地面空間；

(4)對(duì)地面及周邊區(qū)域負(fù)面影響大；

(5)出水效果受氣候環(huán)境因素影響。

如在井下建設(shè)礦井水處理站，可規(guī)避上述問題，實(shí)現(xiàn)清水入倉(cāng)、清水升井；并且無(wú)需開挖新硐室，利用原有廢舊巷道建設(shè)即可，可大幅降低建設(shè)費(fèi)用。

2 井下礦井水處理站的主要工藝

由于礦井水處理站建設(shè)于井下巷道之中，對(duì)使用工藝裝備的寬度、高度均有一定限制，傳統(tǒng)使用的迷宮斜板沉淀工藝、平流式沉淀池工藝、高效旋流工藝，均對(duì)空間的面積及高度有一定的要求，井下狹小的空間無(wú)法滿足其布置條件要求，現(xiàn)階段重介速沉、磁分離水、直濾等工藝均可滿足井下的布置要求。

2.1 重介速沉水處理工藝

重介速沉水處理工藝采用了“微砂絮凝循環(huán)技術(shù)”，為20世紀(jì)90年代由法國(guó)Velioa集團(tuán)率先開發(fā)并投入使用。原理為，在絮凝-凝聚階段投加微砂作為絮體的內(nèi)核，通過增加絮凝反應(yīng)核心來促進(jìn)對(duì)污染物顆粒的吸附，使絮凝體迅速成長(zhǎng)，同時(shí)增加絮凝體的密實(shí)程度，從而加快絮凝體的沉降。處理量為400 m3/h的設(shè)備尺寸為l×w×h=9.48m×3.6m×3.36m，滿足井下巷道空間要求。工藝流程為：原水首先進(jìn)入利用井下巷道設(shè)置的調(diào)節(jié)池，通過提升泵提升進(jìn)入重介速沉設(shè)備，產(chǎn)水根據(jù)回用排放要求進(jìn)一步處理后，進(jìn)入清水倉(cāng)[1]。

工藝優(yōu)點(diǎn)：

(1)占地面積小，處理量為400 m3的設(shè)備占地面積不超過35 m2；

(2)耐沖擊能力強(qiáng)，當(dāng)出現(xiàn)進(jìn)水懸浮物大幅波動(dòng)時(shí)，也可保證出水質(zhì)量；

(3)集成化設(shè)備，電氣設(shè)備較少，構(gòu)筑物較少；

(4)加藥量較少，聚合氯化鋁(PAC)加藥量為80～120 μL/L，聚丙烯酰胺(PAM)加藥量為0.5～1.0 μL/L。

工藝缺點(diǎn)：

(1)需配合后續(xù)處理工藝以提高精度，工藝流程相對(duì)較長(zhǎng)；

(2)不易進(jìn)行擴(kuò)展；

(3)需要加藥，井下勞動(dòng)強(qiáng)度較大；

(4)電氣設(shè)備較多，出現(xiàn)故障率相對(duì)較高；

(5)出水水質(zhì)相對(duì)較差，僅可保證在30 mg/L，根據(jù)外排回用標(biāo)準(zhǔn)，可能需配套后續(xù)處理工藝。

2.2 磁分離水處理工藝

磁分離水處理工藝采用(絮凝+吸附)的原理，通過加磁種和混凝劑，使懸浮物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。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離；分離出來的磁種由磁鼓吸附回收，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用[2]。由于設(shè)備可分體布置且無(wú)沉淀區(qū)，可滿足井下巷道空間要求。其工藝流程與重介速沉工藝相同，首先進(jìn)入利用井下巷道設(shè)置的調(diào)節(jié)池，通過提升泵提升進(jìn)入磁分離工藝的混凝段后，進(jìn)入分離機(jī)；產(chǎn)水根據(jù)回用排放要求進(jìn)一步處理后，進(jìn)入清水倉(cāng)。

工藝優(yōu)點(diǎn)：

(1)占地面積小，可根據(jù)空間分體布置；

(2)處理效率高。

工藝缺點(diǎn)：

(1)需配合后續(xù)處理工藝提高精度，工藝流程相對(duì)較長(zhǎng)；

(2)不易進(jìn)行擴(kuò)展；

(3)需要加藥，且加藥量較大，PAC加藥量為120～150 μL/L，PAM加藥量為1.5～3.0 μL/L，井下勞動(dòng)強(qiáng)度較大；

(4)電氣設(shè)備較多，故障率相對(duì)較高；

(5)出水水質(zhì)相對(duì)較差，僅可保證在30 mg/L，可能需配套后續(xù)處理工藝，才能達(dá)到外排回用標(biāo)準(zhǔn)；

(6)運(yùn)行費(fèi)用較高。

2.3 直濾工藝

直濾工藝以柔性陶瓷膜作為膜元件，過濾精度為0.1 μm，通過膜表面的細(xì)小空隙進(jìn)行過濾。單只15 m2的標(biāo)準(zhǔn)膜組的產(chǎn)水量為1～1.5 m2。處理能力為100 m3/h的直濾設(shè)備尺寸為l×w×h=4.8m×3.2m×2.4m，可滿足井下巷道空間要求。同時(shí)，直濾工藝精度高，無(wú)需配套后續(xù)工藝，可完全滿足大部分回用排水的懸浮物濃度限制的要求。其工藝流程為：首先進(jìn)入利用井下巷道設(shè)置的調(diào)節(jié)池，通過提升泵提升進(jìn)入直濾裝置，出水便可直接進(jìn)入清水倉(cāng)。

工藝優(yōu)點(diǎn)：

(1)占地面積較小，處理能力為100 m2的設(shè)備占地面積為15.36 m2；

(2)工藝流程簡(jiǎn)單，無(wú)需配套工藝提高精度；

(3)出水水質(zhì)好，出水懸浮物質(zhì)量濃度可控制在5 mg/L以內(nèi)；

(4)無(wú)需添加PAC、PAM藥劑，運(yùn)行費(fèi)用低；

(5)耐沖擊能力強(qiáng)，當(dāng)出現(xiàn)進(jìn)水懸浮物大幅波動(dòng)時(shí)，通過加大錯(cuò)流量的手段，可保證出水質(zhì)量達(dá)到反滲透進(jìn)水水質(zhì)，直接代替(沉淀—多介質(zhì)過濾—超濾)組合工藝；

(6)模塊化設(shè)計(jì)，構(gòu)筑物少，安裝方便，擴(kuò)展方便。

工藝缺點(diǎn)：

(1)組件設(shè)備較多；

(2)PLC程序較為復(fù)雜；

(3)需提供一定量的壓縮空氣。

3 三種工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，采用傳統(tǒng)絮凝沉淀工藝的重介速沉水處理設(shè)備及磁分離水處理工藝技術(shù)更為成熟且案例工程較多，但與新技術(shù)的直濾工藝相比，優(yōu)勢(shì)并不突出。直濾工藝具備的無(wú)需加藥、模塊化等優(yōu)勢(shì)，適合井下安裝及使用。

由于近幾年水資源保護(hù)相關(guān)的政策標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求日益嚴(yán)格，煤礦所在地區(qū)及涉及的流域不同，采用的排放標(biāo)準(zhǔn)也不同，其中多數(shù)地區(qū)執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)或GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)。部分地區(qū)執(zhí)行地方標(biāo)準(zhǔn)，如山東地區(qū)執(zhí)行《山東省流域水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的地方標(biāo)準(zhǔn)。上述規(guī)定對(duì)出水懸浮物質(zhì)量濃度要求更為嚴(yán)格，一般要求在10～20 mg/L，傳統(tǒng)的絮凝沉淀工藝已無(wú)法滿足礦井污水處理的需要，如添加后續(xù)高精度處理設(shè)施，無(wú)疑將增加井下處理的困難與勞動(dòng)強(qiáng)度。而直濾工藝的處理精度為0.1 μm，出水懸浮物低于5 mg/L，滿足礦井處理需要。

綜上所述，為適應(yīng)更加嚴(yán)格的水處理和排放標(biāo)準(zhǔn)要求，節(jié)約煤礦廠區(qū)地面空間，在井下巷道中布置直濾工藝是未來礦井水處理的趨勢(shì)。

4 直濾工藝應(yīng)用實(shí)例

4.1 項(xiàng)目概況

實(shí)施位置于兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦井下水處理巷道內(nèi)，原工藝為(迷宮斜板沉淀池+多介質(zhì)過濾器)組合工藝，現(xiàn)拆除多介質(zhì)過濾器，并將原多介質(zhì)過濾器巷道作為直濾設(shè)備巷道；進(jìn)水由新增設(shè)于調(diào)節(jié)池的提升泵提升至直濾設(shè)備，出水直接進(jìn)入清水倉(cāng)，整體布置形式呈“L”型。

4.2 原工藝存在的問題

4.2.1 出水無(wú)法滿足要求

原工藝為迷宮斜板處理工藝，出水懸浮物質(zhì)量濃度常在50 mg/L左右，無(wú)法滿足外排標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)行提標(biāo)改造。同時(shí)，由于煤礦進(jìn)水量波動(dòng)較大，預(yù)沉調(diào)節(jié)池較小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)水質(zhì)調(diào)節(jié)作用；同時(shí)，反應(yīng)池池容較小且無(wú)攪拌，水量增大的情況下流速較快，混凝效果不充分，導(dǎo)致迷宮斜板濾池處理效果不佳，大量輕質(zhì)懸浮物影響出水水質(zhì)。

4.2.2 井下加藥存在一定的困難

不同于井上的工作環(huán)境，井下由于空間狹小，PAC、PAM藥劑的運(yùn)輸、儲(chǔ)藏、使用均存在一定的困難，按照PAC投加量為150 mg/L，PAM投加量為2 mg/L，進(jìn)水量為10 000 m3/d計(jì)算，每日需投加PAC量為1 500 kg/d，投加PAM量為20 kg/d，勞動(dòng)強(qiáng)度極大。

4.2.3 自動(dòng)化程度較低

由于需人工投加PAC、PAM藥劑，并手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)藥量，整體工藝的自動(dòng)化程度不高，由于井下存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，在運(yùn)行階段如何使用更少的人工，是井下水處理的方向。

4.3 工藝流程說明

井下來水進(jìn)入原有沉砂池后，經(jīng)新增提升泵提升輸送至直濾裝置進(jìn)行過濾。直濾系統(tǒng)錯(cuò)流水返回原有沉砂池，直濾產(chǎn)水則直接排放至水倉(cāng)。直濾系統(tǒng)采用氣、水洗反沖洗，沖洗排水排至原污泥暫存池后，通過原設(shè)計(jì)在池底的污泥泵打入原污泥濃縮池，濃縮后的污泥進(jìn)入板框壓濾機(jī)，出料后外運(yùn)。見圖1。

圖1 礦井水處理工藝流程

4.4 進(jìn)水水質(zhì)

兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦井下進(jìn)水懸浮物參考附近煤礦。礦井水主要來源于東西南北翼四個(gè)工作面，東西北翼工作面高于井下礦井水處理站平面，自流進(jìn)入調(diào)節(jié)池內(nèi)，南翼工作面低于井下礦井水處理站平面，需定時(shí)使用排污泵提升至調(diào)節(jié)池。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，南翼工作面較東西北翼工作面排水懸浮物較高，同時(shí)當(dāng)井下進(jìn)行噴水降塵、設(shè)備清洗等工作時(shí)，進(jìn)水水質(zhì)較差，進(jìn)水懸浮物濃度將大幅攀升。礦井來水中總礦化度較高，但來水硬度較低，膜系統(tǒng)較難出現(xiàn)結(jié)垢狀況。

4.5 改造方案

將原有多介質(zhì)過濾器拆除，并在拆除后巷道布置5臺(tái)直濾設(shè)備及其配套設(shè)備，總產(chǎn)水量為500 m3/h。由于原系統(tǒng)需要保留，因此在現(xiàn)沉砂池布置直濾設(shè)備提升泵6臺(tái)，5用1備，保證實(shí)現(xiàn)泵與直濾設(shè)備1對(duì)1配水。直濾設(shè)備產(chǎn)水通過原有產(chǎn)水管道進(jìn)入清水倉(cāng)，直濾設(shè)備錯(cuò)流水經(jīng)地溝回到前端沉砂池，排污水進(jìn)入原污泥暫存池，通過污泥暫存池底部的原污泥提升泵，提升至污泥濃縮池濃縮后，再通過原有進(jìn)料泵進(jìn)入板框壓濾機(jī)，進(jìn)一步濃縮。

4.6 經(jīng)濟(jì)效益分析

礦井水直濾處理技術(shù)和智能集成化設(shè)備已在東灘煤礦井下進(jìn)行安裝，目前正在進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。項(xiàng)目成功后，對(duì)實(shí)現(xiàn)礦井水處理站自動(dòng)化安全生產(chǎn)、減少地下和地面空間、節(jié)省基建投資、縮短工藝流程、降低運(yùn)行費(fèi)用將有顯著成效。

4.6.1 節(jié)約電費(fèi)

現(xiàn)有井下礦井水處理電耗：252.75kW×24h×365d×0.72元/(kW·h)=159.41萬(wàn)元/a。預(yù)計(jì)改造后井下礦井水處理電耗：199.74kW×24h×365d×0.72元/(kW·h)=125.98萬(wàn)元/a。故每年可節(jié)省電費(fèi)33.43萬(wàn)元/a。

4.6.2 節(jié)約藥劑費(fèi)用

現(xiàn)有系統(tǒng)處理能力6 000 m3/d，則現(xiàn)有井下礦井水處理絮凝劑費(fèi)用：0.33元/m3×6000m3/d×365d=72.27萬(wàn)元/a。由于直濾系統(tǒng)無(wú)需投加絮凝劑，而清洗所需化學(xué)藥劑很少，藥劑費(fèi)用也可忽略不計(jì)，故每年可節(jié)約藥劑費(fèi)用72.27萬(wàn)元/a。

4.6.3 節(jié)約人工費(fèi)用

現(xiàn)有系統(tǒng)處理能力6 000 m3/d，則現(xiàn)有井下礦井水處理人工費(fèi)用(暫按每班2人，四班三運(yùn)轉(zhuǎn)考慮)：10萬(wàn)元/(人·a)×8人=80萬(wàn)元/a；直濾系統(tǒng)處理能力6 000 m3/d，井下礦井水處理人工費(fèi)用(暫按每班1人，四班三運(yùn)轉(zhuǎn)考慮)：10萬(wàn)元/(人·a)×4人=40萬(wàn)元/a；故每年可節(jié)省人工費(fèi)40萬(wàn)元/a。

4.6.4 節(jié)約其他費(fèi)用

預(yù)計(jì)每年節(jié)約清倉(cāng)費(fèi)用20萬(wàn)元，井下提升能耗費(fèi)用80萬(wàn)元。

根據(jù)上述分析，東灘煤礦實(shí)施礦井水井下處理站改造后，全年預(yù)計(jì)可節(jié)約243.7萬(wàn)元/a，其中電費(fèi)可節(jié)約33.43萬(wàn)元/a；藥劑費(fèi)減少72.27萬(wàn)元/a；人工費(fèi)可節(jié)約40萬(wàn)元/a。具體經(jīng)濟(jì)效益如表1所示。

表1 經(jīng)濟(jì)效益 萬(wàn)元/a

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》(國(guó)發(fā)〔2012〕3號(hào))、《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》水十條等嚴(yán)格的水處理管控意見的推行，礦井水在井下如何高效處理、利用，成為煤礦的一大主要課題。

建設(shè)井下礦井水處理站作為未來礦井水處理的趨勢(shì)，通過合理運(yùn)用井下巷道的空間，實(shí)現(xiàn)煤礦環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益的雙重提升。