礦井水凈化后的煤泥水減量化研究與應(yīng)用

高 杰，王 健

(1.中煤科工集團杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201；2.淄礦集團陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽713600)

0 引 言

礦井水是煤炭工業(yè)在地下開采過程中產(chǎn)生的一種特殊行業(yè)廢水，其水中的固體污染物以煤粉、巖粉為主，并伴有少量石油類物質(zhì)，不經(jīng)過處理無法直接利用[1-2]。國內(nèi)目前的礦井水凈化處理工藝基本都以給水處理理論為主，基于物料平衡原理，在以去除懸浮物為目的的礦井水凈化處理系統(tǒng)中，若想獲得良好的凈化效果，系統(tǒng)必須實時排放相應(yīng)固體總量的煤泥水，否則整個礦井水凈化處理系統(tǒng)會失去平衡，影響系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。由于礦井水的水質(zhì)特征，礦井水凈化處理產(chǎn)生的煤泥水量往往很大，礦井水中的懸浮物含量越高，其產(chǎn)生的煤泥水量就越大，這在當前水處理系統(tǒng)實施閉路循環(huán)及以人為本的發(fā)展理念下，就對煤泥水處理系統(tǒng)提出了快速、高效和減量化的技術(shù)要求。脫水處理作為常規(guī)的煤泥水處理方法，可以將煤泥水變?yōu)槊耗?。由于煤泥本身就具有一定的發(fā)熱量，越高含固率和煤含量的煤泥泥餅，其資源化回收利用價值也就越高。在此背景下，將礦井水凈化處理過程中的煤泥減量化具有十分重要的現(xiàn)實意義，也是今后礦井水凈化處理領(lǐng)域中煤泥水處理技術(shù)的發(fā)展趨勢。

目前,煤泥減量化的關(guān)鍵就是對煤泥水進行脫水，其核心是通過壓濾的形式進行壓濾脫水，基本原理是將濾板作為過濾介質(zhì)的支撐，利用濾布兩側(cè)的壓力差作為驅(qū)動力，使得液體被動過濾，而固體物質(zhì)被截留的過程。根據(jù)壓濾的方式不同可以分為低壓脫水和高壓脫水，低壓脫水包括離心壓濾機和帶式壓濾機，高壓脫水包括板框壓濾機和隔膜式壓濾機[3-4]。

離心壓濾機主要通過離心力作用將泥漿甩至轉(zhuǎn)轂壁上進行脫水。該壓濾機工作中噪聲較大，并且能耗較高，最終泥餅的含水率在75%以上[5-6]，處理的質(zhì)量并不理想，實際工程中應(yīng)用相對其它壓濾機較少。

帶式壓濾機主要是通過濾布帶對污泥擠壓實現(xiàn)污泥的脫水。該壓濾機整體受煤泥水處理量的影響較小，操作簡單，處理的速度較快，但最終煤泥含水率高達80%～85%[7-8]，處理效果一般。

板框式壓濾機的主要原理是通過濾板的擠壓將水排出，并通過濾布過濾污泥以實現(xiàn)脫水。該壓濾機的處理效果較好，濾餅的含水率較低，一般在65%以下，因此廣泛被污水處理廠采用，但是板框式壓濾機產(chǎn)能有限，并且自動化程度較低，需專人定時看管[9-10]。

隔膜式壓濾機的主要原理是利用隔膜濾板、濾板和濾布組成可變?yōu)V室對流體進行壓榨脫水，進而獲取濾餅，壓榨時間一般在10～15 min，濾餅的含水率一般小于55%，最高可降至30%以下[11-12]。此外該壓濾機具有耐化學(xué)腐蝕性能、維修方便、生產(chǎn)安全等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于化工固液分離的各個領(lǐng)域。

本研究基于隔膜壓濾機的優(yōu)勢，對陜西某礦礦井水的煤泥水開展減量化、資源化研究與工程應(yīng)用，以期為同類工程提供參考。

1 工程化應(yīng)用問題

陜西某煤礦礦井水凈化處理廠設(shè)計礦井水處理規(guī)模為4 000 m3/h，主體工藝采用的是給水處理理論中的澄清和過濾技術(shù)。受井下水倉容積、開采方式及地質(zhì)構(gòu)造特征等因素影響，該礦目前礦井水中的懸浮物含量較高，一般在3 000 mg/L左右，高峰時的懸浮物甚至達到了15 000 mg/L，如此高濃度懸浮物的礦井水每天在凈化處理過程中產(chǎn)生了大量的煤泥水。最初，由于該礦選煤廠未正式達產(chǎn)，余量大，為節(jié)省投資，這些煤泥水送至選煤廠進行合并處理，但隨著選煤廠運行負荷日漸提高，以及大量低含固率煤泥水帶來的水質(zhì)沖擊，目前選煤廠的煤泥水處理系統(tǒng)已經(jīng)不堪重負，在此背景下，必須對煤泥水進行單獨處理，保障礦井水凈化處理的出水水質(zhì)環(huán)保要求和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 工程規(guī)模及方法

2.1 工程規(guī)模

礦井水凈化處理產(chǎn)生的煤泥水主要來自初沉池、調(diào)節(jié)池和澄清池，并最終匯入儲泥池儲存。以礦井水凈化處理中涉及到的排泥構(gòu)筑物的實際運行參數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)礦井水進水規(guī)模、凈水劑投加量(PAC和PAM分別按50 mg/L、1.0 mg/L計)、設(shè)計進出水水質(zhì)等進行物料平衡分析，最終確定了煤泥水處理規(guī)模為9 760 m3/d，含固率約2.94%。物料平衡分析及計算如圖1所示。

圖1 物料平衡分析及計算Fig.1 Mass balance analysis and calculation

2.2 工程方法

針對礦井水凈化處理煤泥水體量大、粒度分布不均勻的水質(zhì)特點，并基于煤泥水減量化的使用要求，煤泥水處理系統(tǒng)采用微濾+機械濃縮+快速隔膜壓濾的組合工藝。煤泥水處理工藝流程如圖2所示。

來自礦井水凈化處理系統(tǒng)中初沉池和調(diào)節(jié)池的煤泥水，首先經(jīng)微濾去除大粒徑顆粒物后，與來自澄清池絮凝沉淀的煤泥水一同進入儲泥池，利用澄清池煤泥水的絮凝特性進行初步絮凝反應(yīng)，之后煤泥水通過原煤泥提升泵提升，提升期間煤泥水與高分子助凝劑充分混合，并進入煤泥濃縮池內(nèi)進行二次絮凝反應(yīng)。煤泥濃縮池的上清液溢流至礦井水凈化處理系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)池，底流經(jīng)入料泵提升至快速隔膜壓濾機進行固液分離，并通過礦內(nèi)選煤廠空壓機組引進的壓縮空氣進行二次壓榨和吹脫，進一步降低煤泥泥餅的含水率和壓榨周期。壓濾后的濾出液自流返回調(diào)節(jié)池，煤泥泥餅在達到了選煤廠進料含固率不低于70%的使用要求后，不落地直接裝車運走。

以上工藝過程中，煤泥水脫水處理系統(tǒng)主要由大顆粒去除單元、高分子助凝劑投加單元、濃縮單元以及壓濾單元組成。

2.2.1 大顆粒去除單元

大顆粒去除單元的設(shè)立一方面是基于大顆粒物質(zhì)的存在不利于最終泥餅的成形，另一方面是基于隔膜壓濾機的進料粒度不超過1 200 μm的要求。大顆粒去除單元主要采用的是微濾去除技術(shù)，具體針對礦井水處理系統(tǒng)中來自初沉池和調(diào)節(jié)池的大粒徑顆粒物，多為大粒徑的煤粉。去除的大粒徑煤粉直接送至選煤廠回用。

微濾機安裝在儲泥池池頂，設(shè)計數(shù)量1臺，處理流量250 m3/h，滾筒直徑1 m，功率2.2 kW。

2.2.2 高分子助凝劑投加單元

采用陽離子高分子助凝劑聚丙烯酰胺(C-PAM)進行煤泥水的化學(xué)調(diào)理，C-PAM與原煤泥提升泵PLC聯(lián)動控制，實現(xiàn)不同流量下的C-PAM自動投加。為增加煤泥水的濃縮效果，C-PAM投加點設(shè)置在機械濃縮入口管路上，通過混合裝置進行混合反應(yīng)后，在機械濃縮池內(nèi)有充分的絮凝反應(yīng)時間。

C-PAM投加單元由自動泡藥機和投加計量泵組組成。自動泡藥機設(shè)置在礦井水凈化處理站加藥間內(nèi)，共2臺，水平式三槽一體(混合槽、調(diào)勻槽、儲存槽)連續(xù)式配制，單臺最大制備能力3 000 L/h，配置濃度在1‰～2‰；投加計量泵采用米頓羅GB系列機械隔膜計量泵，共3臺，單臺參數(shù)：Q=1 800 L/h，H=3 bar，N=0.75 kW。

C-PAM混合裝置采用靜態(tài)管式混合器，玻璃鋼材質(zhì)，為防止C-PAM因快速混合而使分子鏈降解，影響絮凝性能，管式混合器設(shè)計采用了兩片式結(jié)構(gòu)。

2.2.3 濃縮單元

煤泥水濃縮是煤泥水減量化處理的第一道工序，可有效提高煤泥水的底流濃度，減小后續(xù)煤泥水壓濾單元的運行負荷。濃縮單元由煤泥濃縮池、池底與入料泵房連接的檢修巷道組成。

煤泥濃縮池設(shè)計兩座，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，濃縮形式為輻流式，單池直徑18.0 m，池周邊深3.2 m，池底放坡8.5°，煤泥固通量16.1 kg/(m2·d)，液面負荷0.8 m3/(m2·h)，水力停留時間3.8 h。池內(nèi)設(shè)兩臺選煤用的中心傳動提耙式濃縮機，單臺濃縮機功率5.5 kW，扭矩大，能夠有效防止池底積泥板結(jié)和后續(xù)管路、水泵的堵塞。

濃縮池池底檢修巷道，其斷面尺寸2.0 m(B)×2.2 m(H)，進入口設(shè)在煤泥壓濾機房地下入料泵房內(nèi)。

2.2.4 壓濾單元

壓濾單元是煤泥水處理系統(tǒng)的最后一道工序和關(guān)鍵處理單元，主要由壓濾機、入料泵、二次氣榨系統(tǒng)以及配套建設(shè)的入料泵房、煤泥壓濾機房等組成。其中二次氣榨系統(tǒng)利用選煤廠現(xiàn)有設(shè)備。

(1)壓濾機

壓濾機是實現(xiàn)煤泥水脫水和減量化的核心設(shè)備，設(shè)計采用了在選煤行業(yè)應(yīng)用較多，效果較好的KZG550/2000-U型高效快速隔膜壓濾機。

KZG550/2000-U型高效快速隔膜壓濾機是在傳統(tǒng)廂式壓濾機的基礎(chǔ)上開發(fā)出的一種間歇性操作的雙向進料設(shè)備，如圖3所示。高效快速隔膜壓濾機主要由機架、自動拉板系統(tǒng)、隔膜濾板、液壓泵站、電氣控制部分以及配套的氣動閥組和管配件等組成。

高效快速隔膜壓濾機的工作過程包括以下幾個階段：壓緊板進、鎖定缸出、濾板壓緊、料泵啟動、料泵停止、濾板松開、鎖定缸回、壓緊板退、尾部拉板和中部拉板。其工作原理為：由液壓站提供動力，將所有濾板沿主梁移動、合攏壓緊在活動頭板和固定尾板之間，使相鄰濾板間形成封閉濾室；然后啟動入料泵，將煤泥水加壓，使其從兩個入料口(止推端和壓緊端)進入濾室；在所有濾室充滿煤泥水后開始壓濾。煤泥水通過入料泵的壓力進行固液分離，煤泥在濾室內(nèi)形成濾餅，濾液則透過濾布從濾板的水嘴排出；初步形成濾餅后，再向隔膜板內(nèi)通人高壓空氣吹動隔膜，使濾餅進行二次脫水；最后隔膜濾板通過數(shù)次拉板快速卸料，完成一個壓濾循環(huán)。

KZG550/2000-U型高效快速隔膜壓濾機設(shè)計共3臺，單臺設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，該壓濾機的進水懸浮物顆粒需大于800 μm。

表1 隔膜壓濾機主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of diaphragm filter press

高效快速隔膜壓濾機安裝在煤泥脫水車間二層，壓濾后的泥餅不落地直接運至選煤廠。煤泥脫水車間為二層框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計尺寸為16.24 m(L)×15.24 m(B)×12.00 m(H)。

(2)入料泵

入料泵為高效快速隔膜壓濾機提供原始壓榨動力，基于煤泥水水質(zhì)特點及高效快速隔膜壓濾機的工作原理，入料泵選用了壓濾專用渣漿泵，該泵具有耐磨耐腐蝕、軸封泄露率低的機械特點，其工作曲線與壓濾機運行工況能夠很好的匹配，無需進行變頻控制。入料泵設(shè)計6臺，3用3備，單臺參數(shù)為Q=70～280 m3/h，H=30～80 m，N=90 kW。

入料泵安裝在煤泥脫水車間的地下入料泵房內(nèi)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平面尺寸為15.76 m×15.76 m，深4.2 m。

3 應(yīng)用效果分析與討論

3.1 懸浮物粒徑分析及影響

煤泥水中的主要成分煤泥來自于礦井水中的懸浮物，主要包括煤粉和巖粉。有研究表明顆粒物的粒徑對最終煤泥餅的含水率會產(chǎn)生較大的影響，粒度越細脫水難度越大[13]，因此對煤泥水中懸浮物的粒徑進行分析很有必要。

采用不同目數(shù)的篩網(wǎng)對該礦井水處理中初沉池、調(diào)節(jié)池和澄清池的沉積煤泥逐級篩分以進行粒度分析，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，該煤礦礦井水處理初沉池煤泥的粒徑60%以上都在25～150 μm之間，平均粒徑為145.1 μm，最大粒徑在1 400 μm以上；調(diào)節(jié)池煤泥的粒徑同樣有60%以上都在25～150 μm范圍之間，平均粒徑要較初沉池小，為103.2 μm，最大粒徑在830～1 000 μm之間；澄清池煤泥的粒徑分布較為平緩，平均粒徑為91.9 μm，并且小范圍的粒徑質(zhì)量占比明顯增加。

圖4 礦井水處理初沉池、調(diào)節(jié)池和澄清池煤泥粒徑Fig.4 Particle sizes of coal slime in the primary sedimentation tank,regulating tank and clarifier for mine water treatment

粒徑分析結(jié)果表明，在初沉池和調(diào)劑池中沉淀的煤泥粒徑要比后續(xù)澄清池中加藥沉淀的煤泥粒徑大，并且存在粒徑大于830 μm的大直徑顆粒物。一旦壓濾機進料液中存在粒徑較大(>900 μm)的顆粒物，小顆粒便容易透過濾餅，最終導(dǎo)致濾餅含固率下降，濾液的濁度偏高[14]。此外三個池煤泥水中小于45 μm的煤泥均占據(jù)20%以上，有研究表明此類煤泥由于粒徑過小，壓濾效果較差，形成的濾餅將不利于內(nèi)部水分的滲透，壓濾時間過長，產(chǎn)能將會降低[15]。

3.2 微濾目數(shù)的影響

采用微濾處理初沉池和調(diào)節(jié)池的煤泥水(懸浮物含量在3 000 mg/L左右)，微濾濾網(wǎng)的目數(shù)為16、18、20、24、28目，C-PAM投加量為15 mg/L，壓濾時間為40 min，研究濾網(wǎng)目數(shù)對大顆粒的去除效果及壓濾濾餅含固率的影響，以及濾網(wǎng)目數(shù)與能耗的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 大顆粒去除效果及濾餅含固率Fig.5 Removal effect of large particles and solid content of filter cake

從圖中可以看出，隨著微濾濾網(wǎng)目數(shù)的增大，濾除液中大于830 μm的顆粒不斷變少，并且最終濾餅的含固率不斷上升。當濾網(wǎng)目數(shù)為20目時，大于830 μm顆粒去除率達到95%以上，并且濾餅的含固率也達到73.5%。此外，隨著微濾目數(shù)自16目增加至20目，微濾過程的電耗呈現(xiàn)緩慢增加，當目數(shù)超過20目時，電耗的增加趨勢迅速增大。因此基于煤泥水的處理要求以及能耗的考量，微濾段選擇濾網(wǎng)目數(shù)為20目。

3.3 高分子有機絮凝劑投加量的影響

研究表明通過添加高分子絮凝劑可以使得微細顆粒形成較粗的顆粒，能提高濾餅的松散度與水的透過性能，增加脫水的效率[16]。

根據(jù)礦井水凈化處理排放煤泥水的組成成分及水質(zhì)特性，高分子助凝劑采用了C-PAM，其分子量1 000萬，離子度為30%，外觀為白色顆粒狀。儲泥池出水中添加C-PAM，壓濾時間為40 min，研究C-PAM添加量對<45 μm顆粒的去除及最終泥餅含固率的影響，如圖6所示。

圖6 小顆粒去除效果及濾餅含固率Fig.6 Removal effect of small particles and solid content of filter cake

從圖中可以看出，隨著C-PAM添加量的增大，煤泥水中<45 μm的顆粒物逐漸絮凝消失，泥餅的含固率不斷增加。當C-PAM的添加量為15 mg/L時，<45 μm顆粒物的去除率達到96.6%，泥餅的含固率達到71.3%。因此C-PAM的最佳添加量為15 mg/L，換算后投加量按煤泥絕干量的0.5‰計，即C-PAM干粉投加量為5.98 kg/h。

3.4 壓濾時間的影響

初沉池和調(diào)節(jié)池的煤泥水經(jīng)20目微濾處理進入儲泥池，儲泥池出水中添加C-PAM 15 mg/L，之后進行不同時間的壓濾，研究壓濾時間對泥餅含固率的影響，如圖7所示。

圖7 調(diào)試期間壓榨時間對泥餅含固率的影響Fig.7 Effect of pressing time on solid content of mud cake during commissioning

從圖中可以看出，隨著壓榨時間的增加，泥餅的含固率呈現(xiàn)上升趨勢；對于礦井水懸浮物為2 000、3 000和5 000 mg/L的原水，對應(yīng)煤泥水分別在壓榨時間為30、35和40 min時達到含固率70%以上。因此，基于選煤廠對泥餅含固率的高要求(不低于70%)，最終確定了以下兩種運行方案：①在礦井水進水懸浮物不超過3 000 mg/L時，煤泥水壓榨時間不低于40 min；②當?shù)V井水進水懸浮物超過5 000 mg/L時，煤泥水壓榨時間不低于30 min。

3.5 運行過程及效果

高效快速隔膜壓濾機的壓濾液除最開始的幾秒出水發(fā)黑外，隨后的壓濾液出水濁度經(jīng)檢測均小于10 NTU。

項目于2019年5月上旬正式投產(chǎn)運行，連續(xù)8個月的具體運行數(shù)據(jù)如圖8所示。運行效果表明，項目工程能持續(xù)穩(wěn)定的每天為選煤廠提供含固率不低于70%的泥餅，以煤泥水含固率設(shè)計值計算，整體工藝煤泥減排率達到90%以上。5月上旬產(chǎn)泥量為400噸左右，在5月下旬，受礦井水來水水質(zhì)惡化影響，煤泥水處理系統(tǒng)曾連續(xù)三天出泥超過800噸，之后隨著水質(zhì)的波動產(chǎn)泥量均有不同程度的波動。煤泥水所生產(chǎn)的煤泥餅同樣可以提供熱值，預(yù)計每天可以帶來9萬元左右的經(jīng)濟效益，進而減少整體工藝的運行成本。

圖8 2019年投產(chǎn)后工藝運行效果Fig.8 Process operation effect after putting into operation in 2019

3.6 與其它泥水處理的比較

本文工藝投產(chǎn)使用后達到了煤泥水減量化的目的，并且產(chǎn)生的煤泥餅可以回收利用，本工藝技術(shù)與其它同類型的泥水處理對比如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可知本文所采用的工藝無論是最終泥餅的含固率還是泥減排率均要高于其它類型的工藝，可見本工藝的優(yōu)勢，可以為同類工程問題提供了借鑒。

表2 本工藝與其它泥水處理工藝比較Table 2 Comparison between this process and other slime water treatment processes

4 結(jié) 語

本文以陜西某煤礦煤泥水為研究對象，對其減量化進行了研究，并應(yīng)用于實際工程，主要有以下結(jié)論.

(1)原礦井水處理系統(tǒng)中初沉池、調(diào)節(jié)池和澄清池的顆粒物平均粒徑分別為145.1 μm、103.2 μm和91.9 μm，初沉池和調(diào)節(jié)池中有>830 μm的顆粒物存在，最大在1 200 μm以上，三池中超過20%的顆粒物粒徑小于45 μm。

(2)20目的微濾可有效去除>830 μm大粒徑的顆粒物，并送至選煤廠回用；通過C-PAM絮凝可以有效減少45 μm以下的顆粒物。兩者共同作用可以提升最終泥餅的含固率。

(3)進水懸浮物不超過3 000 mg/L時，煤泥水進入高效快速隔膜壓濾機壓濾時間需不低于40 min；進水懸浮物超過5 000 mg/L時，壓濾時間需不低于30 min。

(4)8個月的工程運行中，該工藝能持續(xù)穩(wěn)定的每天為選煤廠提供含固率不低于70%的泥餅，煤泥水減排量達到90%以上，每天的出泥量超過800噸。

(5)該實際工程是目前國內(nèi)礦井水處理領(lǐng)域最大的煤泥水處理系統(tǒng)，具有自動化程度高，煤泥減量突出，藥劑成本低，衛(wèi)生環(huán)境好的特點。