超磁分離水體凈化技術(shù)處理煤礦礦井水的應(yīng)用研究

龔宣亦 王哲曉 胡宇 張超

(中建環(huán)能科技股份有限公司 成都 610045)

0 引言

我國(guó)目前以懸浮物為主要去除對(duì)象的礦井水處理技術(shù)主要是混凝、沉淀、過(guò)濾等重力沉降手段。主要缺點(diǎn)是占地面積大、處理時(shí)間長(zhǎng)、處理能耗高。超磁分離水體凈化技術(shù)是目前應(yīng)用于礦井水處理的新工藝，具有占地小、出水優(yōu)、高效節(jié)能等特點(diǎn)，在礦井水處理已有規(guī)模應(yīng)用。近幾年，基于該技術(shù)的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，也有探索與其他深度處理工藝的耦合應(yīng)用，為礦井水處理站達(dá)到更高品質(zhì)的出水水質(zhì)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 超磁技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)

1.1 技術(shù)對(duì)比

礦井水通常分為潔凈礦井水、高懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水、含特殊元素礦井水[1]。潔凈礦井水因水質(zhì)較好一般僅需收集、提升、消毒，含懸浮物礦井水一般經(jīng)過(guò)混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒[2]，高礦化礦井水需要在去除懸浮物的同時(shí)進(jìn)行反滲透除鹽，酸性礦井水為投加堿性藥物中和反應(yīng)，含特殊元素礦井水就有針對(duì)性的去除該元素。傳統(tǒng)礦井水處理通常采用面臨在井下水倉(cāng)內(nèi)淤積需人工清理、排水泵易磨損等難題[3]。

傳統(tǒng)沉淀技術(shù)受井下巷道條件的限制，且因水流停留時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致了設(shè)備體積大、占地面積大、土建費(fèi)用高。超磁技術(shù)應(yīng)用磁分離的物理化學(xué)方法，具有流程短、占地少、投資省、運(yùn)行費(fèi)用低、排泥濃度高、快速去除水中懸浮物等特點(diǎn)。但設(shè)置在井下處理礦井水，節(jié)省了從井下到井上的動(dòng)力消耗，降低運(yùn)行成本，且節(jié)約能源。超磁技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 超磁分離工藝與傳統(tǒng)工藝技術(shù)對(duì)比

1.2 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

我國(guó)傳統(tǒng)煤炭礦井水處理較常見(jiàn)采用井下混凝沉淀處理后，再將污水提升上井二次處理的方法，常規(guī)的混凝沉淀工藝一般需在礦井下利用廢棄坑道修建大體積水倉(cāng)，將開(kāi)采過(guò)程中涌出的礦井水輸送至水倉(cāng)自然沉淀，其中一些污水經(jīng)沉淀后循環(huán)使用，另外的污水則由泵抽出至地面，再進(jìn)行凈化處理。但是，在礦井水的提升過(guò)程中將消耗電能，其噸水百米電耗按照設(shè)計(jì)要求為0.50 kW·h/(t·hm)，而實(shí)際運(yùn)行中多超過(guò)此百米能耗，由于礦井排水設(shè)備噸水百米電耗直接與提升水的密度有關(guān)，因此減小礦井水的密度即節(jié)省了提升能耗。

現(xiàn)有常規(guī)礦井水處理技術(shù)產(chǎn)生的煤泥是和洗煤產(chǎn)生的煤泥混合處理的，所產(chǎn)生的煤泥熱值較低，一般在2 000 kal/kg左右，而經(jīng)過(guò)超磁分離技術(shù)產(chǎn)生的煤泥直接在井下脫水成煤泥餅，其熱值高于3 670 kal/kg,較普通煤泥高88%【(3 670-2 000)/2 000×100%=88%】，其價(jià)值較高，可以單獨(dú)出售也可以混同普通煤出售。普通煤泥售價(jià)為150～200元/t,而超磁分離技術(shù)產(chǎn)生的煤泥售價(jià)為350～400元/t，即平均單價(jià)較常規(guī)煤泥高約200元/t，當(dāng)產(chǎn)生9 229.3 t煤泥時(shí)，將增加184.59萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益，其余節(jié)約費(fèi)用見(jiàn)下表2，合計(jì)每年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益401.21萬(wàn)元。

表2 經(jīng)濟(jì)效益分析 萬(wàn)元/a

2 超磁工藝原理及流程

2.1 工藝原理

煤礦礦井水超磁分離井下處理技術(shù)是一種利用永磁技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速分離的新型高效礦井水處理技術(shù)。礦井水中含煤懸浮物是不帶磁性的，通過(guò)超磁分離井下處理技術(shù)將不帶磁性的含煤懸浮物賦予磁性后由超磁分離磁盤(pán)打撈分離，具有高強(qiáng)磁能積的磁盤(pán)可產(chǎn)生大于重力640倍的磁力，瞬間產(chǎn)生吸住弱磁性物質(zhì)[4]，平行磁盤(pán)間水的過(guò)流速度可達(dá)到300～1 000 m/h，實(shí)現(xiàn)微磁絮團(tuán)與水的快速分離，水流經(jīng)過(guò)整個(gè)超磁分離機(jī)的時(shí)間<30 s，實(shí)際經(jīng)過(guò)磁盤(pán)時(shí)間<15 s。通過(guò)超磁分離機(jī)進(jìn)行快速固液分離，礦井水得到凈化；礦井水中分離出來(lái)的煤泥渣經(jīng)磁種回收循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)磁種的循環(huán)利用，產(chǎn)生高濃度的煤泥通過(guò)壓濾系統(tǒng)得到煤泥餅，直接隨礦車(chē)升井[5]。

2.2 工藝流程

礦井水經(jīng)管道收集后進(jìn)入進(jìn)水總渠，經(jīng)水砂分離器去除煤巖顆粒物、漂浮物后，自流進(jìn)入平流沉淀池，沉池內(nèi)設(shè)置桁車(chē)式刮泥機(jī)，將泥收集至池子一端后，潛水渣漿泵會(huì)將污泥定期抽排至污泥池。礦井水在平流池初步沉降后自流進(jìn)入預(yù)沉池，顆粒物在預(yù)沉池中逐級(jí)沉降，池底設(shè)置排沙泵定期抽排沉淀物至污泥池，經(jīng)過(guò)沉砂處理后的水自流進(jìn)入混凝系統(tǒng)，投加PAC、PAM和磁種使懸浮物在較短時(shí)間內(nèi)形成以磁種為核的密實(shí)絮團(tuán)，再自流進(jìn)入磁盤(pán)分離機(jī)，經(jīng)過(guò)磁盤(pán)的吸附打撈后實(shí)現(xiàn)固液分離。磁盤(pán)上的絮體通過(guò)磁分離磁鼓進(jìn)行磁種和污泥的分離，并回收磁種，回收的磁種由磁種投加泵輸送至混凝系統(tǒng)循環(huán)再利用。污泥則自流進(jìn)入中轉(zhuǎn)池，通過(guò)液位控制自動(dòng)排入污泥池，磁分離機(jī)的出水則進(jìn)入重力式精密過(guò)濾器，出水達(dá)標(biāo)后自動(dòng)進(jìn)入水倉(cāng)，精密過(guò)濾器過(guò)濾的污泥自流進(jìn)入中轉(zhuǎn)池，平流沉淀池污泥、預(yù)沉池污泥、中轉(zhuǎn)池污泥共同匯入污泥池，污泥池內(nèi)設(shè)置污泥泵，由污泥泵輸送至板框壓濾機(jī)進(jìn)行脫水，脫水后的泥餅通過(guò)皮帶輸送外運(yùn)，濾液自流至磁分離系統(tǒng)進(jìn)水渠。

3 應(yīng)用案例

3.1 陜西紅柳林礦井水處理

紅柳林礦井是國(guó)家在神府南區(qū)總體規(guī)劃確定的4對(duì)大型礦井之一，也是陜煤集團(tuán)公司與榆林市、神木縣合作開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)項(xiàng)目。井田位于陜北黃土高原北部，毛烏素沙漠之南緣。礦井地處神木縣西北15 km處，位于神木縣瑤鎮(zhèn)鄉(xiāng)、麻家塔鄉(xiāng)及店塔鄉(xiāng)交界地段。井田面積159 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量20.16億t，礦井服務(wù)年限87 a[6]。

該礦井水處理工程設(shè)計(jì)處理規(guī)模為1 400 m3/h，采取建設(shè)磁分離礦井水處理系統(tǒng)。礦井水經(jīng)匯集后進(jìn)入進(jìn)水總渠，經(jīng)水砂分離器去除水中大于2 mm漂浮物或顆粒物，出水自流進(jìn)入平流沉淀池、預(yù)沉池逐級(jí)沉降后進(jìn)入混凝系統(tǒng)，通過(guò)投加磁種、PAC、PAM形成密實(shí)絮體后，再由磁分離機(jī)實(shí)現(xiàn)固液分離，分離后的絮體進(jìn)入磁分離磁鼓進(jìn)行磁種回收，出水則經(jīng)過(guò)精密過(guò)濾器分離后排放，井下預(yù)沉階段約10 min，混凝反應(yīng)時(shí)間約3 min。該工程主要是以去除懸浮物、提升感官指標(biāo)為主，采用超磁分離凈化處理工藝，初步改善了煤礦開(kāi)采水質(zhì)情況。出水優(yōu)于《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅲ類水質(zhì)指標(biāo)限制，占用巷道長(zhǎng)度140 m，平均巷道斷面24 m2。巷道斷面24 m2，占地576 m2，SS 去除量>795.6 t/a、鐵去除量>5.8 t/a、錳去除量>0.09 t/a，運(yùn)行費(fèi)用約為0.42元/m3，2017年5月系統(tǒng)實(shí)際投入運(yùn)行后一月內(nèi)平均進(jìn)、出水水質(zhì)見(jiàn)表3，主要設(shè)備工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 紅柳林礦井水平均進(jìn)、出水指標(biāo) mg/L(pH值除外)

表4 紅柳林礦井水處理主要設(shè)備工藝參數(shù)

3.2 陜西正通高家堡煤礦礦井水處理

正通煤業(yè)高家堡礦井及選煤廠工程是國(guó)家發(fā)改委《關(guān)于陜西省彬長(zhǎng)礦區(qū)總體規(guī)劃的批復(fù)》中規(guī)劃的大型現(xiàn)代化礦井之一，井田資源量9.7億t，建設(shè)規(guī)模每年500萬(wàn)t，服務(wù)年限62.5 a。

該項(xiàng)目采用處理規(guī)模為2 800 m3/h的磁分離凈化系統(tǒng)，是目前國(guó)內(nèi)煤礦最大井下礦井水處理直接凈化項(xiàng)目， SS去除率達(dá)到99%以上，占用巷道180 m，平均斷面為40 m2。礦井水經(jīng)匯集后進(jìn)入進(jìn)水總渠，經(jīng)水砂分離器去除水中大于5 mm漂浮物或顆粒物，出水自流進(jìn)入平流沉淀池、預(yù)沉池逐級(jí)沉降后進(jìn)入混凝系統(tǒng)，通過(guò)投加磁種、PAC、PAM形成密實(shí)絮體后，再由磁分離機(jī)實(shí)現(xiàn)固液分離，分離后的絮體進(jìn)入磁分離磁鼓進(jìn)行磁種回收，非磁性污泥排入污泥池和預(yù)沉池污泥進(jìn)行污泥脫水，處理后的煤泥外運(yùn)。系統(tǒng)出水則實(shí)現(xiàn)清水入倉(cāng)，井下預(yù)沉階段約10 min，混凝反應(yīng)時(shí)間約3 min。污水在井下經(jīng)過(guò)超磁分離處理工藝出水后，提升至地面礦井水處理站，經(jīng)過(guò)過(guò)濾+超濾+反滲透組合工藝進(jìn)行深度處理，凈化后的礦井水達(dá)到《黃河流域(陜西段)污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。值得一提的是，目前超磁分離水體凈化工藝已經(jīng)在多個(gè)礦井水項(xiàng)目中與其他深度處理工藝開(kāi)展組合應(yīng)用研究，特別是超磁分離工藝作為一級(jí)強(qiáng)化工藝處理后的出水，可為后續(xù)深度處理工藝提供更佳的進(jìn)水條件。2017年5月系統(tǒng)實(shí)際投入運(yùn)行后一月內(nèi)平均進(jìn)、出水水質(zhì)見(jiàn)表5，主要設(shè)備工藝參數(shù)見(jiàn)表6。

表5 高家堡礦井水平均進(jìn)、出水指標(biāo) mg/L(pH值除外)

表6 高家堡礦井水處理主要設(shè)備工藝參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

超磁分離水體凈化工藝由于其高效、節(jié)能、安全的工藝特性，在礦井水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。在防治礦井水污染、助力實(shí)現(xiàn)綠色礦山的同時(shí)，處理出水還可作為礦井生產(chǎn)、生活用水、井下消防用水、洗車(chē)用水、園林綠化用水、道路噴灑、黃泥灌漿、職工公寓及辦公樓生活用水使用。未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)方面，隨著煤礦開(kāi)采區(qū)水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的提高，超磁分離工藝將與超濾、反滲透等工藝進(jìn)行組合應(yīng)用，形成工藝包用以解決復(fù)雜的礦井水處理問(wèn)題。