超磁分離工藝在礦井水處理工程中的應用

徐樹峰，霍建良，侯培雄，王振英，索永峰，雷兆武

(1.冀中能源峰峰集團邯鄲寶峰礦業(yè)有限公司 九龍礦，河北 邯鄲 056200；2.河北環(huán)境工程學院，河北 秦皇島 066102)

煤礦礦井水是在煤炭開采過程中產生的廢水，據統(tǒng)計，礦井涌水量為2.1m3/t煤炭[1]，一般具有懸浮物含量高、含鹽量較高等特點。九龍煤礦煤種為焦煤，具有低硫、黏結性強、結焦性好等特點，礦井設計生產能力為120萬t/a。

該礦在煤炭開采過程中通過實施保水開采和區(qū)域超前勘查治理[2]，源頭控制煤炭開采過程中的礦井水產生量，礦井水年產生量約160萬m3。礦井水原有處理系統(tǒng)為沉淀處理，沉淀后出水部分被利用，礦井水作為非常規(guī)水資源，沒有得到充分有效利用。根據《煤炭采選業(yè)清潔生產評價指標體系》和綠色礦山要求，一般水資源礦區(qū)礦井水利用率國內清潔生產先進水平為大于75%，國際清潔生產領先水平為大于85%。為提高礦井水利用率，該礦通過對礦井水處理工藝進行改造，提高出水水質，實現對礦井水的充分利用。

1 礦井水產生與主要性質

該礦煤炭井田南北平均長8km，東西寬2.5km，面積約22km2，實際可采煤層為2#煤和4#煤。礦井水產生區(qū)域主要包括南、北翼片區(qū)舊工作面的老空水，南、北翼新采掘面工作面頂板淋水以及主、副井井筒淋水等。北翼片區(qū)涌水量約為2250m3/d，南翼片區(qū)涌水量約為1800 m3/d，主、副井井筒等涌水量約為150m3/d，全礦礦井水產生量約為4200m3/d。

礦井水中主要污染物為懸浮顆粒物，原水中SS濃度為300～450mg/L，COD濃度為40～100mg/L。根據該礦生產和礦區(qū)周邊情況，礦井水主要可用于井下降塵、矸石山降塵、廠區(qū)綠化凈化、洗煤廠和電廠用水等，綜合各礦井水利用點的水質要求，降低礦井水中懸浮物濃度是提高礦井水利用率的關鍵。

2 礦井水處理改造工藝選擇

2.1 礦井水改造前處理工藝

煤炭開采過程中，礦井水含有懸浮顆粒物濃度較高，隨著礦井水匯集于水倉，導致大量的顆粒物在水倉中沉降，形成污泥，因此需要經常對水倉進行清理；礦井水的懸浮顆粒物一般粒度較細、煤粉顆粒帶負電荷，呈膠體狀態(tài)[3]，因此重力沉降效果差，不利于礦井水的后續(xù)利用；同時由于顆粒物的去除率低，致使礦井水輸送過程中輸送設備磨損嚴重等，因此對礦井水處理工藝進行改造勢在必行。

改造前，礦井水處理工藝為礦井水原水進入井下水倉，經水倉沉淀后，部分回用于井下降塵，其余部分提升至地面利用或排放。

2.2 礦井水處理工藝確定

礦井水中懸浮物主要以粉煤和巖粉類型為主，在懸浮物的帶電性方面，煤粉表面含有大量的羧基等含氧官能團，由于羧基容易失去電子，導致礦井水中懸浮顆粒通常呈現負電性[3]；在懸浮物的粒徑方面，礦井水中顆粒物以50μm以下的為主，約占懸浮物的88%，粒徑大于80μm 的懸浮顆粒不超過5%[4]。對含懸浮物的礦井水，一般認為礦井水中的COD 隨SS的降低而去除[5]。

目前，常用的礦井水處理技術主要有混凝、沉淀、過濾等方法，達到分離礦井水中懸浮物的目的，主要工藝如用曝氣氧化-絮凝沉淀-過濾處理工藝[6]、調節(jié)池-強化絮凝池-強化沉淀池-中間水池-無閥濾池處理工藝[7]、旋流澄清-多介質過濾-活性炭過濾工藝[8]等。此外，礦井水地面處理工藝如高效旋流一體化凈化工藝[9]，井下處理工藝如機械式混凝反應池-斜板沉淀池[10]、采空區(qū)過濾-曝氣氧化-壓力式汽水沖洗濾池[11]，傳統(tǒng)礦井水處理方法的主要缺點有占地面積大，水力停留時間長、基建投資大、礦井水提升運行費用高等[12]。

礦井水超磁分離包括懸浮物磁場分離、磁泥分離與磁種回收，及污泥脫水等環(huán)節(jié)。懸浮物磁場分離環(huán)節(jié)將磁種與礦井水中的懸浮物混合，通過混凝劑對懸浮物、磁種進行絮凝，經超磁分離設備對絮凝體與礦井水進行分離，從而使得礦井水得以凈化；磁泥分離和磁種回收是對超磁分離脫除的絮凝體通過磁種回收設備將磁種與污泥分離，回收磁種，并回用于磁場分離環(huán)節(jié)；污泥脫水是對分離磁種后的污泥利用板框壓濾等設備，對污泥進行脫水，形成泥餅。在超磁分離過程中，在磁場力的作用下，可產生大于重力640倍的磁力，實現對絮凝體與礦井水的快速分離，具有分離效率高、占地面積小、投資少、出水水質好、污泥可直接脫水等優(yōu)點，是一種新型礦井水水處理技術[13，14]。

該礦礦井水處理工程擬建設于井下，避免征地建設等問題，但井下空間受巷道寬度、高度等限制[12]，同時適應煤礦井下安全運行要求，因此必須優(yōu)選礦井水處理工藝。超磁分離工藝在山東新巨龍能源有限公司、山西晉城礦業(yè)集團寺河煤礦、內蒙能源長城煤礦、石壕煤礦、翟鎮(zhèn)煤礦、長城三號煤礦等煤礦都有進行應用的成功案例[13，15，16]；在工藝比較和應用實踐的基礎上，該礦選擇超磁分離工藝對礦井水處理工程進行改造。

2.3 超磁分離處理工藝

2.3.1 礦井水超磁分離處理工藝

礦井水超磁分離處理工藝流程如圖1所示。

圖1 超磁分離工藝流程

礦井水原水經格柵去除原水中的漂浮物，避免其進入后續(xù)處理構筑物和設備；礦井水在預沉池中進行沉淀，去除粗顆粒懸浮物，充分發(fā)揮超磁分離對礦井水細顆粒物的去除作用，預沉池排泥進入污泥池；預沉池出水進入混凝池，在混凝池中，礦井水與投加的磁種、混凝劑充分混合，形成絮凝體；絮凝體與礦井水一起進入超磁分離設備，在磁場力的作用下，實現絮凝體與礦井水的分離，出水進入水倉，以便利用；含磁污泥進入磁泥分離設備，對磁種進行回收并回用于礦井水處理，在磁種不足時，補加部分磁種，以滿足工藝要求，磁種回收后污泥進入污泥池；預沉池分離的粗顆粒污泥和超磁分離的細顆粒污泥在污泥池中混合，混合后污泥進入板框壓濾系統(tǒng)，進行泥水分離，形成泥餅，泥餅回收，板框壓濾的濾液進入預沉池。

2.3.2 主要構筑物及設備

礦井水超磁分離改造工程主要構筑物見表1。

表1 礦井水超磁分離改造工程主要構筑物

根據設計水量，預沉池中礦井水流動雷諾數(Re)為3.74×104，根據沿平壁流動層流雷諾數Re臨界值為5×105，因此礦井水在預沉池中的流動狀態(tài)為層流[17]，保證了礦井水中懸浮物在預沉池中的沉降效果。在混凝池中，磁絮凝時間與傳統(tǒng)混凝時間相比，所需時間短，混凝池容積較傳統(tǒng)混凝池容積小，占地面積小，極大方便了井下施工和空間利用。

礦井水超磁分離改造工程主要設備見表2。

表2 礦井水超磁分離改造工程主要設備

3 超磁分離處理礦井水工藝運行

自礦井水超磁分離改造工程投入運行以來，超磁分離處理工藝出水水質良好，根據該礦委托第三方進行的礦井水水質檢測報告，大幅度降低了出水中的懸浮顆粒濃度和COD等指標，達到了礦井水處理工程改造的預期目標。出水主要水質指標見表3。礦井水超磁分離處理工藝藥劑消耗見表4。

表3 超磁分離工藝處理后出水水質主要指標 mg/L

表4 礦井水磁分離改造工程藥劑消耗 g/m3

按2019年運行情況計算，藥劑消耗0.269元/m3，磁種消耗12g/m3，約0.076元/m3，設備維護、電費0.066元/m3，直接成本0.411元/m3；2019年板框壓濾機產生泥餅(煤泥)約1800t，回收泥餅(煤泥)效益約為16.5萬元；折合礦井水實際直接處理成本0.308元/m3。

礦井水超磁分離處理改造工程大幅度提升了凈化后礦井水水質，為礦井水利用率提供了充分的條件，通過井下降塵、矸石山降塵、洗煤廠、電廠等礦區(qū)生產過程利用和廠區(qū)綠化、礦區(qū)周邊農灌林灌等利用，礦井水綜合利用率75%以上，實現了礦井水的充分利用；超磁分離處理工藝對礦井水中的懸浮物去除率達到96%以上，通過板框壓濾機回收泥餅(煤泥)，解決了井下水倉經常清理污泥的問題；同時由于礦井水中懸浮物去除率高，凈化后水質好，解決了礦井水輸送過程中對設備的磨損嚴重等問題。

4 結 語

采用超磁分離處理工藝進行礦井水井下處理改造，實現了高效去除礦井水中懸浮物的目的；經過近三年的工藝運行，出水水質穩(wěn)定，礦井水處理成本合理，占地面積小，適用于煤礦礦井水井下處理。采用超磁分離工藝進行礦井水處理工程改造，懸浮物去除率高，處理后水質好，有利于提高礦井水利用率；通過污泥脫水，回收泥餅(煤泥)，解決了井下水倉需要經常清理、礦井水輸送設備磨損嚴重等問題，具有良好的經濟效益、環(huán)境效益及社會效益。