酸性礦井水處理達地表Ⅲ類水質(zhì)工程改造工藝設(shè)計

王 翔

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院集團有限公司，山西 太原 030001）

煤炭中一般都含有約0.3%～5%的硫，主要以黃鐵礦形式存在，約占煤含硫量的2/3[1]。煤層開采后，硫鐵礦與礦井水在空氣中經(jīng)一系列氧化、水解等反應(yīng)，生成硫酸和氫氧化鐵，使水呈現(xiàn)酸性，即酸性礦井水。酸性礦井水直接外排，造成了水資源的嚴重浪費，而且其中可能含有較高濃度的鐵、錳、氟化物等金屬或非金屬離子，會造成嚴重的環(huán)境污染[2]。采用合理的技術(shù)工藝對其進行處理，不僅可實現(xiàn)礦井水資源化利用，而且可以保護環(huán)境。

1 工程概況

某煤業(yè)公司位于山西省臨汾市，其礦井水為鐵、錳、氟化物、COD 及SS 濃度超標的酸性礦井水，設(shè)計規(guī)模60 m3/h，根據(jù)項目建設(shè)方及環(huán)保部門要求，處理后的礦井水水質(zhì)指標需滿足GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》III 類標準，出水部分回用于黃泥灌漿、綠化、道路降塵，剩余部分外排。

2 設(shè)計規(guī)模及進出水水質(zhì)

礦井水處理站設(shè)計處理規(guī)模為60 m3/h，設(shè)計出水水質(zhì)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》GB 3838—2002Ⅲ類水水質(zhì)要求。設(shè)計進、出水主要污染物控制指標詳見表1。

表1 設(shè)計進出水主要污染物控制指標

3 處理工藝選擇（見第226 頁圖1）

圖1 礦井水處理工藝流程圖

3.1 預(yù)沉調(diào)節(jié)池

礦井水水質(zhì)、水量具有不均勻性，為了增強整個礦井水處理系統(tǒng)對進水水質(zhì)的適應(yīng)性，設(shè)置預(yù)沉調(diào)節(jié)池，形式選用平流式沉淀池。池上安裝撇油撇渣管，以去除原水中的油和浮渣。

3.2 曝氣氧化反應(yīng)池

礦井水中不含溶解氧是Fe2+穩(wěn)定存在的必要條件，除鐵的常用方法是將水中溶解的Fe2+氧化成Fe3+并使其轉(zhuǎn)化為Fe（OH）3，然后通過沉淀或過濾將其去除[3]。研究表明[4]，pH 對Fe2+的氧化速率影響較大，pH>5.5 時，pH 值每升高1.0，F(xiàn)e2+氧化速度就增大100 倍。pH 在7.0～7.5 時曝氣，F(xiàn)e2+可迅速轉(zhuǎn)化為Fe3+；而pH＞8.0 時會大量形成Fe（OH）2沉淀，不利于鐵的后續(xù)處理。設(shè)計曝氣氧化反應(yīng)池對礦井水pH進行調(diào)節(jié)，并充分曝氣，達到去除Fe2+的目的。

3.3 除氟系統(tǒng)

除氟設(shè)計采用投加高效除氟藥劑，除氟藥劑可以與礦井水中氟化物進行固化反應(yīng)，氟化物最終以污泥的形式通過壓濾去除。

3.4 懸浮物處理

設(shè)計選用旋流澄清凈水裝置，裝置運行時水流在自身重力作用下作周期性變加速旋轉(zhuǎn)，泥渣懸浮層在脈沖水的作用下周期性壓縮與膨脹，大大提高了懸浮物彼此膨脹絮凝的可能性。排泥時，污泥在自然重力作用下從排污管排出，不需要刮泥機。裝置占地小、處理效率高，經(jīng)該裝置處理后的出水ρ（SS）≤20 mg/L，可滿足后續(xù)過濾進水水質(zhì)要求。

3.5 錳砂過濾

設(shè)計過濾系統(tǒng)采用錳砂過濾器，主要作用是利用濾料表層形成的具有很強催化氧化能力的鐵、錳質(zhì)活性濾膜將溶解狀態(tài)的Fe2+、Mn2+氧化成不溶解的三價鐵及或四價錳的化合物，再經(jīng)過濾達到進一步除去水中的懸浮物和大部分鐵錳離子的目的。過濾器采用機械過濾形式，具有管道簡單，除污能力較高，運行周期長，設(shè)備造價低廉，占地面積小，管理簡便等特點，非常適合小型礦井水處理站。

3.6 曝氣生物活性炭沸石濾池

針對NH3-N、BOD5、石油類、COD 的去除采用曝氣生物活性炭沸石濾池處理工藝。通過曝氣，在其裝填的粒狀填料陶粒和活性炭濾料表面生長大量生物膜，當水流經(jīng)時，利用生物膜中高濃度的活性微生物氧化分解作用以及濾料粒徑較小的特點，充分發(fā)揮微生物的生物代謝、生物絮凝、生物膜和填料的物理吸附和截留以及濾池內(nèi)沿水流方向食物鏈的分級捕食作用，實現(xiàn)污染物的高效清除。

3.7 超濾系統(tǒng)

超濾工藝是一種分離精度介于微濾和反滲透之間的膜過濾工藝，超濾可截留0.01 μm～0.1 μm 的顆粒及大分子物質(zhì)，分離壓力0.05 MPa～0.5 MPa。其基本原理是在常溫下以一定壓力和流量，利用不對稱微孔結(jié)構(gòu)和半透膜介質(zhì)，依靠膜兩側(cè)的壓力差作為推動力，以錯流方式進行過濾，使溶劑及小分子物質(zhì)通過，大分子物質(zhì)和微粒子如蛋白質(zhì)、水溶性高聚物、細菌等被濾膜阻留，從而達到分離、分級、純化、濃縮目的的一種新型膜分離技術(shù)。設(shè)計設(shè)置超濾系統(tǒng)，用于進一步去除水中的細小煤粉、細菌、膠體等，進一步提高出水水質(zhì)，是出水穩(wěn)定達《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》GB 3838-2002 中的Ⅲ類水水質(zhì)標準的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.8 消毒

采用次氯酸鈉消毒，其作為一種高效、廣譜、安全的強力滅菌消毒劑，水親和性好，能與水以任意比互溶，易購置儲存，操作安全方便，可在各種環(huán)境及工作狀況下投加。

3.9 污泥處理系統(tǒng)

預(yù)沉調(diào)節(jié)池及旋流澄清器排泥進入現(xiàn)有污泥池暫存，隨后經(jīng)濃縮后提升進入廂式壓濾機脫水后外運處置。

4 主要建（構(gòu)）筑物設(shè)計

4.1 預(yù)沉調(diào)節(jié)池

一座，鋼筋砼結(jié)構(gòu)，有效容積為420 m3，調(diào)節(jié)時間為7 h，滿足要求。主要設(shè)備有：污水提升泵，2 臺（1 備），Q=60 m3/h，H=16 m，N=5.5 kW；污泥提升泵：3 臺（1 備），單臺性能Q=45 m3/h，H=22 m，N=5.5 kW；桁車式刮泥機1 套，B=6.3 m，N=4.0 kw；集油管，DN200，1 臺，長度6.3 m。

4.2 曝氣氧化池

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，1 座，5.25 m×7.50 m×4.2 m；設(shè)過濾提升潛水泵2 臺，Q=60 m3/h，H=18 m，N=5.5 kW，1 用1 備；散流曝氣器：80 個，曝氣氣水比（質(zhì)量比）取4∶1。

4.3 旋流澄清凈水器

單套處理水量為Q=60 m3/h，含混凝、沉淀功能，碳鋼防腐。

4.4 中間水池

接受旋流澄清凈水器出水，1 座，3.3 m×4.0 m×4.5 m 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；設(shè)過濾提升潛水泵2 臺，Q=60 m3/h，H=24 m，N=11 kW，1 用1 備。過濾提升潛水泵出水依次進入錳砂過濾器、曝氣生物濾池進行處理。

4.5 錳砂過濾器

1 套，處理規(guī)模60 m3/h，直徑3.2 m，設(shè)計濾速7.46 m/h，采用錳砂濾料，粒徑為0.5 mm～1.2 mm，濾層厚度為1.8m。水洗強度10 L/（m2·s）～15 L/（m2·s）。錳砂過濾器出水進入曝氣生物濾池。設(shè)反沖洗水泵3 臺，2 用1 備，Q=200 m3/h，H=20 m，N=18.5 kW，置于泵坑內(nèi)，錳砂過濾器及曝氣生物濾池反洗共用。

4.6 曝氣生物濾池

碳鋼防腐材質(zhì)，尺寸3.0 m×4.0 m×5.5 m，濾速5.0 m/h，水反沖洗強度8.8L/（m2·s），氣反沖洗強度15L/（m2·s），曝氣氣水比6∶1。配置4 臺羅茨風機（3用1 冷備），Q=6 m3/min，P=58.8 kPa，N=22 kW，變頻控制，置于泵坑內(nèi)，1 臺專用于曝氣氧化池曝氣，剩余2 臺生物濾池曝氣時運行1 臺，反洗時運行2 臺全部運行。

4.7 超濾原水池

接收曝氣生物濾池產(chǎn)水，1 座，3.3 m×4.0 m×4.5 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。配套超濾原水提升泵Q=60 m3/h，H=30 m，N=11 kW，1 用1 備，置于泵坑內(nèi)；

4.8 超濾系統(tǒng)

超濾系統(tǒng)產(chǎn)水量60 m3/h，設(shè)28 支65 m2，通量為32.96 L/m2·h 的超濾膜，反洗用水從回用水池引??；配套超濾反洗泵，2 臺，Q=90 m3/h，H=26 m，N=11 kW，1 用1 備；系統(tǒng)配套自清洗過濾器及化學清洗系統(tǒng)等。

4.9 加藥系統(tǒng)

包含PAC、PAM 加藥裝置、pH 調(diào)節(jié)及除氟加藥裝置、酸、堿、次氯酸鈉加藥裝置等。

4.10 污泥系統(tǒng)

設(shè)板框壓濾機1 臺，過濾面積120 m2。配套設(shè)置污泥池、污泥濃縮罐以及污泥提升泵等。

5 運行效果

水處理站建設(shè)完成后，系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試并穩(wěn)定運行1 個月后，出水水質(zhì)完全滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)語

針對鐵、錳、氟化物、COD 及SS 濃度超標的酸性礦井水，采用“預(yù)沉調(diào)節(jié)+曝氣氧化池+旋流澄清凈水裝置+錳砂過濾器+曝氣生物濾池（沸石+活性炭）+超濾+次氯酸鈉消毒”的工藝，出水水質(zhì)滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》GB 3838—2002 中的Ⅲ類水水質(zhì)標準。取得了良好的環(huán)境效益。