煤礦礦井水井下處理新技術(shù)及工程應(yīng)用

宋 翔

（潞安職業(yè)技術(shù)學院，山西 長治 046022）

礦場污水主要包含煤泥微粒和石灰?guī)r微粒的礦井涌水，礦山采礦步驟中噴霧抑塵、機械設(shè)備及消防救援過程中產(chǎn)生的煤塵廢水。未經(jīng)處理的礦場污水直接排放會造成自然環(huán)境的污染[1]。礦場污水最終通過小巷池塘或排水泵匯集于水倉中，夾雜的煤泥、石灰?guī)r和沉積微粒隨著時間延長不斷在水倉中沉積，造成整治水倉的頻率及成本增加，大大增加了煤礦的生產(chǎn)成本。

1 礦井水處理的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

自20 世紀70 年代以來，國內(nèi)研究者對我國礦場污水處理研究已有近40 余年的歷史[2]。大量的分析研究表明：通常采用絮凝、沉淀和過濾的工藝處理漂浮顆粒物居多的礦場污水。為節(jié)約水資源，實現(xiàn)礦井水的再利用，周、榮衛(wèi)國等，闡述了不同礦山由于地域、自然環(huán)境和氣候的差異，其理化性質(zhì)也不盡相同。并介紹了使用礦山采空區(qū)沉淀預處理和氧化池曝氣處理并融合互沖過濾器設(shè)備的礦井水井下處理工藝，此外，還對處理之后的水體進行了澄清分離工藝。王德海等則介紹了在礦井水中加入一定濃度的聚合氯化鋁（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）進而來提高礦場水中懸浮顆粒的絮凝沉淀效果，并配合增加調(diào)節(jié)池的容積，利用刮泥排泥的機械設(shè)備來進行礦井水中懸浮顆粒的去除，最終通過過濾工藝完成礦井水的凈化[3-4]。本方法存在成本較高且設(shè)備占地面積大，處理效果不明顯等問題。山西省某煤礦使用增強絮凝、延長沉淀周期、過濾、殺菌等傳統(tǒng)方式對礦場污水展開凈化處理，基本上克服了礦場供水難題。本文試驗煤礦排水水量預計達600m3/h，溶解固體質(zhì)量濃度較高，約2500 mg/L，預計生產(chǎn)礦井水33.47 億m3。本地區(qū)某煤礦地下集水坑的穩(wěn)定清除周期為308 d。由于礦場水中大量固體微粒（如煤泥和石灰?guī)r）在集水坑中沉積，清理頻率提高，清理周期縮至一半即154 d。與礦井水的地面處理相比，礦井水的地下處理相對較難。礦井水的地下預處理可有效減少清淤頻率，延長清淤周期，工作量、人工費用、能耗均可可有效降低。礦場污水的預處理可大大降低對外部環(huán)境的污染，與此同時還可避免固體顆粒對抽排放設(shè)備造成的嚴重磨損，從而延長設(shè)備使用壽命，顯著提升產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益。

2 礦井水處理工程研究

2.1 混凝沉淀試驗

2.1.1 試驗?zāi)康?/p>

聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺分別是去除礦井水中懸浮固體的常見的混凝劑和絮凝劑。根據(jù)礦場污水處理站的早期統(tǒng)計數(shù)據(jù)[5]，在眾多混凝劑和絮凝劑投加組合中，聚合氯化鋁加聚丙烯酰胺是最適宜處理礦場污水的方案。因此，本試驗不再進行選型實驗，僅分析不同用量聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺對水樣的處理性能。具體方法為：添加不同劑量的聚合氯化鋁進行混凝試驗，根據(jù)試驗后不同劑量水樣清液的濁度來推出PAC 的最佳用量。聚丙烯酰胺的最佳用量方法確定同PAC。

2.1.2 原水水質(zhì)

測試水樣取自礦場水原水，主要基準見表1。

表1 試驗原水主要水質(zhì)指標

2.1.3 試驗儀器與試驗藥劑

臺式混凝試驗六聯(lián)攪拌機，中潤ZR4-6；濁度儀，雷磁WZS-180A；電子天平，al204）。

1%、2%聚合氯化鋁（本礦井水處理用聚合氯化鋁）；1%聚丙烯酰胺（本礦用于礦井水處理的聚丙烯酰胺）。

2.1.4 試驗方法

1）將水樣均勻混合，從1 000 mL 量筒中抽出6 份水樣，分別放入1 000 mL燒杯中，依次編號，將裝滿水樣的燒杯放在混凝試驗混合器上。

2）將1%的1、2、4 mL 聚合氯化鋁和2%的3、4、5 mL 聚合氯化鋁放入加藥杯中。

3）開啟混凝攪拌機，不同濃度和用量的PAC 將自動加入對應(yīng)的燒杯中。轉(zhuǎn)速設(shè)置分兩個階段，第一階段轉(zhuǎn)速設(shè)定為120 r/min，時間為1 min，此階段目的為快速混合；第二階段轉(zhuǎn)速設(shè)定為60 r/min，時間為10 min，該階段為化學反應(yīng)階段。

4）在混合反應(yīng)過程，觀測并紀錄每個燒杯中與否有明礬花，以及明礬花的尺寸和松度。預設(shè)時間到達后，攪拌機葉片自動提起，攪拌停止。

5）攪拌結(jié)束后，水樣靜置10 min，觀察記錄明礬的沉淀過程，隨后依次從每個燒杯的取樣口依次抽取各燒杯中的上清液，測定其濁度并紀錄。

6）比較不同燒杯中上清液的濁度值，確定PAC的最佳用量。

7）將2）中確定的PAC 最佳用量加入后，在燒杯中同時加入0.1%的0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL 聚丙烯酰胺，重復上述3）～5），確認聚丙烯酰胺的最佳劑量。

2.1.5 試驗結(jié)果與分析

2.1.5.1 PAC 最佳投加量

通過分析上清液濁度隨PAC 用量的變化趨勢發(fā)現(xiàn)，在PAC 用量在＜80 mg/L 之前，上清液濁度一般隨著PAC 用量的增加而降低，當質(zhì)量濃度范圍為20 mg/L～40 mg/L 時，由于PAC 與水中懸浮物充分混合，PAC 用量增加對絮凝反應(yīng)的反應(yīng)程度影響較大，濁度降低幅度較大。當PAC質(zhì)量濃度范圍為60 mg/L～80 mg/L 時，上清液濁度的變化幅度明顯降低，因為此時PAC 的用量接近混凝反應(yīng)的臨界濃度，水中Al3+吸附作用隨水合作用的增強而減弱。當PAC 用量為80mg/L 時，上清液濁度為最小即26.6 NTU，濁度去除率達92.67%。此后繼續(xù)增加PAC 的使用量，由于懸浮物已基本去除，濁度不再下降，反而隨著聚合氯化鋁和水樣產(chǎn)生絮狀物使得濁度增高。

試驗中觀察到明礬花的形成情況如下：PAC 用量為40、60、80 mg/L 三組水樣中，懸浮物在添加PAC 后30 s 內(nèi)開始形成絮狀物，隨后逐步生長成直徑大于1 mm 的明礬花，隨后處于靜態(tài)沉淀階段，明礬花沉淀速度較快，燒杯底部出現(xiàn)大量沉淀。PAC 用量為10 mg/L 和20 mg/L 的兩組水樣中，沉淀效果不好，形成的明礬花直徑較小，停止攪拌后，水樣濁度仍較高。在PAC 用量為100 mg/L 的水樣中，雖然形成了直徑大于1 mm 明礬花，但明礬花不穩(wěn)定，沒有繼續(xù)變大，停止攪拌后沉淀效果也不明顯。綜上所述，80 mg/L 聚合氯化鋁是該礦礦井水的最佳混凝劑用量，但僅投加PAC 時出水濁度并不理想。為進一步改善礦井水濁度，提升混凝步驟中明礬的密度和沉降速度，在添加了80 mg/L 聚合氯化鋁的前提下，選取了有機高分子絮凝劑聚丙烯酰胺的最佳用量。

2.1.5.2 PAM最佳投加量

上清液濁度隨PAM用量的變化趨勢如下：當用量小于0.2 mg/L 時，上清液的濁度隨著PAM用量的增加而減少。當PAM用量為0.2 mg/L 時，上清液濁度為最小值15.6 NTU，濁度去除率達95.70%。當聚丙烯酰胺用量超過0.2 mg/L 時，上清液濁度曲線變化幅度降低。當用量大于0.6 mg/L 時，濁度不再發(fā)生變化，即繼續(xù)增加PAM用量對降低濁度的意義不大。因為此時PAM 的水解分子覆蓋了膠體顆粒的吸附表面，懸浮顆粒之間的“膠體保護現(xiàn)象”使其不能繼續(xù)接近聚集。所以，適合本礦礦場水水質(zhì)的最佳絮凝劑用量為0.2 mg/L 的PAM。

2.1.5.3 總結(jié)

聚合氯化鋁是礦場污水處理中運用最普遍的混凝劑。而絮凝劑，近年來有許多全新研發(fā)的絮凝劑可供選擇，但需根據(jù)礦場污水的實際情況作出選擇。我國的礦場污水原水濁度達數(shù)萬NTU，目前使用最多的處理方案為：PAC（混凝劑）配合PAM（絮凝劑）。其中混凝劑PAC 通過壓縮雙電層作用使得膠粒得以迅速凝聚；再通過吸附電中和的吸附作用中和部分電荷，減少靜電斥力，使其更易與其他顆粒接近而互相吸附；最后通過吸附架橋作用，將高分子物質(zhì)與膠粒吸附與橋連，使明礬花迅速形成。而絮凝劑PAM因為其本身具有很長的分子鏈，在水中有無窮的吸附表面積，故絮凝效果好，且能使用長鏈在顆粒之間架橋，構(gòu)成大顆粒的絮凝體，加快沉降。此外，由于其本身具有的極性基因——酰胺基且在絮凝過程中可能會發(fā)生雙電離緊縮、絡(luò)合反應(yīng)、構(gòu)成聚合橋等均可起到加速混凝過程，顯著增加明礬花的質(zhì)量和密度進而加快其沉降速度的作用。根據(jù)之前的檢驗測試，礦場采用相對分子質(zhì)量約800 萬的非離子型PAM時，對礦場水中懸浮顆粒的差異性選擇性最小，效果最佳。本試驗通過混凝沉淀試驗得出了最佳方案：PAC（混凝劑）配合非離子型PAM（絮凝劑），最優(yōu)使用量分別80 mg/L和0.2 mg/L。

2.2 反應(yīng)沉淀與澄清過濾工藝的比選

通過調(diào)研山西、河北、河南等多地共40 個礦井水處理站，并對其存在問題進行總結(jié)分析，選擇了適合本礦礦井水的技術(shù)可靠、運行穩(wěn)定的水體凈化方案。被調(diào)研的水站中，共有反應(yīng)沉淀過濾工藝、澄清過濾工藝和一體化凈水器三種去除水中懸浮物的工藝(設(shè)備)。調(diào)研結(jié)果為：一是一體化集成凈水器的數(shù)量占比最小，采用該工藝的礦井水處理站共有5 個，只有1 個運行良好。一體化集成凈水器是集混凝、反應(yīng)、沉淀、過濾于一體的凈水設(shè)備。常見問題主要為：處理水量較小，僅為設(shè)計水量的50%左右，且出水水質(zhì)往往不合格；抗沖擊負荷能力差，當原水水質(zhì)變化較大時處理效果差。二是反應(yīng)沉淀過濾為最主要的凈化工藝，占比50%以上。三是澄清過濾方案運行效果最好，對水質(zhì)水量變化適應(yīng)性較強且占地面積小，工程投資和運行成本低。同時，澄清過濾工藝也是該礦原有的礦井水處理工藝。該礦相關(guān)部門對該工藝技術(shù)比較熟悉，積累了較多的操作經(jīng)驗，建議選擇澄清過濾方案作為礦井水處理改擴建工程。

2.3 過濾池比選

過濾器是移除懸浮固體的主要單元。能將礦井水中的煤粉、石粉等混凝沉淀難以分離的污染物有效分離，可有效降低出水濁度、提高微生物、細菌的去除率。處理低懸浮物礦場水常用的過濾設(shè)施有：普通快濾池、虹吸濾池、重力無閥和壓力無閥濾池。對這4 種過濾類型的對比見表2。

表2 不同類型濾池的比選

通常根據(jù)礦井水的理化性質(zhì)、水質(zhì)指標、處理量及凈化工藝流程來選擇適合的過濾器類型。本項目中，礦井水處理改擴建工程設(shè)計水處理能力為4 000 m3/d，4 種過濾器中，重力式無閥過濾器適用于小型（處理量≤10 000 m3/d）礦井水處理工程，且該過濾器可在無閥門情況下自動反沖洗。綜合考慮后，選擇重力式無閥過濾器為本項目的過濾器。

3 結(jié)語

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國人均水資源的占有量僅為世界人均占有量的1/4，排在世界第109 位，被列為世界13 個貧水國家之一。且我國淡水資源區(qū)域分布不均，北方地區(qū)水資源僅占總量的20%，而煤炭資源豐富，占我國總儲量的80%以上，礦區(qū)缺水現(xiàn)象十分嚴重。部分地區(qū)煤礦生產(chǎn)生活用水極其緊張。然而長期以來受技術(shù)、資金和認識的限制，我國礦井水均是未經(jīng)處理直接排放，回收利用水平極低。不僅對水環(huán)境造成了較大污染，還是對水源的極大浪費。因此，采用合理經(jīng)濟的凈化工藝對煤礦礦井水進行深度處理，實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用，對我國煤炭企業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展具有十分重要的意義。