磁混凝設(shè)備在礦井水應(yīng)急處置工程中的應(yīng)用

廖慶花，郭倩倩，陳 虎，徐亞慧

(華夏碧水環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，河南 鄭州 450000)

我國目前處于社會經(jīng)濟高速發(fā)展期，隨著生產(chǎn)力的提高和工業(yè)化步伐的加快，全國各類事故造成的突發(fā)性環(huán)境污染事件數(shù)量急劇上升，導(dǎo)致有毒有害物質(zhì)進入水體，引起生態(tài)環(huán)境破壞和重大社會影響，因此需要采取緊急措施予以快速應(yīng)對[1-2]。目前國內(nèi)廢水應(yīng)急處理主要包括城鎮(zhèn)、企業(yè)及工業(yè)園區(qū)污水廠事故廢水應(yīng)急處理，城鎮(zhèn)、企業(yè)、工業(yè)園區(qū)污水廠新建、擴容、提標改造廢水應(yīng)急處理，重金屬廢水、有機污染廢水、還原性污染物廢水、水源地水華等突發(fā)性環(huán)境事件應(yīng)急處理，以及現(xiàn)階段由于新冠疫情，城鎮(zhèn)污水廠針對廢水中的病毒進行的應(yīng)急改造[3-6]。我國是煤炭大國，煤炭長期占據(jù)我國能源消費結(jié)構(gòu)的主體地位[7]，近年來，隨著煤礦需求量逐年增大，煤礦的開采力度和深度逐年增加，礦井水應(yīng)急處理時有發(fā)生[8]，這是由于煤礦開采過程中極易突發(fā)大量礦井涌水，大量礦井涌水導(dǎo)致礦區(qū)現(xiàn)有污水廠滿負荷甚至超負荷運行的同時，仍有部分礦井涌水沒有經(jīng)過處理，就排放到周圍環(huán)境[9]，廢水中的污染物質(zhì)排入到周邊水體，威脅居民健康和生態(tài)環(huán)境[10]。因此，應(yīng)對礦井突發(fā)涌水是煤礦污水處理廠最主要的應(yīng)急事項，然而目前國內(nèi)關(guān)于煤礦礦井水應(yīng)急處置的工程案例較少。

本文從礦井水應(yīng)急處理實際工程案例出發(fā)，探討了礦井水應(yīng)急處理可采用的方法和應(yīng)用效果，為礦井水應(yīng)急處置提供參考。

1 應(yīng)急處置工程背景

寧夏省某煤礦礦井水處理廠分為一期和二期兩座污水處理廠，根據(jù)生產(chǎn)需要，一期礦井水處理廠主要供給生產(chǎn)和生活用水，日處理量約800 m3左右，處理不完的礦井原水由二期礦井水處理廠處理達標后外排，日處理量約1 800 m3左右。2022年5月底，井下突發(fā)涌水，工作面切眼涌水水量突增，總水量約13 000 m3/d，遠超一期和二期實際處理能力，且礦區(qū)現(xiàn)有污水處理廠采用常規(guī)絮凝沉淀+多介質(zhì)過濾工藝，工程建筑周期長，污泥沉降速度慢且效率偏低，新建臨時應(yīng)急處置工程刻不容緩。

應(yīng)急污水處理工程區(qū)別于常規(guī)污水處理的傳統(tǒng)建設(shè)模式，為確保技術(shù)的適用性以及建設(shè)時效性，需采用流程簡單、占地面積小、建設(shè)周期短、快速啟動、穩(wěn)定達標的處理工藝和設(shè)施[11-13]。目前，在礦井水新型處理工藝中，磁混凝處理技術(shù)占據(jù)主流，磁混凝技術(shù)是在傳統(tǒng)的混凝沉淀工藝中加入密度為4.8～5.1 t/m3的磁種，磁種與污染物絮凝結(jié)合成一體，絮凝效果大大增強，絮體密度更大、更結(jié)實，可實現(xiàn)污泥高速沉降[14]。不同于常規(guī)水處理技術(shù)，磁分離技術(shù)利用磁場力直接作用于污染物或目標雜質(zhì)，將污染物脫離于原水體系，不產(chǎn)生二次污染，具有處理速率快、效率高、占地面積小、投資小等顯著優(yōu)勢[15-16]。目前磁混凝技術(shù)在我國城市污水、河道黑臭水體處理等方面的工程應(yīng)用已逐步展開[17-20]，然而其在礦井水應(yīng)急處置中的工程應(yīng)用較少。

2 設(shè)計規(guī)模及進出水水質(zhì)

礦井水應(yīng)急處置工程設(shè)計處理規(guī)模為10 000 m3/d。從該礦井水實際監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，該礦井水中的污染物以煤粉和巖粉等懸浮物為主，同時含有少量的有機物，屬于含懸浮物礦井水，因此處理目標污染物主要為懸浮物和有機物，按照當?shù)爻墙ň?、人民政府和水?wù)局關(guān)于礦井設(shè)置排污口的批復(fù)及煤礦入河排污口設(shè)置論證報告的批復(fù)文件要求，該煤礦排污口執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標堆》(GB18918—2002)一級A排放標準，其中，COD、氨氮執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類標準。礦井水進水水質(zhì)情況和排放標準見表1。

表1 礦井水設(shè)計進水水質(zhì)及排放標準Tab.1 Mine water design influent and emission standards

注：pH值無單位，其他項單位為mg/L。

3 污水處理工藝

3.1 應(yīng)急工藝流程

本工程處理水來自礦區(qū)工作面切眼涌水，結(jié)合礦井水處理工程實際情況，采用磁混凝工藝作為本次應(yīng)急處置主工藝，磁混凝設(shè)備為前期已建成的標準一體化設(shè)備(圖1)，占地面積15 m×25 m。

圖1 磁混凝一體化應(yīng)急設(shè)備Fig.1 Magnetic coagulation integrated emergency equipment

磁混凝一體化設(shè)備，主要包括磁混凝反應(yīng)系統(tǒng)、高效沉淀系統(tǒng)、磁回收系統(tǒng)、污泥系統(tǒng)及加藥系統(tǒng)等。磁混凝反應(yīng)系統(tǒng)包括助凝池、加載池、絮凝池，待處理礦井水提升至助凝池，磁混凝反應(yīng)系統(tǒng)攪拌速度由助凝池、加載池、絮凝池逐漸減小，助凝池快速攪拌充分混合藥劑PAC、PAM及磁種，保障藥劑與污染物充分混合接觸，水體中的污染物在3～4 min內(nèi)形成以磁種為載體的“微磁性污泥顆?！盵4]，慢速攪拌下，“微磁性污泥顆?！毙纬筛蟮摹拔⒋判孕鯃F”。磁種具有高比重及較強的黏附性，與絮體結(jié)合后，利用自身高比重特性，攜帶絮體快速沉降，絮凝池泥水混合物經(jīng)高效澄清池快速沉降后，出水可實現(xiàn)達標外排。

形成“微磁性絮團”的污泥提升至含磁污泥池，通過切割污泥泵將含磁污泥輸送至高剪機，在高剪機作用下將污泥打碎進入磁分離裝置，磁分離裝置在磁吸作用下將磁種與無磁污泥進行分離，磁種補入磁混凝反應(yīng)池循環(huán)利用，無磁污泥自流進入無磁污泥池勻質(zhì)，脫水處理(圖2)。

圖2 礦井水處理工藝流程Fig.2 Mine water treatment process flow

3.2 工藝設(shè)備參數(shù)

(1)磁混凝反應(yīng)池。磁混凝反應(yīng)池1座，包括助凝池、加載池、絮凝池，助凝池和加載池尺寸為2.5 m×3.2 m×2.2 m，池容積35.2 m3，絮凝池尺寸為3.0 m×3.2 m×2.2 m，池容積21.12 m3，磁混凝反應(yīng)池總?cè)莘e56.32 m3，總停留時間8 min。助凝池與加載池底部由1.0 m×3.0 m過水槽底部貫穿，進水及PAC、PAM、磁種由助凝池進入，助凝池、加載池出水口高差0.1 m，礦井水由助凝池自流進入加載池，絮凝池出水由φ500 mm過水管路接至高效澄清池布水管道。助凝池、加載池、絮凝池內(nèi)設(shè)有框式攪拌機，功率5.5 kW。

(2)高效澄清池。高效澄清池1座，尺寸14.5 m×3.2 m×3.2 m，總?cè)莘e148.48 m3，表面積46.4 m2，設(shè)計表面負荷8.6 m3/(m2·h)，組成部分包括污泥斗22個，導(dǎo)流筒22個，布水設(shè)施1套，φ500 mm管道貫穿，出水堰槽1套，氣動隔膜排泥閥22套；氣動排泥系統(tǒng)配套空壓機1臺，功率1.5 kW，壓力容器罐1套；氣動排泥閥控制柜1套；氣動排泥閥間歇性排泥，間隔時間可根據(jù)污水處理效果、來水懸浮物高低做相應(yīng)調(diào)整，排泥周期長短依工藝需求進行調(diào)整。

(3)含磁污泥池。含磁污泥池1座，尺寸φ2.5 m×2.0 m，容積9.8 m3，內(nèi)設(shè)潛水攪拌1臺，功率3 kW，切割污泥泵1臺，功率3 kW，通過攪拌作用防止含磁污泥在污泥池沉積；切割污泥泵將含磁污泥池污泥輸送至磁分離機進行磁種與無磁污泥分離。

(4)磁種回收系統(tǒng)。磁種回收系統(tǒng)1套，包括高剪機，功率2.2 kW、磁分離裝置功率0.55 kW，磁分離裝置處理能力30 m3/h。磁分離裝置在磁吸作用下將磁種與無磁污泥分離，回收的磁種補入前端助凝池循環(huán)利用，磁種回收率99%。

(5)無磁污泥池。無磁污泥池1座，接收磁分離裝置分離出來的無磁污泥，尺寸8.0 m×3.0 m×2.2 m，池容52.8 m3，材質(zhì)為碳鋼防腐，一體化設(shè)備分為2格，內(nèi)設(shè)框式攪拌機，功率5.5 kW；當一格泥滿時，開啟攪拌機，加入陽離子PAM，絮凝，形成較好的絮體后，停止攪拌，開啟污泥泵，將物料輸送至板框壓濾機，進行污泥脫水，兩格切換運行。

(6)污泥脫水系統(tǒng)。污泥脫水系統(tǒng)1套，包括板框壓濾機、物料泵、加藥系統(tǒng)等，板框壓濾機過濾面積100 m2，濾室1 500 L，自動拉板卸料；物料泵選用螺桿泵，Q=20 m3/h，H=60 m，N=5.5 kW；陽離子PAM自動溶藥系統(tǒng)1套，溶藥量500 L/h，配備PAM隔膜泵1臺，300 L/h。

(7)加藥系統(tǒng)。磁混凝系統(tǒng)藥劑包括PAC、PAM、磁種3種類型，本系統(tǒng)配套有PAC加藥系統(tǒng)1套，陰離子PAM加藥系統(tǒng)1套，陽離子PAM加藥系統(tǒng)1套，磁種由助凝池或者含磁污泥池補入系統(tǒng)，不再單獨設(shè)置磁種投加系統(tǒng)。

4 工程設(shè)計特點

(1)磁絮團的沉降速度高達40 m/h以上，磁種通過高剪切機和磁種捕捉器回收循環(huán)使用，磁種回收率99%以上，運行成本低。整個工藝的停留時間非常短，進水到出水低至20 min，有效減少占地面積，且總磷等大部分污染物出現(xiàn)反溶解過程的機率非常小。此外，磁種和絮凝劑對細菌、病毒、油及多種微小粒子都有很好的吸附作用，特別是除磷效果尤其顯著，出水TP低至0.02 mg/L，SS可降低至2 mg/L。

(2)本工程所用磁混凝沉淀設(shè)備為移動式集裝箱碳鋼防腐設(shè)備，集成混合系統(tǒng)、沉淀系統(tǒng)、磁回收系統(tǒng)、污泥系統(tǒng)及加藥系統(tǒng)等為一體，系統(tǒng)緊湊，各處理單元采用標準化設(shè)計，工程造價低，安裝操作簡單，從設(shè)備到廠至出水達標排放不足7 d，實現(xiàn)應(yīng)急處置工程的預(yù)期目標，相比土建結(jié)構(gòu)，該一體化設(shè)備具有很大優(yōu)勢。

5 工程運行效果

磁混凝沉淀一體化設(shè)備調(diào)試直接取用礦井涌水，整套設(shè)備從到廠、設(shè)計、施工、調(diào)試達標不超過7 d。該工程于2022年7月正式投產(chǎn)運行，運行期間出水穩(wěn)定達標，對進、出水水質(zhì)進行了一個月的連續(xù)監(jiān)測，出水指標優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標堆》(GB 18918—2002)一級A排放標準，出水COD、氨氮優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類標準。實測進出水水質(zhì)見表2。

表2 實際進出水水質(zhì)Tab.2 Actual influent and effluent water quality

6 投資及運行成本分析

本工程建設(shè)費用(包括設(shè)備費用、運輸、安裝、配套設(shè)施建設(shè)等)為112.3萬元，水運行費用為0.5元/m3，不含污泥處置費等，主要運行費用包括：①運行電耗為0.57 kWh/m3，電價按0.5元/kWh計，電費為0.28元/m3，主要為污水污泥提升、混合攪拌、污泥脫水電耗。②PAC、PAM、磁種藥劑費為0.22元/m3。該礦區(qū)現(xiàn)有污水處理廠運行成本0.8元/m3，本工程實施以后，運行費用降低0.3元/m3，節(jié)省運行成本109.5萬元/a，降低了煤礦污水處理運行費用。

7 結(jié)語

該煤礦礦井水應(yīng)急搶險工程采用磁混凝沉淀一體化工藝，設(shè)計、施工、調(diào)試達標不超過7 d，出水CODcr≤10 mg/L，BOD5≤8 mg/L，氨氮在0.1～0.2 mg/L，總氮≤4 mg/L，總磷≤0.02 mg/L，SS在2.0～5.0 mg/L，pH值7～8，優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標堆》(GB18918—2002) 一級A排放標準，COD、氨氮滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類標準，達到了預(yù)期設(shè)計要求。

本工程充分利用可移動式集裝箱模塊化建設(shè)的優(yōu)勢，完全能適應(yīng)污水應(yīng)急工程建設(shè)周期短、占地面積小、快速達標排放、經(jīng)濟可靠、靈活搬遷的要求，為礦井水應(yīng)急處理工程的設(shè)計建造和市場化運用積累寶貴經(jīng)驗。