礦井廢水處理優化技術研究

田衛平

(1.太原理工大學，山西太原 030024; 2.西山煤電集團設計院，山西太原 030053)

0 引言

礦井廢水是指采煤過程中，所有滲入井下采掘空間的水。水質主要受當地地質年代、地質構造、各種煤系伴生礦物成分、所在地區的環境條件等因素的影響。礦井廢水經礦井排水系統抽排出地面，在地面進行廢水處理。

據統計，2006年全國煤礦礦井涌水量約在42億m3。資料顯示，近20年間，山西礦井水排放造成的經濟損失累計達到340.5億元。在“十二五”規劃中，全國礦井水年產生量70.92億m3，利用量54億m3左右，要求利用率75%，達標排放率100%。

1 西山礦區礦井廢水水質分析

西山礦井水水質見表1。

結合表1，經過調研，得出西山礦區各礦井廢水水質特點：1)懸浮物高，正常時值在40 mg/L～200 mg/L，井下清倉時會達到1 000 mg/L～3 000 mg/L，甚至更高。2)pH值接近中性。3)BOD5遠小于COD，主要是煤粉煤屑中碳原子的有機還原性所致。4)硬度高，均高于《生活飲用水衛生標準》所規定的450 mg/L，礦化度高。

2 西山礦區礦井廢水處理工藝

西山礦區礦井廢水處理工藝見圖1。

圖1 礦井廢水處理工藝圖

礦井廢水經調節池處理后，經混凝沉淀和過濾工藝的處理后經消毒后至中水回用水池，回用至地面沖廁、澆灑、矸石山、選煤廠補充用水等雜用水。部分中水經過深度處理后供給井下、地面鍋爐房、電廠等用水。

3 礦井廢水處理工藝優化

3.1 調節池

1)調節池容積：由于井下排水是間斷式排水(要求20 h排出24 h的排水)，同時由于井下地質構造、探放水和季節性差異，排至地面的水是不連續的，且變化幅度較大。而地面處理設施其運行要求是連續的，調節池要求有足夠的調節能力。同時礦井逐漸向深部開采，西山礦區礦井排水量呈逐漸增大的趨勢，礦井廢水處理站改造優化時需充分考慮調節池的調節能力，調節池容積要求根據來水曲線和供水量經過計算，其容積可按照4 h～8 h(日平均時)處理水量計算。否則易造成來水量過大，后續設施來不及處理，造成調節池溢流，污染環境。

2)調節池預處理：調節池中的預處理設施，根據設計思路的不同，礦區有兩種預處理設施：a.在調節池中設攪拌裝置(高壓水、空氣管或攪拌器)，保證調節池中水不停攪動，不沉降，由渣將泵提升至后續設施處理。在調節池和凈水設施中間設旋流器等設施去除大粒徑顆粒，沉泥定期排至排泥水溝，可減輕后續凈水設施的負荷。本設計方法在官地礦和屯蘭礦中運用。b.把調節池設計為平流沉淀池，礦井水中的粒徑大于50 μm的微粒，不須加藥即可自然沉淀去除，基于此原理，在池頂設計刮泥機，來水在平流沉淀池中進行預沉，污泥經污泥泵提升至污泥池處理。馬蘭礦、東曲礦、鎮誠底礦采用此方式。經實際運行比較后一種工藝較為適用，前一種方式在實際運行中發現調節池中的攪拌裝置連續運行時不存在問題，在檢修時，大量污泥沉降，由于煤泥不易攪動，攪拌裝置就會無法運行，運行操作管理水平要求嚴格，且后續設施加藥量大，需定期人工清理池內污泥，勞動強度大。現有工藝改進時，調節池改造中可增設潛水攪拌機并在池頂增設吸泥機。后一種方式在預沉池中進行了初步沉淀，減少了后續設施的加藥量，較為經濟，運行管理簡單，便于操作。

3.2 混凝沉淀和過濾工藝

礦井水中的粒徑小于50 μm的微粒，可用加藥混凝沉淀去除。目前西山礦區采用的混凝沉淀工藝有以下兩種：

1)澄清、過濾工藝流程(見圖2)。

圖2 澄清、過濾工藝流程

2)反應、沉淀、過濾工藝(見圖3)。

圖3 反應、沉淀、過濾工藝流程

反應、沉淀和澄清均屬于混凝沉淀，在實際運行中了解到兩種方式均能處理礦井廢水，經過比較采用澄清過濾工藝的優點有：a.出水懸浮物更低，且易于控制。b.澄清池在凈化過程中耐沖擊負荷能力強，處理穩定性高。c.對礦井水中的油類物質有去除率高，澄清池泥渣回流，使藥劑得以充分利用，同時泥渣有利于懸浮物質與絮體間的相互碰撞，增大絮體力度，加快絮凝體的沉降速度。

針對礦區用地的緊張，處理系統自動化要求高的特點，礦區在礦井廢水處理站改造時采用了一體化凈水器，即混凝沉淀過濾一體，占地面積小、上馬快，自控水平高的優點。但在選用時應注意到幾點：a.凈水器優先選擇處理高濁度凈水器(適應原水濁度3 000，出水濁度＜10)，以適應懸浮物增大的影響。b.凈水器混凝沉淀過程優先采用含澄清工藝(懸浮澄清等)，對來水濁度適應力強。c.反沖洗過程選擇自動化程度高且可控的系統，做到自動手動均可，便于調節。d.濾料不宜選擇塑料濾珠(油類污染物易堵塞)，最好選擇無煙煤、石英砂等濾料。

3.3 深度處理工藝

原先設計礦井廢水排放標準為《城鎮污水處理廠綜合排放標準》一級A標準，為滿足礦區廢水資源化的目標，中水復用，礦井水零排放，要求分別滿足《井下消防灑水水質標準》《城市污水再生利用》《生活飲用水衛生標準》等，解決不同用戶對水質的不同要求，需對部分中水進行進一步深度處理達到用水要求。

西山礦區目前使用的深度處理工藝有以下幾種：離子交換工藝、反滲透、超濾工藝。

離子交換工藝主要適用于鍋爐房等軟化用水要求設施，但由于去除了鈣、鎂離子等人體必需的礦物質，而大量增加了鈉離子，軟化水不宜作為飲用水。另外軟水容易腐蝕管路，使金屬管路生銹穿漏，所以離子交換軟化水不宜于長距離輸送。

使用效果較好的為超濾工藝，超濾主要作用是減少原水中的濁度、懸浮物和有機物、細菌、病毒和病原體，以達到凈化原水目的。超濾過程是在膜兩側產生一定的壓力差后，水、低分子物質和無機鹽透過膜，而大分子物質、膠體等被半透膜所截留。超濾截留粒徑0.01 μm～0.1 μm。針對鍋爐房等要求軟化用水的要求可在礦井水處理站進行超濾處理，超濾水供至鍋爐房再進行離子交換工藝。針對井下消防灑水，原先對井下消防灑水是直接利用礦井混凝沉淀過濾后的中水，隨著井下用水設備對用水水質的要求提高，同時煤礦井下施救系統的要求，且井下供水施救管網與消防灑水一般為合用管網，采用原先中水不能滿足用水要求，若處理為飲用水水質標準，成本過高。目前東曲礦采用方式為對井下消防灑水進行超濾處理較為合理，井下飲水用供水點單設小型水處理設備滿足井下飲用水水質要求。

針對礦區生活用水要求，由于水中硬度約為600 mg/L，硫酸根≈1 200 mg/L，遠大于生活飲用水衛生標準，長期飲用會造成腹瀉等癥狀，若處理為飲用水應采用反滲透(RO)工藝進行處理。目前鎮城底礦深度處理采用反滲透工藝，由于產水成本高，適合小水量使用。

4 礦井廢水處理新工藝

隨著礦井深部開采，礦井廢水的排水量逐年呈增大趨勢，礦井廢水處理規模需加大，有的甚至增加到原來的2倍以上，由于廠區占地的制約因素，需在原廠址基礎上進行擴建，調節池需增大，若按照傳統的混凝沉淀方法占地較大，工藝設計較為困難，因此，微濾處理工藝有良好的應用前景。

微濾又稱微孔過濾，截留溶液中的砂礫、淤泥、黏土等顆粒、小分子及少量大分子溶質都能透過膜的分離過程。截留大小在0.1 μm以上的物質，針對礦井廢水來說，主要污染物為懸浮物，懸浮物粒徑為0.1 μm以上，現在一般微濾采用陶瓷膜、管式膜。

礦井廢水，經過調節水池后，由提升水泵送至膜系統入口，膜組件內的輸料泵加壓輸送到保安過濾器中，攔截大顆粒的煤粉等，以保護膜元件，再由循環泵增至一定的壓力和流量進入膜組件中進行分離。小于膜分離孔徑的物質例如水、無機鹽、小分子物質等在壓力的作用下，穿透過膜表面，被分離開來形成透析液，進入到產水罐。而懸浮物顆粒、大分子菌體無法穿透過膜表面，從而形成截留液，排出膜系統。

采用微濾替代混凝沉淀過濾工藝的優點是占地非常小，處理水量大，模塊化，自動化程度高，適用于礦井水處理站的改擴建。

5 結語

為便于礦井廢水處理站的正常運行，減輕工人勞動強度，保證穩定可靠的處理效果，在改擴建中礦井廢水處理工藝優化是非常重要的，同時，根據礦井廢水資源化的目標，實現礦井廢水零排放，要求中水回用，為滿足不同的使用水質的要求，礦井水處理工藝需進行進一步的改進。礦井廢水處理站要求對來水調節能力強，一級處理要求對水質的變化適應能力強，出水穩定，礦井廢水處理站不僅是進行廢水處理，同時要求深度處理，成為供水中心，滿足礦區用水要求。因此礦井水處理工藝局部的改造優化是勢在必行的，適用于礦井水的一級處理和深度處理的成套化的先進處理工藝會越來越多的得到應用。

［1］ 曹祖民，高 亮.礦井水凈化及資源化成套技術與裝備［M］.北京：煤炭工業出版社，2004.

［2］ 崔玉川.煤炭礦井水處理回用利用技術進展［J］.工業用水與廢水，2000(2)：43-44.