寧東鴛鴦湖礦區礦井廢水處理工藝設計與利用*

唐 鳳，曹 凱，楊宏濤，白欣陽，吳長樹，康亞明

(1.北方民族大學化學與化學工程學院，寧夏 銀川 750021;2.神華寧夏煤業集團有限責任公司紅柳煤礦，寧夏 靈武 750411)

1 引言

鴛鴦湖礦區位于寧夏中東部地區，為典型的半干旱半沙漠大陸性氣候，其特點是冬季寒冷、夏季炎熱，晝夜溫差較大。根據靈武市氣象站1990～2005年氣象資料，本地區風向以正北或西北為主，風力最大可達8級，一般為4～5級，平均風速為3.1m/s;春秋兩季有時有沙塵暴;年平均氣溫為9.4℃，年最高氣溫為36.6℃(1997年)，年最低氣溫為－25.0℃(2002年);降水多集中在7、8、9三個月，年最大降水量為322.4mm(1992年)，最小降水量僅為116.9mm(1997年)，而年最大蒸發量高達1922.5mm(1999年)，為年最大降水量的6倍及最小降水量的16倍，年最小蒸發量1601.1mm(1990年)。

井下水處理站處理對象為該礦區紅柳礦井下水及麥垛山礦井下水，其中紅柳礦井下排水量為632m3/h，麥垛山礦井下排水量為766m3/h。井下水處理站設計規模:初期17000m3/d;后期34000m3/d。

2 礦井原水水質

根據寧夏煤炭質量檢測中心提交的《紅柳煤礦井下水水質監測報告》(取紅柳煤礦鉆孔水樣)井下排水屬高含鹽量水，含鹽量為12000mg/L～14000mg/L，總硬度為160～185度 (德國度)。

考慮到在生產過程中井下排水會受到巖屑、煤粉以及井下機械設備的污染[1－3]，同時參照區內同類型礦井井下排水水質資料，以及清倉時井下排水水質較差，COD、SS、油類等污染物值較高，本工程原水水質按如下設計:

SS:60～3000mg/L;

pH:6～9;

油:1.0～20mg/L;

CODcr:100～270mg/L;

含鹽量:12000mg/L～14000mg/L;

總硬度:160～185度(德國度)。

3 礦井水處理程度的確定

本井下水處理站出水主要用于礦井井下消防灑水、選煤廠洗煤補充水及矸石電廠冷卻循環補充水，各用水項目的用水水質分述如下:

(1)井下消防灑水用水水質執行《煤礦井下消防、灑水設計規范》(GB50383－2006)中井下消防、灑水水質標準，見表1。

(2)洗煤補充用水水質執行《煤炭洗選工程設計規范》(GB50359－2005)中的選煤用水水質標準，見表2。

表1 井下消防、灑水水質標準

表2 選煤用水水質指標

(3)電廠用水水質標準執行《工業循環冷卻水處理設計規范》(GB50050－2007)中再生水用作冷卻用水水質標準，見表3。

綜合以上各項目用水水質要求，為簡化處理系統，結合設計委托書的要求，確定本設計處理后的出水水質按各項目用水水質要求最高的指標執行。

4 工藝設計

4.1 處理工藝及流程

根據原水的水質及處理后的水質要求，本工程處理的重點是水中的懸浮物(SS)、化學需氧量COD、乳化油及溶解性固體等。

表3 再生水用作冷卻用水的水質標準

表4 處理后水質標準

目前國內礦井井下水處理工藝主要采用加藥、混凝、沉淀、上浮和過濾工藝去除水中的懸浮物和油類，采用反滲透工藝去除溶解性總固體。

本設計采用“預沉→混凝沉淀除油→無閥過濾→機械過濾→活性炭過濾→精密過濾→反滲透→消毒”工藝對井下水進行處理[4－6]。

4.1.1 工藝流程

紅柳礦井下排水由主斜井排出，利用余壓進入至工業場地井下排水處理站內的調節沉淀池，經過預沉后，出水經過潛水提升泵提升至凈水車間的迷宮斜板沉淀池，并投加混凝劑及助凝劑，經混凝、沉淀及除油后重力流至重力無閥濾池，過濾后的出水進入機械過濾器前調節水池。

經過預處理的麥垛山礦井下排水與紅柳礦井下水同時進入機械過濾器前調節池，在調節池內加入NaClO進行殺菌，再經泵加壓后進入機械過濾器、活性炭過濾器，在活性炭過濾器前加入還原劑、阻垢劑、酸添加劑，活性炭過濾器出水再進入精密過濾器，最后經高壓泵加壓進入反滲透機組進行脫鹽處理。脫鹽后的水進入復用水池，在復用水池加入ClO2進行消毒，最后根據各用戶復用水量分別用泵加壓供至各復用水點。

反滲透產生的濃鹽水進入濃鹽水池后，用泵加壓排至位于工業場地西南方向約三公里外的尾水庫。

調節沉淀池、迷宮斜板沉淀池的排泥進入污泥池內，由泵提升至污泥濃縮間，經濃縮后提升至污泥壓榨一體化脫水機，在污泥脫水前加入聚丙烯酰胺，脫水后污泥含水率在80%以下，用汽車運出廠外處置。

無閥濾池、機械過濾器及活性炭過濾器反沖排水經收集后提升至調節沉淀池內進行循環處理。

4.1.2 工藝特點

(1)預處理部分

預處理部分包括調節沉淀池、迷宮斜板沉淀池及重力式無閥濾池。

①調節沉淀池:主要特點是調節容積大，能夠調節井下排水瞬時流量大、排水時間不確定等因素引起的水量不均勻，可以適應井下清倉時井下排水水質差、沖擊負荷大的特點。同時，由于其設計為平流沉淀池，具有停留時間長、沉淀效果好且出水水質穩定的特點。

②迷宮斜板沉淀池:主要由混合、反應破乳除油及沉淀等處理單元組成。

高密度迷宮斜板沉淀池比傳統普通斜板沉淀池效率高，節省占地面積，是處理礦井污水的比較理想的沉淀設備，并且經過國內多家工程實踐的檢驗。其主要優點如下:

a.高密度迷宮斜板雷諾數(Re值)小，能夠有效抑制顆粒沉降的水力脈動，從而大大降低水流細部擾動對礬花沉降的負面影響;

b.高密度迷宮斜板間距小，阻力大，因此具有布水均勻不短流的優點;

c.高密度迷宮斜板無側向約束，不積泥，從而保證較小的礬花絮凝體亦可有效去除;

d.高密度迷宮斜板沉泥面積與排泥面積相等，排泥面積大，大幅度提高了沉淀池排泥負荷;

e.高密度迷宮斜板采用優質聚合物材質，具有很高的表面光潔度，且該種材料有疏水性質，礬花不易附著，更利于排泥;

f.高密度迷宮斜板較普通斜管傾斜角更大，達到66°，進一步提高了其排泥效果;

經過高效混凝反應池和高密度迷宮斜板沉淀池反應、沉淀和除油后，出水濁度減小，其它指標也達到下一處理單元進水要求。

③重力式無閥濾池:進一步降低水中懸浮物，保證出水水質，滿足深度處理的進水要求。

經過上述各項預處理后，出水水質可達到:

PH:6～9;

色度:≤30度

濁度:≤3NTU;

懸浮物粒徑:＜0.3mm;

CODcr:≤30mg/L

氨氮:≤10mg/L

石油類:≤1mg/L。

(2)深度處理部分

通過反滲透可去除水中絕大部分的鹽分及大分子有機物。由于其處理過程耗能少，設備體積小，操作簡單，適應性強，因此在水處理中應用范圍日益擴大，已成為重要的水處理方法，是目前脫鹽除硬的最經濟有效的手段之一。

為滿足反滲透的進水要求，對預處理出水進行再處理，以去除膠體、懸浮顆粒物、有機污染物等影響反滲透正常運行的物質，其工藝過程為:機械過濾器→活性炭過濾器→精密過濾器。本工藝可確保反滲透裝置的進水水質穩定，SDI值在設備允許的范圍內，使系統連續、高效運行。

深度處理部分包括:機械過濾器、活性炭過濾器、機械過濾器、精密過濾器、反滲透機組、還原劑投加系統、阻垢劑及酸投加系統、膜清洗裝置、膜沖洗裝置。

①機械過濾器

機械過濾器為壓力式過濾器，它利用容器內填裝一定高度無煙煤和級配石英砂濾料的間隙，通過攔截、沉淀、慣性、擴散和水動力作用使得在絮凝劑作用下已經脫穩的懸浮物顆粒，在范德華引力和靜電力以及化學吸附力的作用下，粘附于濾料顆粒表面從而進一步降低水的濁度，而且水中的有機物、細菌乃至病毒等隨著水的濁度的降低而部分被去除。

②活性炭過濾器

活性炭過濾器是一種內裝填粗石英砂墊層及優質活性炭的壓力容器。其工作主要是通過炭床來完成的。組成炭床的活性炭顆粒有非常多的微孔和巨大的比表面積，具有很強的物理吸附能力，此外活性炭表面非結晶部分有很多含氧官能團，可有效吸附水中的有機污染物，對水中膠體及產生色素的物質、異味、重金屬離子、COD等有較明顯的吸附去除作用。可以進一步降低反滲透裝置進水的SDI值，保證SDI＜5，TOC＜2.0ppm。活性炭過濾器是一種較常用的水處理設備，作為脫鹽系統的前處理環節可有效延長后續設備使用壽命，提高出水水質。

③精密過濾器

精密過濾器作為反滲透系統的保安過濾裝置，可以進一步去除水中殘留的機械雜質、小分子膠體、一定分子量的有機物等，其過濾精度為5μm，可確保進入反滲透裝置的水質穩定，減少反滲透膜件的清洗次數，提高膜的使用壽命，保證反滲透系統的正常穩定運行。

④反滲透機組

反滲透機組由高壓泵及反滲透膜件等組成。

a.高壓泵

高壓泵提供反滲透的推動力，是反滲透膜系統的關鍵設備，其運行是否正常，直接影響著反滲透過程運行的經濟性和持續穩定性。

b.反滲透膜組件

反滲透膜組是反滲透系統的“心臟”，其作用是去除水中的可溶性鹽份、膠體、有機物及微生物。

反滲透過程是滲透過程的逆過程，即在壓力作用下，采用半透膜的分離過程。反滲透主要是將溶劑和溶劑中離子范圍的溶質分開，過濾精度＞0.001μ。

⑤反滲透機組輔助系統

反滲透機組輔助系統主要由還原劑、酸、阻垢劑添加系統及膜清洗和沖洗系統組成。

a.還原劑投加系統

添加還原劑目的是為了對原水中殺菌所剩余的余氯等氧化性物質的氧化性進行還原，使其不具備氧化能力，避免強氧化性使膜自身材料受到氧化降解破壞。

工藝通過氧化還原電位儀與變頻加藥泵連鎖自動控制加藥量。

b.阻垢劑、酸投加系統

反滲透過程是一個脫鹽、濃縮的過程，為了防止反滲透濃水側特別是反滲透壓力容器中的最后一、二根膜元件的濃水側出現無機鹽類的結垢，從而影響反滲透膜的性能，在進反滲透前投加加酸及阻垢劑，以調節pH值，減輕反滲透膜濃水側的結垢趨勢。

c.膜清洗系統

反滲透設備運行一段時間后，由于各種原因，可能會在反滲透膜表面產生各類污垢，致使反滲透膜性能下降，這時必須清洗來保證膜的透水量。在同樣產水量下，膜運行壓力超過10%或同等壓力下，產水量減少10%時清洗，膜的通量恢復較好，可保證恢復膜的原有產水量。為保證反滲透膜的性能，每次清洗過程時間約需3h。

本設計中反滲透膜組配有一套清洗裝置，可方便地對反滲透膜組進行化學清洗。

d.膜沖洗裝置

當反滲透系統停機時，膜元件內部的水處于3倍的濃縮狀態，在水流靜止的情況下，容易沉積造成膜組件的污染，需用淡水沖洗膜表面以防污染。在系統停、開機時，可沖洗膜元件，保證膜元件的正常壽命。

4.1.3 濃鹽水處置

由于本井下水水量大，產生濃鹽水量也較大，后期可達到13440m3/d。一般反滲透產生的濃鹽水有兩種處置辦法，一種是再進行反滲透處理，另一種辦法是自然析鹽。

本處理站產生的濃鹽水含鹽量為30000～35000mg/L，大于海水的含鹽量，若再進行反滲透處理，產水量低，膜容易堵塞，壽命短，處理設備投資高，運行成本大，處理成本達到8～10元/t，而且運行管理復雜。由于本地區蒸發量大，故設計考慮將濃鹽水排至尾水庫進行自然蒸發濃縮，濃縮鹽水可作為工業用鹽。

4.2 設計參數

(1)調節沉淀池

調節容積:V有效=5200m3(按8小時平均流量設計);

平均沉淀時間:t=8.0h;

水平流速:v=6.3mm/s;

表面負荷:=1.85m3/(m2·h);

(2)迷宮斜板沉淀池

沉淀時間:t=2.0h;

表面負荷:=6.2m3/(m2·h);

斜板長度:1.0m;

斜板間距:80mm;

斜板傾角:66°;

(3)無閥濾池

平均濾速:2.1mm/s;

反沖洗強度:15L/m2s;

(4)機械過濾器、活性炭過濾器

平均濾速:1.9mm/s;

反沖洗強度:15L/m2s;

(5)反滲透機組

反滲透機組產水率:60%;

反滲透機組脫鹽率:95%;

反滲透機組進水壓力:3.0MPa。

反滲透膜的進水條件:如表5所示。

表5 反滲透膜的進水條件

5 結束語

寧東能源基地是寧夏的“頭號工程”——是集電力、煤化工為一體的特大型能源化工基地，成為西部大開發的標志性工程，并被列為國家13個億噸級大型煤炭生產基地之一。然而，該煤田地處西北干旱地區，地質與生態條件極其脆弱，水資源極度匱乏，如何實現該地區礦井廢水的重復利用具有重要的實際意義。

經過處理后的水應盡可能進行復利用，首先，處理后井下排水首先考慮復用于紅柳礦井井下消防灑水、紅柳洗煤補充用水、黃泥灌漿用水及麥垛山礦井復用水，剩余水量復用于矸石電廠生產用水。

初期:紅柳礦井井下消防灑水復用量2300m3/d;紅柳洗煤廠補充用水復用量4850m3/d;黃泥灌漿用水750m3/d;麥垛山礦井復用水量2100m3/d。

后期:紅柳礦井井下消防灑水復用量2300m3/d;紅柳洗煤廠補充用水復用量4850m3/d;黃泥灌漿用水750m3/d;麥垛山礦井復用水量2700m3/d;矸石電廠9400m3/d。

[1]陳海峰.酸性礦井水的成因和防治對策[J].煤礦環境保護，1992，7(1):7－10.

[2]李龍海，繆應棋.酸性礦井廢水生化處理及其資源化的探究[J].江蘇理工大學學報，1998，19(2):69－73.

[3]胡文容，高廷耀.酸性礦井水的處理方法和利用途徑[J].煤礦環境保護，1994，8(1):17－2l.

[4]孫燕.煤礦礦井廢水處理工藝改進的應用研究[J].能源環境保護，2009，23(5):41－42.

[5]趙虎群，王庚平，劉莉.反滲透水處理技術在煤礦礦井廢水處理回用中的應用[J].甘肅科技，2009，25(4):38－41.

[6]李曉波，王曉靜.膜分離技術及其在廢水處理中的應用[J].河北工業科技，2005，22(4):207－211.