煤礦礦井水處理工藝及工程實踐

張擁軍， 李永彥， 楊金花

(1.山西省陽泉固莊煤礦，山西 陽泉 045000；2.山西凱爾環(huán)保科技有限責任公司，山西 太原 030000)

引 言

礦井水實際上就是礦區(qū)所采煤層地下水滲流的同時與煤層和巖層接觸，并伴隨著一系列的物理化學和生物化學反應，進而形成礦井水[1]，有時也含有少量滲入的地表水[2]。其來源包括兩個方面：一是自然地下水，即，煤炭開采過程中涌(滲)入巷道的地下水，為確保安全生產(chǎn)應排出；二是煤塵礦井水，即，井下采煤生產(chǎn)過程中灑水降塵、滅火、灌漿、消防及液壓設備產(chǎn)生的含煤塵礦井水[3]。礦井水的水質(zhì)差異很大，其特性取決于成煤的地質(zhì)環(huán)境和煤系底層的礦物化學成分，具有明顯的煤炭行業(yè)特征。礦井水基本上屬于微污染工業(yè)廢水[2]，水中普遍含有懸浮物以及可溶的無機鹽類，有機污染物較少，一般不含有毒物質(zhì)，放射性指標在低放水平，此水多呈灰褐色，感觀性差[4]。但是，礦井水也是一種寶貴的地下水資源，它的任意排放不僅造成礦區(qū)水資源緊缺，還會產(chǎn)生地表、地下水污染[5]。因此，開發(fā)礦井水資源化技術(shù)，綜合利用礦井水，對于避免礦區(qū)水環(huán)境污染和防止水資源流失具有顯著的環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益[6-8]。

山西省陽泉固莊煤礦位于陽泉市郊區(qū)固莊村東500 m處，固莊煤礦是山西陽泉蔭營煤礦的一個井口，該井口1965年建立，1970年投產(chǎn)，生產(chǎn)能力為450 kt/a，與蔭營煤礦相距10 km。固莊煤礦1985年開始改擴建，1992年礦井改擴建工程竣工投產(chǎn)后，形成了一座綜合生產(chǎn)能力為1 500 kt/a的礦井，煤礦井田面積14.006 5 km2。現(xiàn)山西省陽泉固莊煤礦礦井水處理站設計規(guī)模為100 m3/h，隨著山西省固莊煤礦開采范圍的不斷擴大，礦井水水量也比原來有所增加，平均涌水量為163.22 m3/h，處理能力無法滿足礦井水處理規(guī)模需求，據(jù)此，固莊煤礦礦井水處理廠迫切需要進行擴容及升級改造，以滿足環(huán)保要求；并考慮未預見水量，確定處理規(guī)模為4 800 m3/d，平均設計流量為200 m3/h。

1 水質(zhì)特征

礦井水主要污染物為采煤過程中煤粉和巖粉混入水中形成含量較高的懸浮物，使水的顏色呈灰黑色[9]。礦井水原水水質(zhì)詳見表1。

表1 陽泉固莊煤礦礦井水原水水質(zhì)及排放標準

由表1可看出，礦井水懸浮物、總硬度、COD、BOD5、鐵、錳等指標超標嚴重，屬于高懸浮物、高礦化度礦井水類型。其水質(zhì)特征主要表現(xiàn)為：1) 懸浮物含量高。礦井水含有的懸浮物濃度大，且粒徑差異大，比重輕，沉降速度慢；2) 鐵等金屬元素以及無機鹽類含量高。鐵質(zhì)量濃度在11.95 mg/L，遠大于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)III類標準中要求的Fe值(0.3 mg/L)；3) COD值高。COD值在135 mg/L，遠大于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)III類標準中要求的COD值(20 mg/L)；礦井水中的CODcr是煤屑中碳分子的有機還原性所致，它將隨著懸浮物的去除而消失，故不需要進行生化處理；4) 含有一定量的石油類，其主要來自井下機械設備。

2 處理工藝

2.1 工藝流程

根據(jù)陽泉固莊煤礦礦井水原水水質(zhì)情況和處理后水質(zhì)目標要求，本項目整體采用：“格柵+預沉池+混凝沉淀池+曝氣生物濾池+錳砂二級過濾+細砂過濾+反滲透”礦井水處理工藝。工藝流程如圖1所示。

圖1 礦井水處理工藝流程

工藝流程：

(1) 礦井水進水先通過格柵井，去除污水中的漂浮物，后經(jīng)巴氏計量槽進入預沉池，在預沉池中進行一定時間的沉淀，以去除大量煤泥及懸浮物；污水在進入預沉池初期可增加曝氣管，去除一定量的石油類物質(zhì)，經(jīng)過預沉池沉淀后的出水經(jīng)提升泵進入混凝沉淀池，在混凝沉淀池適當投加混凝劑對廢水進行物化處理，去除大量的懸浮物和部分COD；經(jīng)混凝沉淀處理后出水進入1#曝氣生物濾池，在曝氣生物濾池中進行生物降解，通入空氣進行曝氣，產(chǎn)生硝化反硝化反應，去除一部分BOD和NH3-N；后通過管道輸送至廠區(qū)中間曝氣池，通過曝氣，使鐵、錳氧化，然后經(jīng)提升泵提升進入錳砂二級過濾裝置，去除鐵、錳離子；經(jīng)錳砂過濾后出水到礦井水深度處理提升水池。

(2) 礦井水深度處理提升水池的水經(jīng)細砂提升泵提升至深度處理車間進行深度處理，經(jīng)過細砂過濾、反滲透處理后出水可達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中Ⅲ類標準，剩余的50%反滲透出水用于鍋爐的補給水。反滲透濃水用于矸石場噴灑。

(3) 預沉池、混凝沉淀池產(chǎn)生的污泥與現(xiàn)有化學預沉器的污泥一并通過管道輸送至污泥池提升至污泥濃縮池，進行濃縮；后通過螺桿泵，輸送至污泥脫水機房，由壓濾機濃縮脫水后，泥餅與礦井煤泥一并外銷。

2.2 主要建(構(gòu))筑物及參數(shù)

根據(jù)處理規(guī)模和工藝需求，確定了主要建(構(gòu))筑物，具體情況見表2。

表2 主要建(構(gòu))筑物及參數(shù)

3 運行效果

陽泉固莊煤礦礦井水處理系統(tǒng)經(jīng)一段時間的運行，水處理設施運轉(zhuǎn)良好、出水水質(zhì)穩(wěn)定，各項指標均達到了相關(guān)規(guī)定要求，處理后可作煤礦生產(chǎn)用水，具體處理后出水水質(zhì)見表3。

表3 礦井水處理效果

由表3可以看出，經(jīng)處理后礦井水石油類去除率達98.9%，錳去除率達95.5%；各項指標均達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準要求。其中，COD為18 mg/L，BOD5為3.3 mg/L，能夠滿足井下消防、灑水水質(zhì)標準要求。

4 結(jié)語

(1) 陽泉固莊煤礦礦井水水質(zhì)特征表現(xiàn)為：懸浮物高，總硬度、COD、BOD5、鐵、錳等指標超標嚴重，處理后作為煤礦生產(chǎn)用水有一定的優(yōu)勢。

(2) 陽泉固莊煤礦礦井水經(jīng)過“格柵+預沉池+混凝沉淀池+曝氣生物濾池+錳砂二級過濾+細砂過濾+反滲透”處理工藝，可以達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)Ⅲ類標準要求，作為煤化工的生產(chǎn)水及循環(huán)水，實現(xiàn)了礦井水綜合利用。

(3) 運行實踐表明,該工藝合理、穩(wěn)定可靠、出水水質(zhì)好、操作管理簡單，具有一定的推廣應用前景。