曹家灘煤礦礦井水處理技術(shù)工程案例探討

王 信, 楊 軍

(中煤科工集團北京華宇工程有限公司,北京100120)

礦井水是伴隨井下煤炭生產(chǎn)產(chǎn)生的一種工業(yè)廢水,同時又是一種重要的水資源[1]。曹家灘煤礦地處榆林市北部,毛烏素沙漠南部,此處為半干旱地區(qū),常年風(fēng)沙嚴(yán)重,屬于重度缺水地區(qū)。通過技術(shù)手段將礦井水轉(zhuǎn)化為礦內(nèi)生產(chǎn)、生活自用水,使生產(chǎn)廢水充分利用,形成資源[2],不僅節(jié)約生產(chǎn)礦井用水成本同時還可以極大緩解附近水源緊缺矛盾,這對于干旱沙漠地帶有實用意義。曹家灘煤礦正常生產(chǎn)能力內(nèi)涌水量為881 m3/h,新建礦井水處理站處理能力為1 200 m3/h,處理后出水主要用于工業(yè)場地地面消防、地面生產(chǎn)、井下消防用水和生活洗漱用水,其中還有一部分作為化工用水外排。礦井水處理站自建成并投產(chǎn)以后,對于水資源的循環(huán)利用具有指導(dǎo)及生產(chǎn)意義[3]。

1 曹家灘煤礦水源特征

曹家灘煤礦礦井水質(zhì)分析結(jié)果表明,礦井水的主要超標(biāo)項是濁度、懸浮物,但pH值、BOD5、礦化度、硫酸根和氟化物等指標(biāo)與地下水水質(zhì)分析相應(yīng)指標(biāo)不穩(wěn)定,有時略有升高,但不超標(biāo),石油類、CODcr、砷和硫化物,屬于正常范圍,這一點基本上反映了由地下水轉(zhuǎn)化為礦井水的過程中,受井下污染而引起的水質(zhì)變化情況,總體上呈現(xiàn)出水量不穩(wěn)定、懸浮物高和低有機物污染的特點[4-5]。基于以上的分析與分質(zhì)用水需求,可以認(rèn)為進(jìn)行礦井水處理的主要目標(biāo)是去除濁度、懸浮物等超標(biāo)污染成分,使礦井水轉(zhuǎn)化為可利用水資源[6]。

1.1 礦井水來源

曹家灘煤礦年生產(chǎn)能力15 Mt/a,正常生產(chǎn)能力內(nèi)礦井水的涌水量為21 144 m3/d,其水量主要來源于第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層、第四系中更新統(tǒng)離石黃土弱含水層,風(fēng)化巖基巖裂隙承壓水含水層,侏羅系中統(tǒng)直羅組孔隙裂隙承壓含水層[7]。

1.2 礦井水水質(zhì)特征

礦井水的主要污染物為采煤過程中的煤粉混合物與巖粉、礦粉等,在礦井水經(jīng)過井下煤倉沉淀以后,由提升泵房提升至地面的礦井水處理站,此時的礦井水主要含有煤粉、煤渣、巖粉、礦粉等,使水體呈現(xiàn)出灰色或者黑色。依據(jù)例行監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示:

1)懸浮物含量高。懸浮物含量為242 mg/L～1 400 mg/L之間,波動較大,并且依據(jù)實際運行發(fā)現(xiàn),懸浮物中含有部分粒徑在2 mm～8 mm左右的煤渣顆粒物。

2)水質(zhì)偏堿性。依據(jù)連續(xù)進(jìn)水水質(zhì)監(jiān)測,進(jìn)水pH值在8.39～10.34之間,其原因之一是目前井下仍有少量的施工任務(wù),造成pH值不穩(wěn)定;另一個原因是煤礦處于風(fēng)化巖基巖裂隙承壓水含水層,含有豐富的鈣、鎂離子,使水體呈現(xiàn)弱堿性[8]。

3)水質(zhì)指標(biāo)不穩(wěn)定。進(jìn)水水質(zhì)整體呈現(xiàn)懸浮物高、堿性高,礦化度大部分時間穩(wěn)定在100左右,含有少量石油類與氟化物,石油類主要是井下機械沖洗造成的,不含有重金屬與磁化物等。曹家灘煤礦水質(zhì)特征如表1所示。

表1 曹家灘煤礦水質(zhì)特征

注:“-”表示未檢出,“/”表示不做要求

2 水處理工藝介紹

根據(jù)第一節(jié),曹家灘煤礦礦井水主要污染物為懸浮物(SS)、濁度,氟化物,pH略高。礦井水回用主要用于澆花灑水、井下消防灑水、洗煤廠用水。水處理工藝主要構(gòu)筑物分為一體化綜合處理車間、綜合處理車間、污泥處理車間。三段工藝流程主要為預(yù)處理段、深度處理段、污泥處理系統(tǒng)[9-10],其工藝流程圖見圖1。

2.1 預(yù)處理段

礦井水首先進(jìn)入一體化綜合處理間,一體化綜合處理間分為兩部分。

第一部分為預(yù)沉調(diào)節(jié)池,共分為兩格,每格分別進(jìn)水,設(shè)計水力停留時間為1.5 h,可加入少量PAC藥劑助沉。預(yù)沉調(diào)節(jié)池出水經(jīng)由一級提升泵或者高液位自流進(jìn)入后續(xù)部分絮凝斜管沉淀池。絮凝斜管沉淀池分兩格,池頂部為斜管,底部為泥斗。預(yù)沉調(diào)節(jié)池出水在進(jìn)入絮凝斜管沉淀池之前經(jīng)過管道混合器,與加入的PAC藥劑與PAM藥劑充分混合以后進(jìn)入絮凝斜管沉淀沉淀池的前端反應(yīng)區(qū)。共設(shè)計六個反應(yīng)區(qū),其中前部為混合攪拌區(qū),后段為重力流混合區(qū),經(jīng)過混合區(qū)以后進(jìn)入到斜管池。上清液經(jīng)由絮凝斜管沉淀池上部集水器流入轉(zhuǎn)輸水池,下部主要大、小懸浮物顆粒經(jīng)斜管沉淀后沉入泥斗。預(yù)沉調(diào)節(jié)池池底與絮凝斜管沉淀池池底均設(shè)計為漏斗形狀,采用重力式壓力排泥,排入污泥池。轉(zhuǎn)輸水池的水體經(jīng)過加氯消毒后外供至洗煤廠用水。

2.2 深度處理段

深度處理段主要采用重力式無閥濾池和超濾膜凈水工藝。重力式無閥濾池采用半地下混凝土結(jié)構(gòu),設(shè)計率速為6.9 h,采用500 mm厚鵝卵石墊層和700 mm厚活性沙濾層。無閥濾池為活性沙自動砂濾,依據(jù)過濾阻力自動反沖洗活性沙,使用方便靈活。轉(zhuǎn)輸水池清水經(jīng)過提升泵提升至重力式無閥濾池,出水一部分進(jìn)入生產(chǎn)消防水池,主要用于地面生產(chǎn)沖洗水和礦井地面消防用水,另一部分進(jìn)入轉(zhuǎn)輸清水池。轉(zhuǎn)輸清水池水體經(jīng)過超濾進(jìn)水泵提升至超濾膜組,超濾膜組件單套處理能力設(shè)計為120 m3/h,超濾膜設(shè)備配套建設(shè)超濾進(jìn)水過濾器、超濾反洗過濾器、超濾清洗過濾器、超濾加藥清洗設(shè)備等,主要輔助超濾膜組件實現(xiàn)自動運行,自動化控制。超濾出水經(jīng)過加藥消毒以后一部分進(jìn)入日用生活清水池,另一部進(jìn)入井下消防灑水池。日用生活水池水體主要用于淋浴,井下消防灑水池水體主要用于井下消防灑水[11-12]。表2為2019年度5月-9月各階段出水水質(zhì)的平均監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖1 礦井水處理系統(tǒng)工藝流程圖

表2 出水水質(zhì)分析

注:ND代表未檢出,超濾出水懸浮物檢測為濁度。

從出水監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出,第一階段出水與超濾出水分別滿足主要控制指標(biāo)均滿足《煤炭洗選工程設(shè)計規(guī)范》(GB50359-2005)、《煤礦井下消防、灑水設(shè)計規(guī)范》(GB50383-2006)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),并能穩(wěn)定運行。

2.3 污泥處理系統(tǒng)

污泥處理系統(tǒng)主要分為污泥濃縮工藝階段和污泥處理工藝階段。一體化綜合處理車間污泥經(jīng)過重力排泥進(jìn)入到污泥池,污泥池污泥經(jīng)過污泥泵提升至污泥濃縮池進(jìn)一步濃縮,濃縮完成以后,經(jīng)由污泥進(jìn)料泵提升至污泥處理車間,污泥處理車間設(shè)置有3臺IK帶式壓濾機,將濃縮后污泥進(jìn)一步壓餅成型,裝車外運。濃縮池上清液與污泥壓濾機產(chǎn)生的污水回流至污泥池,經(jīng)過污水泵提升至一體化綜合車間的預(yù)沉調(diào)節(jié)池,形成閉環(huán)管理。

3 礦井水處理站工藝優(yōu)勢分析

曹家灘礦井水處理站主要去除懸浮物及顆粒物,在去除懸浮物的過程中伴隨去除了部分氟化物,降低了出水pH值,處理站出水滿足了地面生產(chǎn)消防用水、井下消防灑水、洗煤廠用水、淋浴用水、地面景觀水體用水水質(zhì)要求。礦井水處理站工藝優(yōu)勢主要有:

1)從預(yù)處理階段采用加藥設(shè)計,能從最大程度上降低后續(xù)段懸浮物的濃度,降低絮凝斜管沉淀池的壓力,同時減輕了預(yù)沉調(diào)節(jié)池至絮凝斜管沉淀池中間管道混合器的加藥壓力。

2)采用重力式泥斗排泥,可有效避免因傳統(tǒng)桁車式吸泥機存在流動不暢、管渠阻塞,影響環(huán)境衛(wèi)生而導(dǎo)致的問題。重力泥斗式排泥不僅可有效避免上述問題,而且是隱藏在水面以下,改善了工作環(huán)境。重力式排泥系統(tǒng)同時設(shè)計了反沖洗系統(tǒng),可有效沖洗污泥管路,避免污泥管路排完泥以后殘留污泥固化、凝結(jié)問題。

3)在傳統(tǒng)工藝上采用取長補短,形成了工藝簡單、運行可靠、成本低廉的水處理系統(tǒng)。

4 環(huán)境效益分析

4.1 經(jīng)濟效益

水處理階段采用預(yù)沉+絮凝預(yù)處理工藝,噸水運行成本在0.59元左右,基本與主要礦井水處理成本相持平。但是其所采用的工藝模式,不限于重力式排泥等方式,改善了環(huán)境衛(wèi)生,極大節(jié)省了人力物力,降低運行成本[13-14]。

4.2 社會效益

礦井水處理站的處理模式為分級處理、分級出水,依據(jù)不同用水單位對水質(zhì)需求的不同,采用不同階段出水模式,在極大降低水體處理成本基礎(chǔ)上,實現(xiàn)來水分流、分類逐級利用,減少礦井水處理站的外排與能源浪費,降低環(huán)境治理與深度處理費用的雙重成本。

5 結(jié)論

1)曹家灘礦井進(jìn)水水質(zhì)只有懸浮物偏高與微量氟化物,天然弱堿性水質(zhì),不含重金屬離子和有毒有害離子,目前超濾出水只是井下灑水,部分用于淋浴用水補水,但為以后的洗漱、飲用打下了基礎(chǔ)。

2)礦井水處理站經(jīng)過不同階段的水處理工藝,分別滿足了《煤炭洗選工程設(shè)計規(guī)范》(GB50359-2005)、《煤礦井下消防、灑水設(shè)計規(guī)范》(GB50383-2006)等水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),實現(xiàn)分質(zhì)供水。

3)在毛烏素沙漠周邊,實現(xiàn)礦井水水資源的綜合利用,實現(xiàn)了礦區(qū)與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展,產(chǎn)生良好的環(huán)境與經(jīng)濟效益,具有一定的推廣應(yīng)用前景。