曹家灘煤礦礦井水處理技術工程案例探討

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產生的一種工業廢水,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,常年風沙嚴重,屬于重度缺水地區。通過技術手段將礦井水轉化為礦內生產、生活自用水,使生產廢水充分利用,形成資源[2],不僅節約生產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能力內涌水量為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場地地面消防、地面生產、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以后,對于水資源的循環利用具有指導及生產意義[3]。

1 曹家灘煤礦水源特征

曹家灘煤礦礦井水質分析結果表明,礦井水的主要超標項是濁度、懸浮物,但pH值、BOD5、礦化度、硫酸根和氟化物等指標與地下水水質分析相應指標不穩定,有時略有升高,但不超標,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化為礦井水的過程中,受井下污染而引起的水質變化情況,總體上呈現出水量不穩定、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用水需求,可以認為進行礦井水處理的主要目標是去除濁度、懸浮物等超標污染成分,使礦井水轉化為可利用水資源[6]。

1.1 礦井水來源

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

1.2 礦井水水質特征

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,使水體呈現出灰色或者黑色。依據例行監測數據顯示:

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,并且依據實際運行發現,懸浮物中含有部分粒徑在2 mm～8 mm左右的煤渣顆粒物。

2)水質偏堿性。依據連續進水水質監測,進水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,造成pH值不穩定;另一個原因是煤礦處于風化巖基巖裂隙承壓水含水層,含有豐富的鈣、鎂離子,使水體呈現弱堿性[8]。

3)水質指標不穩定。進水水質整體呈現懸浮物高、堿性高,礦化度大部分時間穩定在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。曹家灘煤礦水質特征如表1所示。

表1 曹家灘煤礦水質特征

注:“-”表示未檢出,“/”表示不做要求

2 水處理工藝介紹

根據第一節,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處理段、深度處理段、污泥處理系統[9-10],其工藝流程圖見圖1。

2.1 預處理段

礦井水首先進入一體化綜合處理間,一體化綜合處理間分為兩部分。

第一部分為預沉調節池,共分為兩格,每格分別進水,設計水力停留時間為1.5 h,可加入少量PAC藥劑助沉。預沉調節池出水經由一級提升泵或者高液位自流進入后續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。預沉調節池出水在進入絮凝斜管沉淀池之前經過管道混合器,與加入的PAC藥劑與PAM藥劑充分混合以后進入絮凝斜管沉淀沉淀池的前端反應區。共設計六個反應區,其中前部為混合攪拌區,后段為重力流混合區,經過混合區以后進入到斜管池。上清液經由絮凝斜管沉淀池上部集水器流入轉輸水池,下部主要大、小懸浮物顆粒經斜管沉淀后沉入泥斗。預沉調節池池底與絮凝斜管沉淀池池底均設計為漏斗形狀,采用重力式壓力排泥,排入污泥池。轉輸水池的水體經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構,設計率速為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,依據過濾阻力自動反沖洗活性沙,使用方便靈活。轉輸水池清水經過提升泵提升至重力式無閥濾池,出水一部分進入生產消防水池,主要用于地面生產沖洗水和礦井地面消防用水,另一部分進入轉輸清水池。轉輸清水池水體經過超濾進水泵提升至超濾膜組,超濾膜組件單套處理能力設計為120 m3/h,超濾膜設備配套建設超濾進水過濾器、超濾反洗過濾器、超濾清洗過濾器、超濾加藥清洗設備等,主要輔助超濾膜組件實現自動運行,自動化控制。超濾出水經過加藥消毒以后一部分進入日用生活清水池,另一部進入井下消防灑水池。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月各階段出水水質的平均監測數據。

圖1 礦井水處理系統工藝流程圖

表2 出水水質分析

注:ND代表未檢出,超濾出水懸浮物檢測為濁度。

從出水監測數據可以看出,第一階段出水與超濾出水分別滿足主要控制指標均滿足《煤炭洗選工程設計規范》(GB50359-2005)、《煤礦井下消防、灑水設計規范》(GB50383-2006)用水水質標準,并能穩定運行。

2.3 污泥處理系統

污泥處理系統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過重力排泥進入到污泥池,污泥池污泥經過污泥泵提升至污泥濃縮池進一步濃縮,濃縮完成以后,經由污泥進料泵提升至污泥處理車間,污泥處理車間設置有3臺IK帶式壓濾機,將濃縮后污泥進一步壓餅成型,裝車外運。濃縮池上清液與污泥壓濾機產生的污水回流至污泥池,經過污水泵提升至一體化綜合車間的預沉調節池,形成閉環管理。

3 礦井水處理站工藝優勢分析

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要求。礦井水處理站工藝優勢主要有:

1)從預處理階段采用加藥設計,能從最大程度上降低后續段懸浮物的濃度,降低絮凝斜管沉淀池的壓力,同時減輕了預沉調節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,可有效避免因傳統桁車式吸泥機存在流動不暢、管渠阻塞,影響環境衛生而導致的問題。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,改善了工作環境。重力式排泥系統同時設計了反沖洗系統,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、凝結問題。

3)在傳統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。

4 環境效益分析

4.1 經濟效益

水處理階段采用預沉+絮凝預處理工藝,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,改善了環境衛生,極大節省了人力物力,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,依據不同用水單位對水質需求的不同,采用不同階段出水模式,在極大降低水體處理成本基礎上,實現來水分流、分類逐級利用,減少礦井水處理站的外排與能源浪費,降低環境治理與深度處理費用的雙重成本。

5 結論

1)曹家灘礦井進水水質只有懸浮物偏高與微量氟化物,天然弱堿性水質,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。

2)礦井水處理站經過不同階段的水處理工藝,分別滿足了《煤炭洗選工程設計規范》(GB50359-2005)、《煤礦井下消防、灑水設計規范》(GB50383-2006)等水質標準,實現分質供水。

3)在毛烏素沙漠周邊,實現礦井水水資源的綜合利用,實現了礦區與周邊環境的協調發展,產生良好的環境與經濟效益,具有一定的推廣應用前景。