礦井水處理工藝設計與應用研究

伍 超

(西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030000)

引 言

我國煤炭資源大部分賦存于西、北部區域，面臨常年少雨干旱的氣候，導致水資源極度匱乏，因此煤炭開采工作中的水資源循環利用極為重要[1]。礦井水產生的主要原因是煤炭挖掘過程中破壞了水巖層，導致地下水沿巖層縫隙涌出進入煤礦巷道，為了避免巷道水災，需要及時將其抽出外排，因其混有煤粉直接外排不僅浪費水資源，還會污染周圍環境，為了更好地促進煤礦行業的可持續發展，有必要對礦井水進行處理再利用[2-4]。我國幅員遼闊，使不同煤礦位置的氣候、地質等條件存在一定的差異，礦井水處理再利用工藝也不是固定不變的，應該根據礦井所處的環境條件制定，以便更好地提高煤炭企業的礦井水處理能力和效率[5-6]。因此，結合某煤礦水質、水量等特點，設計滿足礦區要求的礦井水處理再用的標準工藝，對于提高煤炭企業的經濟效益，實現可持續發展具有重要的意義。

1 礦區概況及水質再用標準

礦區地勢平坦開闊、交通便利，具有很好的開采前景。周圍環境四季分明，一年中的平均氣溫在12.5 ℃左右，夏季最高溫度約為42 ℃，冬季最低溫度約為-16 ℃，凍土深度可達22 cm，全年霜雪天氣較少，光照時間充裕。據統計，每年的降水量在616 mm左右，遠遠低于其總的年蒸發量，屬于干旱環境范疇。綜上所述，該礦區年降雨量較少，以夏季降雨為主，冬季干旱少雪，粉塵較多，對于礦井的正常生產以及周圍活動人員的健康均有不利影響。

礦區礦井水每小時的產出量約為250 m3，煤炭正常開采過程中連續24 h運轉，經過多次取樣檢測得到該礦井水各項水質檢測指標如表1所示，從表1可以看出水質中的濁度、SS和TDS含量比較高。要想實現礦井水的處理再利用，需要將處理之后的水質控制在ρ(TDS)≤200 mg/L，回收率≥85%，總硬度≤10 mg/L。

表1 礦井水水質檢測結果

2 礦井水處理工藝設計

礦井水處理的重點任務是降低礦井水中的濁度、SS與TDS含量。近年來，礦井水處理再利用的工藝過程主要是澄清→過濾→除鹽，本文結合某礦井實際情況，選擇合適的構筑物，以便確定最終的工藝流程。

2.1 澄清池的選取

礦井水澄清主要將混凝劑、助凝劑等試劑與礦井水在澄清池內進行混合，使礦井水內部懸浮的膠體顆粒不斷團聚，進而形成較大尺寸的絮凝體，達到泥水分離的目的，降低水中懸浮物濃度和濁度。目前較為常用的澄清池及其各自對應的性能特點及適應范圍如第178頁表2所示。綜合考慮機械加速澄清池設備投入大，脈沖澄清池后期運行維護費用高，懸浮澄清池工藝控制難，而水力循環澄清池適用于小型水處理站，單個池子的處理能力為60 m3/h～450 m3/h，滿足250 m3/h的設計要求，因此此處選用水力循環澄清池。

表2 不同澄清池特點及適應條件

2.2 濾池的選取

水力循環澄清之后的礦井水進入濾池，完成礦井水的過濾，以此除去水中殘留的懸浮物、煤巖微粒等。目前礦井水過濾工程中所用的過濾池包括普通快濾池、V型濾池、虹吸濾池和無閥濾池等，結合該礦區礦井水的實際情況，對比分析4種濾池的性能特點，如表3所示，以便選出最佳的濾池方案。由表3可以看出，普通快濾池過濾性能較穩定、應用范圍大、持久耐用；V型濾池結構復雜、投資費用高；虹吸濾池土建工作量大、存在一定的水資源浪費、造價高；無閥濾池經濟性好、濾水質量較差、維護困難。綜上所述，結合該礦區礦井水的特點及水質處理之后的指標要求，選用普通快濾池為宜。

表3 不同濾池性能及適應條件

2.3 除鹽工藝的選取

2.3.1 電滲析除鹽法

電滲析法除鹽的原理是在礦井水中施加直流電場，使水中的各種離子在電場力的驅動下定向移動，配合專用的陰陽離子交換膜，以此降低水中的鹽分濃度。該技術在20世紀初被發現，20世紀80年代在我國廢水處理領域得到了較為廣泛的應用。其在廢水處理過程中具有預處理簡單、進水質量要求不高、經濟性好、除鹽效果顯著等優點。實際應用過程中發現，除鹽過程中極易出現濃度極化，而且離子交換膜易被污染、除鹽率低、設備規模大，因此該礦區礦井水的除鹽工藝不采用電滲析方法。

2.3.2 納濾除鹽法

納濾技術作為水質除鹽的方法，早在20世紀80年代就已出現，主要借助壓力差及濾膜完成鹽和水的分離，除鹽能力較強。因其使用的濾膜孔徑不大，篩分效應和Dormman效應較為明顯，濾鹽過程中不僅能夠截留水中的很多二價離子和一定量的一價離子，還能夠截留少量的電解質。納濾法實際應用過程中需要較低的壓力差、水通流量大、經濟性好，但是不能濾除水中溶解性的鹽分，因此該礦區礦井水的處理暫不采用納濾除鹽法。

2.3.3 高效反滲透除鹽法

高效反滲透除鹽方法是20世紀90年代發展起來的新技術，除鹽原理中很好的結合了離子交換和常規反滲透方法的優勢，前者能夠有效去除水中的硬度，當水中pH值較大時，反滲透方法即可發揮作用。高效反滲透除鹽法得到的水中，硬質懸浮物多以硅離子的形式存在，極大地降低了滲透膜的污染程度。高效反滲透除鹽法在使用過程中不用考慮水中淤泥的濃度，除鹽效率高、膜污染程度低、經濟性好等。為了最大程度地滿足礦井水的除鹽效率和回收利用率，緩解礦區水資源緊張的問題，擬采用高效反滲透除鹽法，因該礦區的礦井水硬度不高，選用鈉離子交換器配合高效反滲透除鹽法進行水質的軟化處理。

2.4 污泥處理工藝的選取

污水處理池中的污泥不能直接進行排放，也需要進行嚴格的處理，此處將選用濃縮、脫水的方法完成污泥的處理，主要目的是實現泥水的分離，常用的污泥濃縮方法有氣浮濃縮、重力濃縮、離心濃縮等，其中氣浮濃縮適用于少量污泥的處理，需要較高的費用投入；重力濃縮操作簡單、經濟性好、儲泥能力較強；離心濃縮裝置復雜、使用維護費用較高。綜述所示，此處選擇重力濃縮法完成污泥的濃縮處理。機械脫水方法應用較為廣泛，其包括壓濾法、真空吸濾法、離心法等，該礦區污泥產出量小，為了便于后續的管理與應用，擬采用板框壓濾機完成污泥的脫水處理。

3 礦井水處理工藝流程

基于該礦區礦井水的實際情況及其處理后的指標要求，考慮礦井水處理過程中的便捷性、處理效率及經濟性等因素，制定了適應于該礦區礦井水處理再利用的工藝流程，如圖1所示。

圖1 礦井水處理工程工藝流程

礦井水主要來源于礦井內部，在流入預沉調節池之前需要均勻混入一定量的PAC，以便提高預沉調節池凈化能力。預沉調節池處理完成之后的礦井水需要混合PAC、PAM再進入水循環澄清池，進一步去除水中的懸浮物和濁度，之后輸送至普通快濾池進行處理，過濾完成后進入中間水池。中間水池處理的水經過提升泵增壓之后導入超濾系統，除去剩余的懸浮物和雜質，然后進入鈉離子交換器進行除硬，最后的環節就是高效反滲透系統的除鹽，進而得到淡水進行再利用。

4 應用效果評價

按照礦井水處理工藝設計方案完成了相關系統的搭建，并且投入到了礦區礦井水處理過程，通過跟蹤調研可知，礦井水處理系統工作穩定可靠。礦井水處理之后的指標檢測結果如表4所示，從表4可以看出，水質指標能夠滿足礦區水資源再利用的要求，其中濁度降低近76%，DTS降低近90%，SS降低近70%，成功解決了礦區水資源短缺的問題。統計得到該套礦井水處理系統的污水處理成本僅為1.89元/t水，遠遠低于市售水價，使礦井水處理再用能夠為企業節省大量的資金投入，降低煤碳開采成本，實現礦井環境效益、社會效益和經濟效益的完美統一。

表4 礦井水處理之后水質檢測結果

5 結語

礦井水的處理再利用不僅能夠節約水資源，還能保護礦區的自然環境，必須引起高度重視。針對某礦區水資源緊張的問題，結合其礦井水的實際檢測指標，開展了礦井水處理工藝設計與應用研究。由礦井水水質指標可以看出其中的濁度、SS和TDS含量比較高。之后完成了礦井水處理工藝方案的設計，包括澄清池、濾池、除鹽、污泥處理等工藝的選擇，形成了完善的礦井水處理再利用工藝流程。應用結果表明，該礦井水處理工藝能夠降低水中的濁度、SS和TDS含量，使其滿足再利用的指標要求，達到了最初的設計目的。