礦井廢水井下就地處理及回用工程實(shí)例

文_劉浩 程濟(jì)慈 煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司

1 概述

煤礦礦井水是在煤炭井下開采過程中受到污染排放到環(huán)境水體的一種工業(yè)廢水。常規(guī)的礦井水處理及回用流程是井下涌水經(jīng)巷道匯至井下中央水倉(cāng)，再由排水泵提升至地面礦井水處理站。經(jīng)礦井水處理站凈化處理后通過供水泵送到地面靜壓水池，依靠靜壓供給煤礦井下作為消防、防塵、 設(shè)備冷卻和綜采工作面乳化液配制用水等。地面設(shè)置礦井水處理站在實(shí)際運(yùn)行中存在以下問題：①礦井水從井下提升至地面處理后再回用于井下，需消耗大量的電能，而且由于井下環(huán)境復(fù)雜多變、輸水線路遠(yuǎn)，存在較大的不安全因素。②部分地區(qū)礦井水排出地面需繳納高額水資源費(fèi)。③占地面積大，施工周期較長(zhǎng)。④井下水倉(cāng)清挖勞動(dòng)強(qiáng)度大，易出現(xiàn)工傷事故。⑤處理效果受氣候環(huán)境影響大。

礦井水處理設(shè)在井下，可節(jié)約地面占地，減少礦井排水電耗，降低排水管路磨損，避免頻繁的清倉(cāng)工作。下面以某煤礦實(shí)際工程案例進(jìn)行闡述。

2 工程案例

2.1 設(shè)計(jì)水量水質(zhì)

該煤礦井下水處理站處理規(guī)模2400m3/d，井下水經(jīng)處理后回用于井下消防、灑水用水量1200m3/d，剩余部分提升至地面后用于洗煤廠生產(chǎn)用水及澆灑綠化，實(shí)現(xiàn)了礦井水的零排放。其原水各水質(zhì)指標(biāo)表1，處理后的出水指標(biāo)應(yīng)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 工藝選擇

由于傳統(tǒng)的混凝、沉淀、過濾工藝由于受巷道平面及高度限制，各單體構(gòu)筑物處理能力較小，承受沖擊負(fù)荷能力差，處理站處理效果一般，運(yùn)行費(fèi)用較高。因此不作為本次工藝考慮。近年來(lái)應(yīng)用較多的新工藝主要有超磁分離技術(shù)、陶瓷膜凈化技術(shù)等。超磁分離技術(shù)的原理是向待處理的水體中加入磁種，磁種作為絮體的凝結(jié)核使非磁性懸浮物形成帶有磁性的絮凝體顆粒。含有磁性絮凝體顆粒的水體經(jīng)過超磁分離機(jī)時(shí)，將磁性絮凝體吸附，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化。該技術(shù)具有較好的經(jīng)濟(jì)性和安全性，但對(duì)礦井水中可溶性污染物處理效果不好，運(yùn)行費(fèi)用偏高。陶瓷膜凈化技術(shù)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求比較寬泛，預(yù)處理系統(tǒng)簡(jiǎn)單，出水水質(zhì)好，水質(zhì)穩(wěn)定。尤其是無(wú)需添加任何藥劑，不會(huì)造成陰離子表面活性劑的額外超標(biāo)，對(duì)石油類物質(zhì)的存在不敏感，膜管易清洗，再生能力強(qiáng)，施工周期短和易于后期擴(kuò)容。超磁分離技術(shù)相對(duì)陶瓷膜凈化技術(shù)工藝稍顯復(fù)雜，所配電氣設(shè)備較多，井下電氣設(shè)備均需防爆，造成超磁工藝的投資較大。且超磁分離技術(shù)出水水質(zhì)較低。因此本次工藝設(shè)計(jì)選擇陶瓷膜凈化技術(shù)為主要核心處理工藝。

2.3 工藝流程

其井下水處理站整體工藝流程如圖1。

圖1 井下水處理站工藝流程圖

2.4 工藝布置

工藝布置方面在傳統(tǒng)的井下中央水倉(cāng)和排水泵房中間增設(shè)水處理硐室、原水配水巷、清水巷等構(gòu)筑單元，水處理硐室內(nèi)布置原水提升泵、陶瓷膜凈化設(shè)備、機(jī)械清洗裝置、化學(xué)清洗裝置、消毒裝置、PLC電控柜、變頻氣壓供水裝置等處理設(shè)備。主、副水倉(cāng)與原水配水巷之間設(shè)置配水閘門，原水配水巷與排水配水巷之間設(shè)置排水配水閘門，清水巷與排水配水巷之間設(shè)置清水配水閘門。水處理設(shè)備之間均通過工藝管道連接，配水閘門及各設(shè)備進(jìn)出口閥門均采用手、電兩動(dòng)控制，正常情況通過PLC控制可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，特殊情況恢復(fù)手動(dòng)控制，保證裝置整體穩(wěn)定運(yùn)行。

2.5 建構(gòu)筑物設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

井下水處理站主要處理構(gòu)筑物及設(shè)備如下。

①中央水倉(cāng)一座，共包含主、副水倉(cāng)各一座，總有效調(diào)節(jié)容積1200m3，內(nèi)設(shè)刮吸泥機(jī)2臺(tái)，寬B=4.0m，N=5.0kW。

②水處理硐室一座，尺寸：L×B×H=26×4×4（H）m。內(nèi)設(shè)：原水提升泵2臺(tái)，1用1備，型號(hào)TQW300-300A，Q=660m3/h，H=24m，N=55kW；無(wú)機(jī)陶瓷膜過濾裝置2套，一用一備，Q=100 m3/h，膜面積 2000m2，膜通量 50L/（m2·h）；化學(xué)清洗裝置1套，含：清洗水箱1只，V=3.0m3；耐腐泵2臺(tái)，1用1備，型號(hào)為 CKR10，Q=10m3/h，H=22m，N=7.5kW；機(jī)械清洗裝置1套，含：儲(chǔ)氣罐1臺(tái)，V=2.0m3；膜在線清洗器1臺(tái)，型號(hào)LMSOC-800；自清洗裝置1臺(tái)，型號(hào)HMfc-3。二氧化氯發(fā)生器2臺(tái)，1用1備，型號(hào)為KW－100，Q=100g/h，N=1.5kw；防爆電磁流量計(jì)2臺(tái)。

③煤泥處理硐室一座，尺寸：51×4×4（H）m。內(nèi)設(shè)：壓濾機(jī)入料泵3臺(tái)，2用1備，型號(hào)KYLZ65-33，Q=40m3/h，H=75m，N=45kW；煤礦專用板框壓濾機(jī)1臺(tái)，型號(hào)XMZ100-1250-30，Q=15～60m3/h，N=90kW；自動(dòng)加藥裝置1套，型號(hào)為JY-1，N=2.0kW。

④清水巷一座，尺寸：18.0×1.4×2.0（H）m。內(nèi)設(shè)：變頻氣壓供水設(shè)備1套，含：供水泵3臺(tái)，2用1備，型號(hào)D25-50×3，Q=25m3/h，H=150m，N=22kW；立式隔膜式氣壓罐1臺(tái)，型號(hào)為φ400×1800-0.6；液位計(jì)一套。

2.6 處理效果分析

項(xiàng)目安裝后，經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)試，出水水量較為穩(wěn)定，膜通量基本維持在50～60L/(m2·h)，單臺(tái)設(shè)備總產(chǎn)水量115m3/h。實(shí)測(cè)出水水質(zhì)詳見表1。

表1 出水主要水質(zhì)一覽表

氨氮 mg/L 1.2 0.506 1.0 達(dá)標(biāo)總磷 mg/L ND ND 0.2 達(dá)標(biāo)石油類 mg/L 0.51 ND 0.05 達(dá)標(biāo)陰離子表面活性劑 mg/L 0.25 0.142 0.2 達(dá)標(biāo)

由表1可看出，處理后的主要出水水質(zhì)指標(biāo)滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.7 經(jīng)濟(jì)效益分析

①工程投資方面：礦井水處理站在井下設(shè)置工程投資更高，主要原因是井下巷道施工難度大，井下電氣設(shè)備具有防爆要求導(dǎo)致設(shè)備費(fèi)用偏高。

②運(yùn)行費(fèi)用方面：根據(jù)礦井實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，井下水處理站噸水運(yùn)行費(fèi)用約0.5元/t。

③水資源費(fèi)方面：井下、地面分別設(shè)置相同處理工藝的井下水處理站不影響礦井總體的排水量，按照《山西省水資源費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，采礦排水收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)按1.2元/m3執(zhí)行，礦井水處理站井下就地設(shè)置可每年節(jié)省約105萬(wàn)元的水資源費(fèi)。

④礦井水提升費(fèi)方面：該礦井井下消防灑水量約1000m3/d，井下就地處理回用于井下后，每天可減少4h的主排水泵工作時(shí)間，主排水泵運(yùn)行功率900kW，則節(jié)省電耗3600kWh/d，每年節(jié)電130萬(wàn)kWh，工業(yè)用電平均電價(jià)按0.8元/kWh考慮，每年可以節(jié)省礦井水提升費(fèi)104萬(wàn)元。

⑤礦井水就地處理后，可減少主排水泵和排水管路的磨損，延長(zhǎng)其使用壽命，減少設(shè)備維修費(fèi)用。

3 結(jié)語(yǔ)

①本工程案例通過將中央水倉(cāng)泵房和井下水處理站有機(jī)結(jié)合，合理布置，工藝流程簡(jiǎn)單，僅通過增加少量的井巷工程量即可實(shí)現(xiàn)正常情況井下廢水處理后就地回用，多余清水提升外排，應(yīng)急情況井下水處理站停用，井下排水系統(tǒng)恢復(fù)應(yīng)急排水功能。

②該工藝技術(shù)主體工藝陶瓷膜凈化裝置處理效率高，出水水質(zhì)優(yōu)，設(shè)備占地面積小，節(jié)省工程投資。處理站運(yùn)行過程不需投加藥劑，僅原水提升泵消耗一定的電能，運(yùn)行費(fèi)用低。

③同傳統(tǒng)井下排水系統(tǒng)相比，該工藝井下排水泵僅需提升井下回用后多余的清水，排水提升時(shí)間大幅縮短，提升水質(zhì)改善減少了井下排水泵及管路的磨損和堵塞，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。

④該工藝技術(shù)的應(yīng)用可以減少煤炭企業(yè)水資源費(fèi)用，達(dá)到節(jié)能減排目的。