高濃礦井水預處理新工藝試驗研究

王曉雷

(1.北京低碳清潔能源研究院，北京 102211；2.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 100011)

煤炭開采過程中產生的大量礦井涌水，一方面作為地質災害嚴重威脅我國礦井安全生產，另一方面會引發周圍水資源的污染與破壞，嚴重威脅當地人民的健康[1，2]。據統計，全國煤礦礦井水年損失量達60億t，近年來礦井水利用率有所提高，但與國外相比還存在一定差距[3-6]。因此在礦區周邊建造礦井水處理及資源化項目，既減輕水資源緊缺壓力，又可以減輕對周邊生態環境的二次破壞[7]。

礦井水資源豐富、涌水量大，但工況多變、來源多樣，涌水量、固含量、顆粒物粒度等水質參數波動較大。礦井水預處理系統存在的主要問題有占地面積大、處理速度慢、停留時間長、藥劑用量大、運行成本高、不適合井下應用，出水不能滿足提高的排放標準要求。因此急需開發具有高效高速處理能力、低成本的礦井水預處理技術，研制小型集成化、低能耗新裝備。礦井水預處理新技術也開展了大量研究工作，如超磁分離技術，具有效率高、占地面積小、用藥量少等優點，但存在著投資運行成本高、系統復雜、對高懸浮物礦井水處理效果欠佳，推廣應用受限的缺陷[8]。近幾年微砂沉淀處理礦井水技術應用較多，具有處理效果好、占地面積小的優點，但藥劑用量多會對后續膜法濃縮處理產生一定影響[9]。靳學林、程志偉等[10，11]采用旋流技術對低濁度礦井水處理工藝進行了改造，得出該技術處理懸浮物效果較好，但對于高濃礦井水的處理效果還有待研究。陶瓷膜處理煤礦廢水近幾年也有不少學者進行了相應的研究，其對礦井水中懸浮物的脫除效果顯著[12-14]。

本項目針對煤礦高濃度礦井水水質情況，在國家能源集團棗泉煤礦進行中試試驗研究，通過“旋流分離+膜處理+旋流澄清”工藝將大顆粒物旋流分離出，再經陶瓷膜過濾脫除懸浮物，前序工藝濃縮后的高濃煤泥水再進入旋流澄清裝置加藥絮凝沉淀，得到合格的產水，并提高了礦井水處理效率和水回收率。

1 “旋流分離+陶瓷膜+旋流澄清”工藝流程

“旋流分離+陶瓷膜+旋流澄清”工藝流程如圖1所示，此工藝流程目的在于高效旋流脫除高濃礦井水中的顆粒、懸浮物，系統低能耗設計并盡最大程度回收煤泥中的水。具體工藝如下：原水箱1中的礦井水由潛污泵泵入旋流器，經旋流分離后溢流即旋流產水進入陶瓷膜過濾，底流進入集水箱，陶瓷膜過濾后出水進入清水箱1，溢流、錯流循環回到原水箱，陶瓷膜反洗水與旋流器底流在集水箱中混合，然后集水箱更高濃度的煤泥水打入旋流澄清器原水箱2，加入適量的微砂后進入循環系統攪拌混合，含微砂的礦井水由潛污泵泵入進水管道，分別加入PAC(凝聚劑)和PAM(助凝劑)進入湍流混合器混合絮凝。絮體進入澄清器后進一步進行絮凝并分離沉降，澄清器溢流即為產水進入清水箱2。澄清器的底流(高濃絮體)進入集料箱，由潛污泵泵入旋流回砂器，在充分破碎后，微砂由旋流回砂器底流重新回收后，加入管道混合器重復使用從而實現微砂的循環利用。旋流澄清裝置是在微旋及加藥作用下將旋流底流和陶瓷膜反洗水混合的高濃固液兩相混合物進行懸浮物脫除，既能減小澄清系統的處理負荷，又可以最大量回收煤泥中的水，提高系統水回收率。

系統物料平衡如圖2所示。礦井水處理量為7m3/h，經過旋流器旋流分離后，溢流(5m3/h)進入陶瓷膜，底流(2m3/h)進入集水箱。陶瓷膜出水(4m3/h)進入清水箱1，反沖洗水(1m3/h)進入集水箱，與旋流器底流在集水箱混合。加上旋流回砂返回集水箱的底流(0.03m3/h)，集水箱共產水3.03m3/h進入旋流澄清器，溢流出水流量為2.7m3/h，底泥為0.3m3/h。底泥流量經過旋流回砂，底流微砂(0.03m3/h)回到集水箱，溢流(0.3m3/h)污泥外排。

圖2 試驗系統物料平衡

2 物料性質和試驗裝置

本試驗在國家能源集團寧夏煤業集團棗泉煤礦開展，高濃礦井水水質為：濃度0.1%～2%，硬度1380mg/L，濃度在0.1%～2%屬高濃礦井水，礦井水中煤粉顆粒10.79μm以下的固體粒徑占50%。

3 設備結構設計及測試評價指標

該工藝系統處理量為5t/h，分別對旋流分離器、陶瓷膜、澄清器進行選型或結構參數設計。

3.1 旋流分離器參數設計

根據礦井水水質特性，選擇常規使用的?50mm直徑旋流器。旋流器結構如圖3所示。旋流器結構參數如下：筒體直徑D為50mm；底流口直徑du為6mm或10mm；柱段高度H為120mm；溢流管插入深度L為50mm；錐體高度h為120mm。

圖3 旋流器結構示意圖

3.2 陶瓷膜參數設計

陶瓷膜具有耐高溫和酸堿腐蝕性強，可反沖洗，結構簡單分離效率高的特點，在水處理工程中取得了良好的運行效果[15]。實驗采用在1800℃高溫下燒制的外壓內吸式中空板式陶瓷膜進行實驗，膜面積35m2，規格參數見表1。工作原理如圖4所示。

表1 陶瓷膜裝置規格參數

圖4 陶瓷膜工作原理圖

3.3 澄清器結構參數

旋流澄清主要利用進入澄清器中的固液旋流產生離心力加速絮體混合與沉降，小絮體顆粒沿錐盤上升時受到盤體阻擋作用下落，減少進入溢流的絮體顆粒數。澄清器結構及實物如圖5所示。澄清器直徑D1=1000mm，其他結構參數見表2。

圖5 澄清器結構示意圖

表2 澄清器結構參數

3.4 測試儀器及評價指標

試驗主要測試參數為工藝產水的懸浮物SS、濁度，旋流器進料、溢流、底流通過SS-1Z測定儀對懸浮物進行測定，量程為0～1000mg/L；使用WGZ-1B便攜式濁度儀對濁度進行測量，量程為0～200NTU；使用BT-9300激光粒度儀對樣品的顆粒粒級組成進行測定，量程為0～740μm。

試驗評價指標有旋流除固率，計算公式為：

式中，Ci為旋流進料濃度；Cu為底流濃度；Co為溢流質量濃度。

4 試驗結果及分析

“旋流分離+膜處理+旋流澄清”工藝中各單元進行單機參數試驗，經優選旋流分離采用2臺?50mm底流口直徑10mm的旋流器；澄清單元旋流回砂采用1臺?50mm底流口直徑6mm的旋流器時運行效果最佳。旋流器底流和反洗水固體顆粒濃度高的煤泥水，匯集至低位集水箱中，積攢3t煤泥水開啟旋流澄清系統裝置，旋流澄清系統可連續運行2h，即旋流陶瓷膜連續運行，旋流澄清裝置間歇開啟。“旋流分離+膜處理+旋流澄清”全系統每隔3h分別取旋流器進料、溢流、底流，旋流澄清器的溢流、底流，旋流回砂溢流和底流進行濃度測試分析；每隔3h對陶瓷膜出水濁度和反沖洗濃度進行測量，對旋流澄清器溢流出水，測量SS和濁度。

(4)監理目標。指按照合同和規范等要求的相關目標和目標值，即質量、進度、安全方面的目標及相應的目標控制值。如質量方面有鋼筋、混凝土、模板、水電安裝的質量目標控制值。

“旋流器+陶瓷膜”72h連續運行試驗數據結果如圖6、圖7所示，礦井水進水濃度為0.5%，底流濃度為1.1%左右，溢流濃度0.3%左右，除固率為50%～60%，表示旋流分離處理可脫除50%以上的顆粒物，能降低進入陶瓷膜的大顆粒數量及濃度，減小陶瓷膜負荷提高使用壽命。系統運行總流量為7m3/h，分流比即溢流與底流流量比為3左右；分流比較大說明分離效果好。

圖6 旋流器進料、溢流、底流濃度

圖7 旋流器參數

旋流物料粒度分布見表3，旋流分離能脫除含量99.5%的20μm以上的固體顆粒物。

表3 旋流物料粒度分布表

礦井水濁度去除效果如圖8所示，陶瓷膜出水濁度在0.03左右，反沖水的濃度在0.9%～1.5%之間波動，總體出水效果好，反沖洗水濃度穩定，說明“旋流+陶瓷膜”長周期運行狀態良好，產水效果穩定。

圖8 陶瓷膜出水濁度及反洗水濃度

當礦井水進水濃度為2%時，底流濃度為5.88%，溢流濃度0.83%，除固率為68%，陶瓷膜出水濁度在0.05左右。旋流陶瓷膜處理單元總煤泥含量增高，但調整旋流澄清單元的間歇開啟時間和參數，出水效果相同。旋流底泥以及陶瓷膜反沖洗水中煤泥含量高，這股高濃固含量的水進入旋流澄清器處理。旋流澄清器在系統連續運行過程中，絮體在錐盤處堆積，每隔6h對旋流澄清器進行反沖洗1次，運行中每小時排放一次旋流澄清器底流，分別測量溢流和底流濃度，并對除固率和回砂率進行計算，澄清器結果如圖9、圖10所示，旋流回砂器的除固率在44%～55%之間，回砂率高于97.23%；旋流澄清器溢流出水SS穩定在5～10mg/L之間，濁度在5～10NTU之間，系統處理效果好，可直接回用或進行后續軟化脫鹽處理。此工藝將旋流高濃煤泥水循環再處理，水回收率可達97.5%。

圖9 澄清器回砂指標

圖10 澄清器溢流出水指標

試驗中澄清器加入PAC量為29×10-6，PAM加入量2.3×10-6，比傳統絮凝沉淀、超磁分離工藝、高密度沉降工藝藥劑用量少40%～60%，藥劑費用噸水節省0.2元，經濟效益顯著。

5 結 論

本文提出“旋流分離+膜處理+旋流澄清”的礦井水預處理工藝，高濃礦井水經過旋流器分離脫除50%左右顆粒物后，含20μm以下顆粒物的水進入陶瓷膜過濾，減小了膜過濾負荷，提高膜處理通量。經過“旋流+陶瓷膜”過濾后1.1%～1.4%的高濃煤泥水，再進入旋流澄清器加藥絮凝沉淀處理，經中試試驗得出：

1)此工藝能處理0.1%～2%的高濃度礦井水，具有停留時間短、處理速度快、效果好，占地面積小，適合井下應用的特點。

2)系統產水分別為陶瓷膜產水和旋流澄清產水，陶瓷膜產水濁度低于0.1NTU，旋流澄清產水濁度在5～10NTU范圍內，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級A標準。

3)此工藝在陶瓷膜處理前加旋流分離裝置，并對旋流底流和陶瓷膜反洗高濃水進行微砂旋流澄清加藥絮凝沉淀處理，實現針對不同濃度指標要求的礦井水進行分流處理，從而提高礦井水利用率，系統水回收率可達97.5%。

4)通過添加微砂提高旋流澄清單元的出水指標，微砂循環率可達97%以上，藥劑用量比傳統混凝沉淀等其他技術減少40%～60%，噸水藥劑費用節省0.2元，具有經濟環保應用前景。