慈林山煤礦礦井水處理擴容提標改造設計

崔麗芳

（山西潞安化工集團慈林山煤業有限公司慈林山煤礦，山西 長治 046600）

慈林山煤礦現有礦井水處理站一座，設計處理能力為4500 m3/d。根據省、市環保部門的統計分析計算，現有礦井水處理站的處理能力不能滿足現有井下排水量及現行排放標準的要求，因此需要進行礦井水處理站的擴容和提標改造。擴容提標改造后，處理站外排水水質達到國家有關標準，排放水量按7500 m3/d 進行設計。

1 擴容提標改造必要性分析

現有調節水池偏小，原有構建筑處理能力亦偏小。原有調節水池12 m×12 m×5.0 m，有效容積約640 m3，按設計規范，一般調節池的容量需達到設計處理量的6～8 倍，而且現9#、15#煤排水的SS有時會很高，達到8000 mg/L，現有調節水池不具備調節功能，無法滿足煤礦井下排水的要求。9#、15#煤盤區延伸后，其井水排水量亦將增大，原有處理站更加無法進行達標處理。

原有設計高程有出入，進水端在最低處，處理車間在最高處，工藝處理需經過多級提升，用電負荷較大。現有處理設備年久失修，加藥裝置腐蝕嚴重，超濾和反滲透裝置基本沒有運行過，所用膜元件已徹底報廢。現有處理站的污泥脫水系統設計造型不合理，現采用的疊螺機作為煤礦井下水處理的污泥脫水，脫水后的泥餅含水率在85%以上，而且處理效率低。

煤炭行業排放標準限制要滿足地表水三類水水質標準，出水要求大大提高，現有處理設施已不能達到環保的要求。

2 擴容提標改造方案設計

2.1 礦井水處理站擴容總體設計

根據建設單位提供資料，新建處理站擬建地位于建設單位廠區內，利用原有舊學校，拆除原有建筑物后用于新建處理站。處理站出水口設置在處理站東南角。處理后清水除回用需要提升外，多余清水可自流進入東南側水庫。處理站新建建筑物包括綜合設備間、加藥間等。新建構筑物包括：預沉調節池、旋流澄清凈水裝置、綜合水池、再生廢液收集池及泵室等。

預沉調節池采用鋼筋混凝土水池結構，無覆土，建筑耐久年限50 年。占地面積325.74 m2，深5.5 m，高出地面1.15 m。旋流澄清凈水裝置采用鋼筋混凝土水池結構，無覆土，占地面積136.84 m2，深7.65 m，高出地面6.20 m。綜合處理車間采用單層鋼框架結構，局部夾層，火災危險性分類為戊類廠房，耐火等級三級，建筑耐久年限50 年，抗震設防烈度6 度，屋面防水等級Ⅱ級，建筑面積776.63 m2，室內外高差0.15 m，檐口高度8.4 m。綜合水池采用鋼筋混凝土水池結構，無覆土，占地面積143.36 m2，深4.85 m，高出地面1.95 m。再生廢液收集池及泵室采用鋼筋混凝土水池結構，無覆土，占地面積33.26 m2，深4.2 m，高出地面0.2 m。加藥間采用一層砌體結構，火災危險性分類為乙類廠房，耐火等級三級，建筑耐久年限50 年，抗震設防烈度6度，屋面防水等級Ⅱ級，建筑面積51.23 m2，層高3.4 m，室內外高差0.15 m，建筑總高度3.55 m，外墻為370 厚非粘土燒結磚，內墻為240 厚非粘土燒結磚。

2.2 污水量預測及工程規模確定

根據《慈林山煤礦生產地質報告》，9#、15#煤最大涌水量為258.28 m3/h，即6 198.72 t/d，取整數6200 t/d；3#煤排水量為120 m3/h，即2880 t/d，取整數3000 t/d。

根據2018 年度慈林山煤礦疏干排水水資源統計表，全礦2018 年1～11 月份排水量為2 232 612.43 t，即6684 t/d。此排水量包括3#煤直排水1500 t/d（其余1500 t/d 用于礦區生產用水），計算得現階段9#、15#煤正常排水量為5300 t/d。考慮到隨著井下煤開采范圍的擴大，15#煤涌水量還會逐漸增加，設計時需留一定的余量，暫預計增加的量按700 t/d考慮。

綜合考慮，并充分利用原有礦井水處理站的處理設施，結合實際，分質處理，新建礦井水處理站混凝反應沉淀及多介質過濾按3000 m3/d 考慮，活性炭過濾、除氟過濾及折點加氯按照7500 m3/d考慮。

2.3 進出水水質設計

在進行污水處理廠的設計時，進水水質是決定污水處理廠設計的主要依據[1]。污染物濃度如取值偏高，會造成較大的投資浪費，而取值低于實際濃度，又會導致水廠處于超負荷運轉狀態，達不到預期的處理效果。

本項目污水來源為礦井生產廢水。原水水質根據建設單位提供數據并結合相關工程進水水質數據，最終根據本工程的特點進行設計取值，見表1。

表1 設計進水水質表

2.4 工藝方案

根據相關資料及工程經驗，礦井水的主要污染物為懸浮物（SS）以及溶解性總固體。構成SS 的主要是煤塵、巖塵、粘土等細小顆粒物，尤其是煤塵，其主要特征是濃度高，所含固體顆粒細，灰分高，顆粒表面多帶負電荷。本礦井井下排水主要超標因素為懸浮物、化學需氧量（COD）、氟化物（以F-計）、石油類、氨氮、總磷。處理效率見表2。

表2 處理站主要進出水水質及相應處理效率

（1）一級處理工藝

設計一級處理規模為3000 m3/d，同時考慮到本工程的水質特性，一級處理采用預沉調節池+旋流澄清凈水裝置+多介質濾池，用于去除原水中大部分懸浮物、化學需氧量、生化需氧量、總磷等，同時可去除部分氟化物、石油類、氨氮等。另外，考慮到遠期一級處理規模的增大，設計預留遠期2 座旋流澄清凈水裝置用地。

（2）深度處理工藝

本工程深度處理設計規模為7500 m3/d，包括新建處理站一級處理出水的3000 m3/d 以及舊處理站出水的4500 m3/d。深度處理工藝為“中間水池+活性炭濾池+除氟濾池+折點加氯”，可進一步去除懸浮物、化學需氧量、生化需氧量、總磷等物質，同時針對進水中難去除化學需氧量、生化需氧量、石油類、氟化物、氨氮等物質進行有效去除，確保出水主要污染物達到地表水環境質量標準Ⅲ類標準。

（3）污泥處理工藝選擇

處理站運行過程中，排泥單元排出的污泥含水率較高，需經污泥濃縮降低含水率。另外，污泥經濃縮后，尚有約95%～97%的含水率，體積仍很大。污泥脫水可進一步去除污泥中的空隙水和毛細水，減少其體積。經過脫水處理，污泥含水率能降低到70%～80%，其體積為原體積的1/10～1/4，有利于后續運輸和處理。

污泥機械脫水方法有過濾脫水、離心脫水和壓榨式脫水等[2]。過濾脫水又有真空過濾與壓力過濾；離心脫水是用離心機進行脫水；壓榨式脫水是用螺旋壓榨機或滾壓機進行脫水。常用的是壓力過濾和離心脫水方法。污泥過濾脫水是以過濾介質兩面的壓力差作為推動力，使污泥水分被強制通過過濾介質形成濾液，而固體顆粒被截留在介質上形成濾餅，從而達到污泥脫水的目的。板框壓濾機是最先應用于化工脫水的機械，具有過濾推動力大、濾餅的含固率高、濾液清澈、固體回收率高、調理藥品消耗量少等優點。

污泥處理工藝為：污泥池+污泥濃縮+機械脫水+泥餅外運。同時，由于本工程進水水質中含氟量較高，需要對進水中氟化物進行處理。為防止吸附置換出的氟化物經處理后含氟污泥再次進入系統，將含氟污泥與系統混凝沉淀排出的污泥單獨儲存處理。

3 工程成本和效益分析

3.1 運營成本分析

本方案中的運營及管理費用僅以2019 年的生活水平及市場材料價格為依據，主要包括水費、藥劑費、動力費。

處理站消耗藥劑主要為PAC、PAM、消毒劑、酸、堿等藥劑。藥劑價格按照目前市場材料價格為依據進行計算，處理站藥劑費為90.0 萬元/年。污水處理站每天用電1 742.1 kW·h，則電費為63.6 萬元/年。

綜上所述，改造后礦井水處理站每年運行費用約為153.6 萬。

3.2 工程效益分析

隨著井下煤開采范圍的擴大，涌水量還會逐漸增加，如果污水處理設施不完善，將會有更多的污水直接排入河道，河道污染日趨嚴重，將導致水體自凈能力下降，造成水體短時內難以恢復自凈能力的嚴重危害，將嚴重影響人類健康和自然環境改善。對礦區礦井水的治理是改善工作環境、保護人類健康和自然環境、促進經濟社會環境持續發展的必要條件，對當地的水質起到一定的保護作用，具有很好的環境效益。

工程建成后，將大大降低生產廢水對環境的污染，新建處理站預計污染物質每年的減排量為：化學需氧量CODCr90 t/a，總懸浮物SS 318 t/a；磷酸鹽（以P 計）0.5 t/a，氨氮7.7 t/a，氟化物3.3 t/a。

項目的實施對保護該區域的水體環境具有重要意義，將極大地改善人們的生活環境，有助于促進人與自然的和諧發展，建設一個生態可持續發展的社會。由于對污水進行了集中處理，避免了直接排入水體而造成的污染。

4 結語

為了能更好地對礦井水進行處理，慈林山煤礦對現有的污水處理站進行了擴容提標改造。首先，對改造的必要性進行了分析；然后，分析了擴容提標改造方案設計，主要有污水量預測及工程規模確定、進出水水質設計以及工藝方案；最后，分析了改造后的經濟效益和運營成本。研究發現，改造后有助于改善工作環境和保護當地的水質，具有很好的經濟效益。