磁窯溝煤業(yè)礦井污水處理系統(tǒng)改造實(shí)踐研究

趙成龍

（山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西 沂州 036500）

1 概 況

煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占70%以上，煤炭開采過程中排放大量廢水，若不經(jīng)處理直接排放，勢必對環(huán)境造成污染，同時(shí)造成水資源的浪費(fèi)，無法實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和水資源循環(huán)利用。

山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司位于忻州市河曲縣鹿固鄉(xiāng)，該區(qū)域處于山地區(qū)域，常年干旱少雨，年降水量211.4～714.3 mm，年蒸發(fā)量1 805.7 mm，蒸發(fā)量一般是降水量的4倍，水資源匱乏，且地表水多為間歇性河流，枯洪水季節(jié)流量相當(dāng)懸殊。因此，在礦井生產(chǎn)過程中處置和利用好煤礦污水資源，對磁窯溝煤業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水資源保護(hù)及綜合利用，降低成本以及可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

磁窯溝煤業(yè)原礦井污水處理站處理能力為100 m3/h，采用“預(yù)沉調(diào)節(jié)+多介質(zhì)過濾+陶瓷膜過濾”工藝，執(zhí)行《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB20426—2006）。根據(jù)山西省人民政府辦公廳《關(guān)于印發(fā)山西省水污染防治2018年行動計(jì)劃的通知》（晉政辦發(fā)[2018]55號）及《忻州市人民政府辦公廳關(guān)于印發(fā)忻州市水污染防治2018年行動計(jì)劃的通知》（忻政辦發(fā)〔2018〕103號）要求，煤礦外排礦井水2018年12月31日前執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，磁窯溝煤業(yè)井下污水處理站現(xiàn)有工藝不能滿足新標(biāo)準(zhǔn)要求，需進(jìn)行提標(biāo)改造。因此，結(jié)合原礦井污水處理站存在的問題等實(shí)際因素，對污水處理站重新進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)并進(jìn)行改造。

2 礦井污水處理站

磁窯溝煤業(yè)礦井污水處理站建設(shè)于2012年，設(shè)計(jì)處理能力100 m3/h，10月份建成投用，采用“預(yù)沉調(diào)節(jié)+多介質(zhì)過濾+陶瓷膜過濾”工藝，執(zhí)行《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB20426—2006），如圖1所示。

圖1 提標(biāo)改造前工藝流程Fig.1 Process flow before upgrading

改造前井下涌水量約為90 m3/h，即2 160 m3/d，井下采掘過程產(chǎn)生的廢水匯集到中央水倉，中央水泵房設(shè)置4臺型號為MD280-43×5排水泵，電機(jī)功率250 kW，1用2備1檢修，涌水經(jīng)2趟φ219 mm水管，排至距地面180 m的污水處理站預(yù)沉調(diào)節(jié)池內(nèi)，相當(dāng)于200～220 m3/h的水量連續(xù)運(yùn)行10～12 h，排水量和時(shí)間相對集中。

3 原礦井污水處理站存在的問題

3.1 預(yù)沉調(diào)節(jié)池容量偏小

原礦井污水處理站預(yù)沉調(diào)節(jié)池容積為800 m3，受水文地質(zhì)條件的影響，目前井下涌水量較原地質(zhì)報(bào)告有所增大，按200～220 m3/h相對集中水量計(jì)算，水流停留時(shí)間較短，沉淀預(yù)處理效果差。目前預(yù)沉調(diào)節(jié)池長深比為25/5.4=4.63，參考平流沉淀池的要求，根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50014規(guī)定，為了控制池內(nèi)的流速與沉降距離，平流沉淀池長度與有效水深之比不宜小于8，否則水流不易均勻平穩(wěn)，影響沉淀效率。煤礦井下涌水懸浮物濃度較大，由于沉淀效果差、排泥困難，導(dǎo)致未經(jīng)有效處置的污水進(jìn)入多介質(zhì)過濾器和陶瓷膜過濾器，加重了過濾設(shè)備的負(fù)擔(dān)。

3.2 未設(shè)置混凝沉淀環(huán)節(jié)

正常情況下進(jìn)入多介質(zhì)過濾器懸浮物不宜超過30 mg/L，根據(jù)實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)入過濾處理單元時(shí)，礦井水的濁度要＜20 NTU，否則會造成過濾器頻繁啟動及反沖洗，嚴(yán)重時(shí)會造成濾料板結(jié)。原處理系統(tǒng)沒有設(shè)置混凝沉淀段，礦井污水中的懸浮物未經(jīng)有效預(yù)沉處理直接通過多介質(zhì)過濾器和陶瓷膜過濾器截留，設(shè)備負(fù)荷嚴(yán)重超標(biāo)，造成過濾器內(nèi)部嚴(yán)重板結(jié)、堵塞。

3.3 未設(shè)置污泥濃縮裝置

原系統(tǒng)配套有一座污泥濃縮池，泥水分離效果差，未達(dá)到進(jìn)入板壓環(huán)節(jié)要求條件而直接進(jìn)入板框壓濾機(jī)，造成板框壓濾機(jī)工作周期增長且壓泥效果不佳。

3.4 加藥裝置不完善

原系統(tǒng)設(shè)置有PAC和PAM加藥裝置各1臺，僅有儲藥箱和簡易攪拌裝置，無流量泵，藥劑靠操作人員經(jīng)驗(yàn)投加，自流進(jìn)入池體，不能實(shí)現(xiàn)藥劑的科學(xué)配比和計(jì)量功能。

3.5 控制系統(tǒng)不完善

原系統(tǒng)投運(yùn)前沒有形成完整操控系統(tǒng)，有的閥門為氣動，有的為手動，沒有實(shí)現(xiàn)原設(shè)計(jì)方案既定效果，且部分閥門沒有開關(guān)可視功能，閥門的開啟度不能保證；指令不暢、存在誤動作。

3.6 反沖洗系統(tǒng)存在問題

由于過濾器前的預(yù)處理效率低，過濾器的反沖洗次數(shù)頻繁，加之反沖洗水泵選型不當(dāng)，泵的流量、揚(yáng)程偏小，整個(gè)反沖洗系統(tǒng)運(yùn)行效率低，濾料沖洗不到位，直接影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，降低了污水處理站的處理效率。

4 提標(biāo)改造設(shè)計(jì)方案

4.1 處理站規(guī)模的確定

為確保礦井生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展及正常接序，考慮到后期礦井下水平延深，礦井涌水量增加等因素，提標(biāo)改造在充分利用現(xiàn)有設(shè)施、設(shè)備基礎(chǔ)上，處理站規(guī)模按240 m3/h考慮，其中一期提標(biāo)改造規(guī)模維持現(xiàn)有100 m3/h，建（構(gòu)）筑物按240 m3/h設(shè)計(jì)，預(yù)留礦井下水平延深二期工程140 m3/h設(shè)備位置。提標(biāo)改造土建考慮了后期水處理站的擴(kuò)建，在充分利用現(xiàn)有建（構(gòu)）筑物的基礎(chǔ)上，既考慮了污水處理站的平面布置，又給后期處理站擴(kuò)建降低了成本。

4.2 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)

設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)見表1。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)Table 1 Design of influent quality

4.3 提標(biāo)改造工藝的確定

提標(biāo)改造后工藝流程如圖2所示。

圖2 提標(biāo)改造后工藝流程Fig.2 Process flow after upgrading

4.4 主要生產(chǎn)建（構(gòu)）筑物改造

4.4.1 擴(kuò)建預(yù)沉調(diào)節(jié)池

在原800 m3預(yù)沉調(diào)節(jié)池前端新建一座容積約為700 m3的預(yù)沉調(diào)節(jié)池，新建的調(diào)節(jié)池長深比為8.5，滿足平流沉淀池長深比的要求。改造后預(yù)沉調(diào)節(jié)池總?cè)莘e為1 500 m3，按240 m3/h的井下涌水量計(jì)算，污水停留時(shí)間為6.25 h，符合《煤炭工業(yè)給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50810-2012第3.4.5要求（調(diào)節(jié)池按6～10 h的正常涌水量計(jì)算），池底設(shè)置程控式刮泥裝置，定量、定期清理污泥。解決了原調(diào)節(jié)池污水停留時(shí)間短、預(yù)沉效果差，排泥困難等問題。

預(yù)沉調(diào)節(jié)池1座，分二格，單格尺寸為28.6 m×4.0 m×4.0 m，沉淀形式采用平流式，進(jìn)水端設(shè)置污泥斗，污泥斗上寬4.0 m，下部寬1 m，深度2.6 m，共2個(gè)。污泥斗內(nèi)污泥由污泥泵房的渣漿泵提升至污泥池中，污泥泵房內(nèi)設(shè)3臺污泥渣漿泵（2用1備）；集水渠設(shè)置潛水提升泵3臺（2用1備），預(yù)沉調(diào)節(jié)池池底部各設(shè)1臺液壓往復(fù)式刮泥機(jī)。

4.4.2 綜合凈化間（預(yù)留遠(yuǎn)期設(shè)備安裝位置）

凈水車間采用局部二層結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)凈化間、污泥脫水間及加藥間、風(fēng)機(jī)房、配電室及集控室，平面尺寸34.5 m×12.0 m，輕鋼結(jié)構(gòu)。其中藥劑庫設(shè)在原污泥脫水間內(nèi)。

（1）高密度迷宮斜管沉淀池。

根據(jù)磁窯溝煤業(yè)井下污水初始水質(zhì)資料化驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合原系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中存在的問題，提標(biāo)改造在污水進(jìn)入過濾器前，對污水進(jìn)行有效的混凝沉淀，在預(yù)沉調(diào)節(jié)池后增設(shè)三級高密度迷宮斜板凈化裝置。該裝置集反應(yīng)、絮凝、破乳除油、沉淀、集泥、排泥、排污等系列工藝于一體，是專門針對煤礦礦井污水處理的高效沉淀裝置，單體采用全自動運(yùn)行，無需人員操作，是實(shí)現(xiàn)礦井水凈化再利用和自動化管理的重要凈水單元。

高密度迷宮斜板凈水器1套（預(yù)留1套位置），單臺處理水量Q=120 m3/h，混凝反應(yīng)時(shí)間20 min，沉淀表面負(fù)荷3.2 m3/m2·h，全自動+手動排泥。

（2）污泥脫水間。

將原板框壓濾機(jī)和污泥螺桿泵重置安裝在綜合凈化間，設(shè)2層，壓濾機(jī)安裝于2層，1層為運(yùn)料間。在綜合凈化車間內(nèi)增設(shè)污泥濃縮罐1臺，與原污泥濃縮池配套使用。罐體直徑2.5 m，高5.0 m，濃縮上清液回流至預(yù)沉調(diào)節(jié)池內(nèi)，有效解決了泥水分離問題，提高了板框壓濾機(jī)的工作效率。

（3）加藥間。

在新建預(yù)沉調(diào)節(jié)池、高密度迷宮斜板凈化裝置流程環(huán)節(jié)均設(shè)置自動加藥裝置，實(shí)現(xiàn)藥劑科學(xué)配比和自動計(jì)量加藥。考慮到水質(zhì)可能發(fā)生波動等因素，增設(shè)應(yīng)急加藥系統(tǒng)。主要為高錳酸鉀投加裝置1套，粉末活性炭投加裝置1套，NaCLO加藥裝置1套，每套加藥裝置均配套有3 m3儲藥罐、SS304不銹攪拌器，加藥計(jì)量泵等。

4.4.3 新建中間水池

根據(jù)增設(shè)高密度迷宮斜板凈化裝置實(shí)際所需，配套增設(shè)中間水池一座，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，有效容積87.5 m3。高密度迷宮斜板凈化裝置內(nèi)的出水自流入中間水池，通過提升泵進(jìn)入多介質(zhì)過濾器、陶瓷膜過濾器，實(shí)現(xiàn)了污水系統(tǒng)化、流程化、規(guī)范化達(dá)標(biāo)處理。

4.4.4 原過濾及地下設(shè)備間

（1）過濾器濾料的更換及局部改造。

對現(xiàn)有多介質(zhì)過濾器的濾料進(jìn)行了更換，對過濾器支撐層、濾盤、濾帽及反沖洗頭進(jìn)行了改造。對現(xiàn)有陶瓷膜過濾器內(nèi)部濾管進(jìn)行了更換，提高了過濾器的工作效率，優(yōu)化了過濾單元，提高了效率。

（2）反沖洗系統(tǒng)的完善。

原過濾裝置反沖洗水泵流量偏小，濾盤支撐層損壞，濾帽堵塞，反沖洗效率低。提標(biāo)改造重新更換了反沖洗水泵，將原使用的普通槽鋼托盤支撐架改為雙層焊接高強(qiáng)度工字鋼背靠式，承壓和載重強(qiáng)度提高，延長設(shè)備使用壽命；將原厚度為0.8 cm的普通鋼制托盤改造為1.2 cm厚的錳鋼托盤，強(qiáng)度增加，更加經(jīng)久耐用；將濾盤上的塑料制過濾帽改造為高強(qiáng)度篩式聚氯乙烯塑料過濾墊層；將原4.1 m2托盤上使用的160個(gè)直徑為3 cm的塑料制過濾帽改造為使用260個(gè)直徑為2 cm厚度為0.2 cm的高強(qiáng)度篩式聚氯乙烯塑料過濾墊層，不僅增加了水孔的數(shù)量，而且加大了過濾量，提升了反沖洗效率。

4.5 自控系統(tǒng)的改造

對原有氣動門和手動閥門進(jìn)行了統(tǒng)一更換，常用閥門全部設(shè)置為氣動自動閥門，且安裝有開關(guān)可視裝置，實(shí)現(xiàn)自動化、程序化控制。

4.6 建成后實(shí)際運(yùn)行效果

建成后考察指標(biāo)均達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求，見表2。

表2 設(shè)計(jì)出水水質(zhì)Table 2 Design effluent quality

5 結(jié) 語

通過采用“混凝+沉淀+迷宮斜板沉淀+多介質(zhì)過濾+陶瓷膜過濾”處理工藝，提標(biāo)改造后的礦井污水處理站出水水質(zhì)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)按照環(huán)保要求，建設(shè)有巴歇爾槽，排水口處安裝有在線監(jiān)測系統(tǒng)，與忻州市生態(tài)環(huán)境局監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳。改造后的系統(tǒng)工藝先進(jìn)，實(shí)用性強(qiáng)，技術(shù)可靠，能實(shí)現(xiàn)自動化控制和集約化管理，且經(jīng)濟(jì)合理、高效節(jié)約，系統(tǒng)實(shí)際使用中運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了提標(biāo)改造的預(yù)期效果。