磁混凝設(shè)備在礦井水應(yīng)急處置工程中的應(yīng)用

廖慶花，郭倩倩，陳 虎，徐亞慧

(華夏碧水環(huán)保科技股份有限公司，河南 鄭州 450000)

我國目前處于社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展期，隨著生產(chǎn)力的提高和工業(yè)化步伐的加快，全國各類事故造成的突發(fā)性環(huán)境污染事件數(shù)量急劇上升，導(dǎo)致有毒有害物質(zhì)進(jìn)入水體，引起生態(tài)環(huán)境破壞和重大社會影響，因此需要采取緊急措施予以快速應(yīng)對[1-2]。目前國內(nèi)廢水應(yīng)急處理主要包括城鎮(zhèn)、企業(yè)及工業(yè)園區(qū)污水廠事故廢水應(yīng)急處理，城鎮(zhèn)、企業(yè)、工業(yè)園區(qū)污水廠新建、擴(kuò)容、提標(biāo)改造廢水應(yīng)急處理，重金屬廢水、有機(jī)污染廢水、還原性污染物廢水、水源地水華等突發(fā)性環(huán)境事件應(yīng)急處理，以及現(xiàn)階段由于新冠疫情，城鎮(zhèn)污水廠針對廢水中的病毒進(jìn)行的應(yīng)急改造[3-6]。我國是煤炭大國，煤炭長期占據(jù)我國能源消費結(jié)構(gòu)的主體地位[7]，近年來，隨著煤礦需求量逐年增大，煤礦的開采力度和深度逐年增加，礦井水應(yīng)急處理時有發(fā)生[8]，這是由于煤礦開采過程中極易突發(fā)大量礦井涌水，大量礦井涌水導(dǎo)致礦區(qū)現(xiàn)有污水廠滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運行的同時，仍有部分礦井涌水沒有經(jīng)過處理，就排放到周圍環(huán)境[9]，廢水中的污染物質(zhì)排入到周邊水體，威脅居民健康和生態(tài)環(huán)境[10]。因此，應(yīng)對礦井突發(fā)涌水是煤礦污水處理廠最主要的應(yīng)急事項，然而目前國內(nèi)關(guān)于煤礦礦井水應(yīng)急處置的工程案例較少。

本文從礦井水應(yīng)急處理實際工程案例出發(fā)，探討了礦井水應(yīng)急處理可采用的方法和應(yīng)用效果，為礦井水應(yīng)急處置提供參考。

1 應(yīng)急處置工程背景

寧夏省某煤礦礦井水處理廠分為一期和二期兩座污水處理廠，根據(jù)生產(chǎn)需要，一期礦井水處理廠主要供給生產(chǎn)和生活用水，日處理量約800 m3左右，處理不完的礦井原水由二期礦井水處理廠處理達(dá)標(biāo)后外排，日處理量約1 800 m3左右。2022年5月底，井下突發(fā)涌水，工作面切眼涌水水量突增，總水量約13 000 m3/d，遠(yuǎn)超一期和二期實際處理能力，且礦區(qū)現(xiàn)有污水處理廠采用常規(guī)絮凝沉淀+多介質(zhì)過濾工藝，工程建筑周期長，污泥沉降速度慢且效率偏低，新建臨時應(yīng)急處置工程刻不容緩。

應(yīng)急污水處理工程區(qū)別于常規(guī)污水處理的傳統(tǒng)建設(shè)模式，為確保技術(shù)的適用性以及建設(shè)時效性，需采用流程簡單、占地面積小、建設(shè)周期短、快速啟動、穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的處理工藝和設(shè)施[11-13]。目前，在礦井水新型處理工藝中，磁混凝處理技術(shù)占據(jù)主流，磁混凝技術(shù)是在傳統(tǒng)的混凝沉淀工藝中加入密度為4.8～5.1 t/m3的磁種，磁種與污染物絮凝結(jié)合成一體，絮凝效果大大增強(qiáng)，絮體密度更大、更結(jié)實，可實現(xiàn)污泥高速沉降[14]。不同于常規(guī)水處理技術(shù)，磁分離技術(shù)利用磁場力直接作用于污染物或目標(biāo)雜質(zhì)，將污染物脫離于原水體系，不產(chǎn)生二次污染，具有處理速率快、效率高、占地面積小、投資小等顯著優(yōu)勢[15-16]。目前磁混凝技術(shù)在我國城市污水、河道黑臭水體處理等方面的工程應(yīng)用已逐步展開[17-20]，然而其在礦井水應(yīng)急處置中的工程應(yīng)用較少。

2 設(shè)計規(guī)模及進(jìn)出水水質(zhì)

礦井水應(yīng)急處置工程設(shè)計處理規(guī)模為10 000 m3/d。從該礦井水實際監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，該礦井水中的污染物以煤粉和巖粉等懸浮物為主，同時含有少量的有機(jī)物，屬于含懸浮物礦井水，因此處理目標(biāo)污染物主要為懸浮物和有機(jī)物，按照當(dāng)?shù)爻墙ň帧⑷嗣裾退畡?wù)局關(guān)于礦井設(shè)置排污口的批復(fù)及煤礦入河排污口設(shè)置論證報告的批復(fù)文件要求，該煤礦排污口執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)堆》(GB18918—2002)一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，其中，COD、氨氮執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。礦井水進(jìn)水水質(zhì)情況和排放標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 礦井水設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)及排放標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Mine water design influent and emission standards

注：pH值無單位，其他項單位為mg/L。

3 污水處理工藝

3.1 應(yīng)急工藝流程

本工程處理水來自礦區(qū)工作面切眼涌水，結(jié)合礦井水處理工程實際情況，采用磁混凝工藝作為本次應(yīng)急處置主工藝，磁混凝設(shè)備為前期已建成的標(biāo)準(zhǔn)一體化設(shè)備(圖1)，占地面積15 m×25 m。

圖1 磁混凝一體化應(yīng)急設(shè)備Fig.1 Magnetic coagulation integrated emergency equipment

磁混凝一體化設(shè)備，主要包括磁混凝反應(yīng)系統(tǒng)、高效沉淀系統(tǒng)、磁回收系統(tǒng)、污泥系統(tǒng)及加藥系統(tǒng)等。磁混凝反應(yīng)系統(tǒng)包括助凝池、加載池、絮凝池，待處理礦井水提升至助凝池，磁混凝反應(yīng)系統(tǒng)攪拌速度由助凝池、加載池、絮凝池逐漸減小，助凝池快速攪拌充分混合藥劑PAC、PAM及磁種，保障藥劑與污染物充分混合接觸，水體中的污染物在3～4 min內(nèi)形成以磁種為載體的“微磁性污泥顆粒”[4]，慢速攪拌下，“微磁性污泥顆粒”形成更大的“微磁性絮團(tuán)”。磁種具有高比重及較強(qiáng)的黏附性，與絮體結(jié)合后，利用自身高比重特性，攜帶絮體快速沉降，絮凝池泥水混合物經(jīng)高效澄清池快速沉降后，出水可實現(xiàn)達(dá)標(biāo)外排。

形成“微磁性絮團(tuán)”的污泥提升至含磁污泥池，通過切割污泥泵將含磁污泥輸送至高剪機(jī)，在高剪機(jī)作用下將污泥打碎進(jìn)入磁分離裝置，磁分離裝置在磁吸作用下將磁種與無磁污泥進(jìn)行分離，磁種補(bǔ)入磁混凝反應(yīng)池循環(huán)利用，無磁污泥自流進(jìn)入無磁污泥池勻質(zhì)，脫水處理(圖2)。

圖2 礦井水處理工藝流程Fig.2 Mine water treatment process flow

3.2 工藝設(shè)備參數(shù)

(1)磁混凝反應(yīng)池。磁混凝反應(yīng)池1座，包括助凝池、加載池、絮凝池，助凝池和加載池尺寸為2.5 m×3.2 m×2.2 m，池容積35.2 m3，絮凝池尺寸為3.0 m×3.2 m×2.2 m，池容積21.12 m3，磁混凝反應(yīng)池總?cè)莘e56.32 m3，總停留時間8 min。助凝池與加載池底部由1.0 m×3.0 m過水槽底部貫穿，進(jìn)水及PAC、PAM、磁種由助凝池進(jìn)入，助凝池、加載池出水口高差0.1 m，礦井水由助凝池自流進(jìn)入加載池，絮凝池出水由φ500 mm過水管路接至高效澄清池布水管道。助凝池、加載池、絮凝池內(nèi)設(shè)有框式攪拌機(jī)，功率5.5 kW。

(2)高效澄清池。高效澄清池1座，尺寸14.5 m×3.2 m×3.2 m，總?cè)莘e148.48 m3，表面積46.4 m2，設(shè)計表面負(fù)荷8.6 m3/(m2·h)，組成部分包括污泥斗22個，導(dǎo)流筒22個，布水設(shè)施1套，φ500 mm管道貫穿，出水堰槽1套，氣動隔膜排泥閥22套；氣動排泥系統(tǒng)配套空壓機(jī)1臺，功率1.5 kW，壓力容器罐1套；氣動排泥閥控制柜1套；氣動排泥閥間歇性排泥，間隔時間可根據(jù)污水處理效果、來水懸浮物高低做相應(yīng)調(diào)整，排泥周期長短依工藝需求進(jìn)行調(diào)整。

(3)含磁污泥池。含磁污泥池1座，尺寸φ2.5 m×2.0 m，容積9.8 m3，內(nèi)設(shè)潛水?dāng)嚢?臺，功率3 kW，切割污泥泵1臺，功率3 kW，通過攪拌作用防止含磁污泥在污泥池沉積；切割污泥泵將含磁污泥池污泥輸送至磁分離機(jī)進(jìn)行磁種與無磁污泥分離。

(4)磁種回收系統(tǒng)。磁種回收系統(tǒng)1套，包括高剪機(jī)，功率2.2 kW、磁分離裝置功率0.55 kW，磁分離裝置處理能力30 m3/h。磁分離裝置在磁吸作用下將磁種與無磁污泥分離，回收的磁種補(bǔ)入前端助凝池循環(huán)利用，磁種回收率99%。

(5)無磁污泥池。無磁污泥池1座，接收磁分離裝置分離出來的無磁污泥，尺寸8.0 m×3.0 m×2.2 m，池容52.8 m3，材質(zhì)為碳鋼防腐，一體化設(shè)備分為2格，內(nèi)設(shè)框式攪拌機(jī)，功率5.5 kW；當(dāng)一格泥滿時，開啟攪拌機(jī)，加入陽離子PAM，絮凝，形成較好的絮體后，停止攪拌，開啟污泥泵，將物料輸送至板框壓濾機(jī)，進(jìn)行污泥脫水，兩格切換運行。

(6)污泥脫水系統(tǒng)。污泥脫水系統(tǒng)1套，包括板框壓濾機(jī)、物料泵、加藥系統(tǒng)等，板框壓濾機(jī)過濾面積100 m2，濾室1 500 L，自動拉板卸料；物料泵選用螺桿泵，Q=20 m3/h，H=60 m，N=5.5 kW；陽離子PAM自動溶藥系統(tǒng)1套，溶藥量500 L/h，配備PAM隔膜泵1臺，300 L/h。

(7)加藥系統(tǒng)。磁混凝系統(tǒng)藥劑包括PAC、PAM、磁種3種類型，本系統(tǒng)配套有PAC加藥系統(tǒng)1套，陰離子PAM加藥系統(tǒng)1套，陽離子PAM加藥系統(tǒng)1套，磁種由助凝池或者含磁污泥池補(bǔ)入系統(tǒng)，不再單獨設(shè)置磁種投加系統(tǒng)。

4 工程設(shè)計特點

(1)磁絮團(tuán)的沉降速度高達(dá)40 m/h以上，磁種通過高剪切機(jī)和磁種捕捉器回收循環(huán)使用，磁種回收率99%以上，運行成本低。整個工藝的停留時間非常短，進(jìn)水到出水低至20 min，有效減少占地面積，且總磷等大部分污染物出現(xiàn)反溶解過程的機(jī)率非常小。此外，磁種和絮凝劑對細(xì)菌、病毒、油及多種微小粒子都有很好的吸附作用，特別是除磷效果尤其顯著，出水TP低至0.02 mg/L，SS可降低至2 mg/L。

(2)本工程所用磁混凝沉淀設(shè)備為移動式集裝箱碳鋼防腐設(shè)備，集成混合系統(tǒng)、沉淀系統(tǒng)、磁回收系統(tǒng)、污泥系統(tǒng)及加藥系統(tǒng)等為一體，系統(tǒng)緊湊，各處理單元采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，工程造價低，安裝操作簡單，從設(shè)備到廠至出水達(dá)標(biāo)排放不足7 d，實現(xiàn)應(yīng)急處置工程的預(yù)期目標(biāo)，相比土建結(jié)構(gòu)，該一體化設(shè)備具有很大優(yōu)勢。

5 工程運行效果

磁混凝沉淀一體化設(shè)備調(diào)試直接取用礦井涌水，整套設(shè)備從到廠、設(shè)計、施工、調(diào)試達(dá)標(biāo)不超過7 d。該工程于2022年7月正式投產(chǎn)運行，運行期間出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，對進(jìn)、出水水質(zhì)進(jìn)行了一個月的連續(xù)監(jiān)測，出水指標(biāo)優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)堆》(GB 18918—2002)一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，出水COD、氨氮優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。實測進(jìn)出水水質(zhì)見表2。

表2 實際進(jìn)出水水質(zhì)Tab.2 Actual influent and effluent water quality

6 投資及運行成本分析

本工程建設(shè)費用(包括設(shè)備費用、運輸、安裝、配套設(shè)施建設(shè)等)為112.3萬元，水運行費用為0.5元/m3，不含污泥處置費等，主要運行費用包括：①運行電耗為0.57 kWh/m3，電價按0.5元/kWh計，電費為0.28元/m3，主要為污水污泥提升、混合攪拌、污泥脫水電耗。②PAC、PAM、磁種藥劑費為0.22元/m3。該礦區(qū)現(xiàn)有污水處理廠運行成本0.8元/m3，本工程實施以后，運行費用降低0.3元/m3，節(jié)省運行成本109.5萬元/a，降低了煤礦污水處理運行費用。

7 結(jié)語

該煤礦礦井水應(yīng)急搶險工程采用磁混凝沉淀一體化工藝，設(shè)計、施工、調(diào)試達(dá)標(biāo)不超過7 d，出水CODcr≤10 mg/L，BOD5≤8 mg/L，氨氮在0.1～0.2 mg/L，總氮≤4 mg/L，總磷≤0.02 mg/L，SS在2.0～5.0 mg/L，pH值7～8，優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)堆》(GB18918—2002) 一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，COD、氨氮滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計要求。

本工程充分利用可移動式集裝箱模塊化建設(shè)的優(yōu)勢，完全能適應(yīng)污水應(yīng)急工程建設(shè)周期短、占地面積小、快速達(dá)標(biāo)排放、經(jīng)濟(jì)可靠、靈活搬遷的要求，為礦井水應(yīng)急處理工程的設(shè)計建造和市場化運用積累寶貴經(jīng)驗。