煤礦礦井水處理站改造方案分析及實踐

魏姍姍

（晉能控股裝備制造集團，山西 晉城 048000）

0 引言

山西某礦位于沁水煤田東南部，本區域地下水可分為碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、碎屑巖裂隙水，松散巖類孔隙水僅在礦區溝谷和南北邊緣，且含水性極弱。對煤礦開采有直接影響者主要為煤系碎屑巖類，山西組、太原組砂巖和砂巖夾薄層灰巖裂隙巖溶水，其次在局部地段為淺層孔隙水。地下水水質主要超標因子為總硬度、硫酸鹽。煤炭在開采過程中會產生大量的礦井涌水，而礦井水主要是由地下水和少量滲入的地表水組成。

1 礦井水處理工藝

該礦礦井水處理工藝為：井下提升水→分配水箱→平流沉淀池→水力旋流澄清池→過濾→復用，復用后多余的水進行深度處理后外排。礦井開拓變化時（高嶺土含量增大、中央水倉清倉）礦井水原水水質會惡化，此水質靜置一周仍不能沉降，屬于難沉降的泥化廢水。根據礦井水原水水質分析結果表明，在中央水倉清倉時的懸浮物質量濃度可達到2 000～4 000 mg/L，總鋁質量濃度為30 mg/L，總硅（以二氧化硅計）質量濃度為470 mg/L，二氧化硅（以二氧化硅計）/硅質量濃度為9.98 mg/L，折合高嶺土質量濃度為150 mg/L。

2 水質惡化原因分析

經分析，在原水水質惡化（高嶺土含量增大、中央水倉清倉）時，主要依靠水力旋流澄清凈水裝置進行廢水的預沉淀處理，此裝置主要依靠水力旋流的方式進行混合反應，在原水水質惡化時水力混合反應就存在混合不充分、反應不完全的問題，導致出水水質和處理能力很難達到設計要求；原水力旋流澄清凈水裝置的混合罐采用兩臺罐式混合器，分別向兩臺混合罐中投加PAC 和PAM，將混凝反應后的水再由分配水箱分配至各個脈沖式旋流澄清凈水裝置中，未實現混合和絮凝過程分開，影響水處理效果。

3 試劑試驗方案

經過實驗在增加加藥量約為60%～100%的情況下，通過機械攪拌混合及反應后出水水質可滿足設計要求。為了節約運行成本且提高運行效率，試驗利用一種復合藥劑對難沉降的泥化廢水有進行處理。以礦井實際的PAC、PAM 加藥量及廠家提出的加藥量進行對比，對結果進行評價。

3.1 材料與方法

3.1.1 藥劑與儀器

試劑：聚合氯化鋁（PAC，Al2O3質量分數30%）；復合藥劑；聚丙烯酰胺（PAM，陰離子型）；氫氧化鈉；鹽酸。

儀器：雷磁PHBJ－260 便攜式pH 計；OHAUS 電子天平；ZR4－6 混凝試驗攪拌機。

3.1.2 試驗方法

原水的pH=8.94，懸浮物質量濃度為2 288 mg/L。將原水水樣置于1 L 攪拌容器中，研究復合藥劑和PAC 對沉降效果的影響，試驗中pH 采用氫氧化鈉和鹽酸調節。

試驗方案：空白水樣①、水樣②中加普通藥劑PFC+PAM、水樣③中加PFC+復合藥劑+PAM，攪拌5 min，靜置觀察，記錄沉降時間；取原水樣、加藥靜置后的上清液分別測定懸浮物濃度；分別測定原水樣和上清液的氟化物濃度。

1）配置藥劑：取PFC 藥劑5 g 溶于100 mL 蒸餾水中，配置PFC 儲備液；取PAM藥劑1 g 溶于200 mL水中，配置PAM儲備液；取專用藥劑10 g 溶于100 mL水中，配置專用藥劑儲備液。

2）分別取原水樣500 mL 于3 個燒杯中。

3）在水樣②中加入PFC 儲備液8 mL，攪拌均勻，約2 min 后加PAM儲備液1.5 mL，攪拌均勻；同時在水樣③中加入PAC 儲備液3 mL，攪拌均勻約2 min后，加專用藥劑儲備液1.5 mL，攪拌同時測定pH 值，調整pH 在6～7 之間，隨后加PAM 儲備液0.5 mL，攪拌均勻。

4）將水樣②和水樣③同時倒入1 000 mL量筒中，同時計時觀察，記錄沉降時間并觀測上清液效果。

3.2 試驗效果評價

1）沉降速度（計時）：水樣②停止沉降計時為1 min，水樣③停止沉降計時為50 s。結果表明，使用復合藥劑比普通藥劑沉降時間縮短，減少了水力停留時間，可處理更多水量。

2）水樣②的上清液懸浮物質量濃度為13 mg/L，水樣③的上清液懸浮物質量濃度為8 mg/L。結果表明，使用復合藥劑可以取得比普通藥劑更清澈的出水；使用普通藥劑的懸浮物去除效率為99.4%，使用專用藥劑的懸浮物去除效率為99.7%，二者相差不大。

原水樣氟化物指標為2.6 mg/L，水樣②上清液測定氟化物質量濃度為1.3 mg/L，水樣③上清液氟化物質量濃度為1.0 mg/L。結果表明，使用普通藥劑氟化物去除率約為50%，使用專用藥劑氟化物去除率約為60%；使用復合藥劑后氟化物去除率比普通藥劑提高10%。

3.3 試驗成本評價

該礦目前處理水量6 000 m3/d，水樣②的加藥量模擬該礦特殊水質時期的實際運行加藥量。根據其實際購買的普通藥劑價格及第三方提供的復合藥劑市場價計算得出，使用普通藥劑成本共為9 480 元/d；使用復合藥劑后的成本共為10 170 元/d。

結果表明，加入復合藥劑比普通藥劑的成本費用高出690 元/d。

3.4 總體評價

經過實驗得出，從藥劑成本上來看，增加了礦方的運行成本；但從沉降時間、沉降速度、懸浮物去除情況來看，復合藥劑的使用效果比PAC 的效果要好。實際運行中使用普通藥劑的效果與實驗室效果有一定差距，由此可見實驗分析不具有代表性，仍然需要進行現場測驗，測定實際運行效果。另一方面，該方案試驗過程中反應的問題表明，水力混合的缺陷是造成水質惡化的根本原因。

4 處理工藝改進方案

4.1 工藝改進思路分析

處理工藝改進主要是圍繞改進原水力旋流澄清凈水裝置水力混合反應的不足，通過機械攪拌提升PAC、PAM與原水的混合效率，提高混凝效果，解決由于原水水質惡化（高嶺土含量增大、中央水倉清倉），導致出水水質和處理能力達不到設計要求的問題，保證出水水質達標。經過分析，脈沖式旋流澄清凈水裝置的特點如下：適用于中小型處理水量，進水SS 質量濃度5 000 mg/L 左右，具有水處理適應性強、混合效果好、處理效果穩定、效率高、排泥方便等優勢，能適合本次改造的需求。改造思路如下：

1）原水力旋流澄清凈水裝置的混合罐采用兩臺罐式混合器，分別向兩臺混合罐中投加PAC 和PAM，且采用水力混合的方式對藥劑進行混合，由于藥劑與水接觸時間短，混合不充分，形成大的絮體時間較長，導致處理負荷較低。現采用專用的機械混合配水槽，使PAC 與礦井水在機械攪拌的作用下充分混合，且混合效果更好，在配水槽末端投加PAM，使絮凝反應在脈沖式旋流澄清凈水裝置內部發生，采用變頻攪拌機輔助絮凝，將混合與絮凝過程分開，實現了快速混合慢速絮凝的工藝要求，混凝效果更好，有效的提高了在原水水質惡化時，脈沖式旋流澄清凈水裝置的處理負荷及處理效果。

2）原水力旋流澄清凈水裝置采用壓力進水，澄清池進水流速快，澄清池內水力波動較大，絮凝形成的礬花容易被打破。而脈沖式旋流澄清凈水裝置的重力配水使進水流速變慢，澄清池內水力波動更小，更有利于絮體的聚集與沉降，避免了大的礬花被打破，有效提高了脈沖式旋流澄清凈水裝置的處理負荷。

脈沖旋流澄清裝置已有應用實例[1-2]，并且已取得很好的經濟、社會、環境效益。本次改造使用的裝置是升級后的新脈沖旋流澄清裝置，其具有較大的泥斗，排出的污泥含水率低，排泥量少，可以提高后續污泥脫水單元的運行效率。

4.2 工藝改進效果

考慮藥劑的成本問題，本次改造只針對澄清單元進行了設備改造，藥劑仍用原有藥劑。水質檢測結果見表1，從表中可以看出取得了預期的效果。

表1 該礦水質監測報告

5 結論

山西該礦井水原水水質會惡化，采取了復合藥劑改造方式和脈沖式旋流澄清工藝改造方式，經過分析和對比表明，復合藥劑改造方式的應用成本較高，而脈沖式旋流澄清工藝改造方式的應用成本較低，并且實現混合和絮凝過程的有效分開，取得了良好的效果。