地下礦井涌水處理及資源化工程設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用

曾 凱 李攀榮* 謝錦文 王佳琪

（1 江西金達(dá)萊環(huán)保股份有限公司 江西南昌 330000 2 江西省城市污水處理及高品質(zhì)再生利用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江西南昌 330000）

引言

我國擁有豐富的煤炭資源，煤炭儲量居世界第3 位，是一個(gè)產(chǎn)煤大國。然而，煤炭產(chǎn)業(yè)耗水非常嚴(yán)重，這就加劇了我國水資源短缺現(xiàn)狀。據(jù)統(tǒng)計(jì)，以淮河為界，淮河以南地區(qū)水資源占全國的比重約81%，但煤炭資源占全國的比重僅為1/4；淮河以北地區(qū)水資源占全國的比重約19%，而煤炭資源占全國的比重卻高達(dá)3/4。因此，水資源與煤炭資源地理分布嚴(yán)重失衡[1]，造成了我國煤炭產(chǎn)業(yè)嚴(yán)重缺水的現(xiàn)狀，嚴(yán)重影響了煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。另外，煤炭生產(chǎn)過程中會生產(chǎn)大量的礦井廢水，據(jù)統(tǒng)計(jì)僅2019 年煤炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的礦井廢水就達(dá)到了71 億m3[3]。一方面礦井廢水外排，造成水資源白白浪費(fèi)；另一方面煤炭生產(chǎn)過程中又需要大量水資源，若能實(shí)現(xiàn)對煤礦礦井廢水的資源化利用，既可以解決礦井廢水直排、污染環(huán)境、資源浪費(fèi)的問題，又可以促進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，社會經(jīng)濟(jì)效益顯著。

礦井涌水作為煤礦礦井廢水中的重要組成部分，因其水質(zhì)成分較為簡單，有機(jī)物濃度較低，多為懸浮物質(zhì)、鹽分的特點(diǎn)，具有資源化利用的廣闊前景[4]。然而，據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，目前我國礦井廢水實(shí)際利用率不到30%，因此礦井廢水資源化回收利用提升空間較大[5]。以西部某煤礦礦井涌水處理及資源化工程為例，探討地下礦井涌水資源化利用工藝設(shè)計(jì)方案，為礦井廢水資源化利用提供參考。

1 工程概況

西部某煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力600 萬t/a，目前礦區(qū)正常涌水量為8640m3/d。由于地下礦井涌水水質(zhì)較為復(fù)雜，如果直接回用于生產(chǎn)，將會對生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生不利影響。因此，為了緩解礦區(qū)用水緊張現(xiàn)狀，該工程針對其中北一區(qū)域涌水進(jìn)行處理，正常涌水量約3000m3/d，水中含鹽量高、礦化度高，處理后出水達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2022），滿足礦區(qū)生產(chǎn)用水要求，具體進(jìn)出水水質(zhì)情況見表1。

2 工藝流程

礦井廢水處理較為典型的工藝流程，主要有常規(guī)的混凝沉淀過濾處理與多效蒸發(fā)、濃縮等蒸發(fā)結(jié)晶處理和利用反滲透膜進(jìn)行膜分離處理、利用電化學(xué)原理進(jìn)行電滲析處理等，其中膜分離處理、蒸發(fā)結(jié)晶處理是目前主流的核心技術(shù)工藝[6][7]?；炷恋磉^濾處理主要是去除廢水中懸浮污染物質(zhì)，需要進(jìn)一步通過蒸發(fā)結(jié)晶、膜分離或者電滲析深度處理之后，才能滿足礦區(qū)生產(chǎn)用水標(biāo)準(zhǔn)。通過蒸發(fā)結(jié)晶、膜分離、電滲析3 種礦井廢水處理工藝進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明蒸發(fā)結(jié)晶法處理地下礦井廢水出水水質(zhì)好，同時(shí)還可以充分利用礦區(qū)的低成本熱源作為蒸發(fā)媒介，成本較低，競爭優(yōu)勢明顯，如內(nèi)蒙古中煤遠(yuǎn)興能源化工有限公司綜合水處理項(xiàng)目便是以多級蒸發(fā)結(jié)晶工藝為核心。而膜分離技術(shù)同樣在出水水質(zhì)方面表現(xiàn)優(yōu)異，雖然其電耗稍高，但結(jié)合脫鹽效率、占地面積、智能化等多方面考慮，其綜合優(yōu)勢突出，已經(jīng)成為了近年來工業(yè)廢水資源化利用的主流工藝[8]，如中天合創(chuàng)能源化工有限公司礦井水深度處理項(xiàng)目、中煤鄂爾多斯能源化工有限公司礦井水深度處理項(xiàng)目等工程均采用膜分離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了廢水零排放。

西部某煤礦礦井涌水處理及資源化工程建設(shè)用地選址地下回風(fēng)巷內(nèi)，巷內(nèi)橫向截面作業(yè)空間小，局部地面高低起伏，地塊狹長、施工困難、防火防爆要求高，工藝流程簡單、構(gòu)筑物少、占地小，污水處理系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，現(xiàn)場無需依賴專業(yè)技術(shù)人員便可日常運(yùn)維管理。因此，該工程綜合各方面因素考慮，選用占地小、智能化程度高的膜分離處理技術(shù)，設(shè)計(jì)了“UF+RO”雙膜處理工藝作為核心工藝環(huán)節(jié)，具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 “UF+RO”雙膜處理工藝流程圖

礦井涌水經(jīng)管道收集后進(jìn)入污水處理站調(diào)節(jié)池，在調(diào)節(jié)池內(nèi)均勻水質(zhì)水量后進(jìn)入U(xiǎn)F（Ultra Filtration）系統(tǒng)，通過膜的過濾作用將污水中的各類污染物隔離去除，保證出水水質(zhì)達(dá)到RO（Reverse Osmosis）系統(tǒng)進(jìn)水要求。

UF 系統(tǒng)出水進(jìn)入中間水池，出水通過中轉(zhuǎn)泵泵入保安過濾器，再經(jīng)高壓泵泵入RO 系統(tǒng)產(chǎn)水進(jìn)入成品水池，回用于主供水系統(tǒng)，成品水進(jìn)入主供水管網(wǎng)，變頻恒壓控制、遠(yuǎn)程流量監(jiān)測控制，與主供水管網(wǎng)可切換控制使用。RO 系統(tǒng)濃水進(jìn)入濃水池再排入中央水倉。

3 主要構(gòu)（建）筑物設(shè)計(jì)

由于煤礦礦井下空間狹小建設(shè)施工條件受限，各構(gòu)筑物池體順應(yīng)地勢高低落差建設(shè)，盡量減少池體挖深，池底設(shè)計(jì)為階梯式，最大限度利用井下空間，污水站總占地面積約為1040m2（208m×5m）。由于礦井內(nèi)瓦斯?jié)舛雀?，防爆要求高，因此對電機(jī)設(shè)備選型及管理要求嚴(yán)格，所選用設(shè)備必須均為礦用防爆型，必且全部經(jīng)過煤安認(rèn)證。同時(shí)，在污水處理場站上風(fēng)口附近設(shè)置煤礦用固定式甲烷斷電儀（報(bào)警濃度≥1.5%CH4，斷電濃度≥1.5%CH4，復(fù)電濃度<1.5%CH4）、一氧化碳檢測儀、溫度檢測儀，主要用于檢測污水處理場站巷道內(nèi)的甲烷濃度，并實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的甲烷濃度顯示、報(bào)警并對被控設(shè)備進(jìn)行閉鎖、解鎖控制，確保污水處理工程現(xiàn)場作業(yè)安全。

3.1 調(diào)節(jié)池

調(diào)節(jié)池主要功能為調(diào)節(jié)均勻水質(zhì)水量，出水進(jìn)入U(xiǎn)F 系統(tǒng)進(jìn)一步處理。池體采用鋼混+防腐結(jié)構(gòu)，尺寸為81（L）m×4.5（B）m×2.7～3.5（H）m，有效池容約為1100m3，水力停留時(shí)間為8h。主要設(shè)備有潛污泵（Q=150m3/h，H=10m，N=7.5kW，1用1 備）、高壓鼓風(fēng)機(jī)（Q=220m3/h，3000mmaq，N=7.5kW，2 臺）、超聲波液位計(jì)（0～4m，1 臺）。

3.2 UF 系統(tǒng)

污水通過超濾膜進(jìn)行膜分離作用，從而保證污水中的各類污染物通過膜的過濾作用得到去除，保證出水水質(zhì)。設(shè)有反應(yīng)池2 格、配水池1座、膜池1 座，采用鋼混+防腐結(jié)構(gòu)，其中反應(yīng)池尺寸為1.5（L）m×2.2（B）m×3.2（H）m、膜池尺寸為29.4（L）m×3.5（B）m×3.2（H）m。配備有臥式離心耐酸堿泵（Q=6.3m3/h，H=20m，N=1.5kW，3臺；Q=25m3/h，H=20m，N=4kW，1臺）、隔膜計(jì)量泵（Q=167L/h，10bar，N=0.75kW，2 臺）、中空纖維膜組件（500t/d，6 用2 備）、潛污泵（Q=25m3/h，H=10m，N=2.2kW，6 用2 備）、高壓鼓風(fēng)機(jī)（Q=110m3/h，3000mmaq，N=3kW，6 用2 備）、攪拌機(jī)（20rpm，N=0.55kW，2 臺；30rpm，N=0.75kW，1 臺）、轉(zhuǎn)子流量計(jì)（6 用2 備）、液位計(jì)（超聲波式，0～4m，1臺；數(shù)顯式，0～2m，2臺；浮球式，0～3m，6 用2 備）等主要設(shè)備。

3.3 中間水池

UF 系統(tǒng)出水進(jìn)入中間水池，通過中轉(zhuǎn)泵將水泵入RO 系統(tǒng)。中間水池采用鋼混+防腐結(jié)構(gòu)，尺寸為9（L）m×4.5（B）m×3.2（H）m，配有直聯(lián)臥式離心泵（Q=160m3/h，H=28m，N=18.5kW，1 用1 備）、超聲波液位計(jì)（0～4m，1 臺）等。

3.4 RO 系統(tǒng)

進(jìn)一步去除污水中污染物，經(jīng)RO 系統(tǒng)后產(chǎn)水進(jìn)入成品水池，并可直接回用于產(chǎn)線。工程設(shè)計(jì)水資源回收率為60%，產(chǎn)水量為1800 m3/d，濃水量為1200 m3/d。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用8040 型5RO膜90支、膜殼15支，配有立式多級離心泵（Q=130m3/h，H=139.5m，N=75kW，1 用1 備）、直聯(lián)臥式離心泵（Q=160m3/h，H=28m，N=18.5kW，1 用1 備）、臥式離心耐酸堿泵（Q=6.3m3/h，H=20m，N=1.5kW，1 臺；Q=12.5m3/h，H=20m，N=3kW，1 臺）、隔膜計(jì)量泵（Q=25L/h，最大壓力12bar，N=0.37kW，1 臺）、攪拌機(jī)（20rpm，N=0.55kW，1 臺）、保安過濾器（φ600，5 支裝，濾芯精度5μm，1 套）、藥洗過濾器（φ600，5支裝，濾芯精度5μm，1 套）、攪拌機(jī)（20rpm，N=0.55kW，1 臺）、數(shù)顯式液位計(jì)（0～2m，1 臺）等主要設(shè)備。

3.5 成品水池

用于儲存RO 系統(tǒng)產(chǎn)水，回用于主供水系統(tǒng)。池體采用鋼混結(jié)構(gòu)，尺寸為190（L）m×4.5（B）m×3.2～4.1（H）m，主要設(shè)備有立式多級離心泵（Q=110m3/h，H=121m，N=55kW，1 用1 備）、直聯(lián)臥式離心泵（Q=25m3/h，H=18m，N=2.2kW，1 用1 備）、超聲波液位計(jì)（0～4m，1 臺）、電磁流量計(jì)（1 臺）等。

3.6 濃水池

用于儲存RO 系統(tǒng)濃水及UF 系統(tǒng)污泥。池體采用鋼混+防腐結(jié)構(gòu)，尺寸為25.2（L）m×4.5（B）m×3.2（H）m，設(shè)有立式多級離心泵（Q=60m3/h，H=120m，N=37kW，1 用1 備）、超聲波液位計(jì)（0～4m，1 臺）、電磁流量計(jì)1 臺等主要設(shè)備。

4 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

工程由于選址為地下回風(fēng)巷內(nèi)，地塊為狹長型、寬度窄，設(shè)計(jì)工藝要求流程簡單，核心工藝環(huán)節(jié)僅為2 個(gè)，占地僅為0.35m2/t 水。結(jié)合地勢特點(diǎn)，各構(gòu)筑物池體順應(yīng)地勢高低落差建設(shè)，盡量減少池體挖深，池底設(shè)計(jì)為階梯式，最大限度利用井下空間，采用豎向設(shè)計(jì)減少廠區(qū)挖填方量和節(jié)省污水提升費(fèi)用。自控系統(tǒng)采用自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合、分散控制與集中調(diào)度相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在地面遠(yuǎn)程監(jiān)控廠站運(yùn)行。同時(shí)，在污水處理場站內(nèi)設(shè)置煤礦用固定式甲烷斷電儀、一氧化碳傳感器、溫度傳感器、饋電傳感器，若檢測到場站甲烷濃度超過規(guī)范值時(shí)，由煤礦采用的固定式甲烷斷電儀發(fā)出報(bào)警并對饋電開關(guān)進(jìn)行閉鎖，保障污水廠站運(yùn)行和現(xiàn)場作業(yè)人員安全。

5 運(yùn)行效果分析

5.1 運(yùn)行結(jié)果

項(xiàng)目運(yùn)行投產(chǎn)以來，出水穩(wěn)定優(yōu)于設(shè)計(jì)目標(biāo)值，達(dá)到了《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2022）標(biāo)準(zhǔn)，可滿足礦區(qū)日常生產(chǎn)用水水質(zhì)要求，主要出水水質(zhì)指標(biāo)見表2。

表2 項(xiàng)目主要出水指標(biāo)情況

5.2 工程投資及運(yùn)行成本

5.2.1 工程投資

項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模3000 m3/d，主要建設(shè)內(nèi)容包括調(diào)節(jié)池、UF 系統(tǒng)、中間水池、RO 系統(tǒng)、成品水池、濃水池的土建施工，電氣及自控、管道及設(shè)備安裝等，工程總投資約3000 萬元。

5.2.2 運(yùn)行成本

項(xiàng)目運(yùn)行成本主要包括電費(fèi)、人工費(fèi)、藥劑費(fèi)以及日常維護(hù)管理費(fèi)用等（不計(jì)入折舊費(fèi)），運(yùn)行成本約為3.8 元/t 水，其中電費(fèi)約為1.16 元/t 水、藥劑費(fèi)約為0.91 元/t 水。項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)水資源回用1800 m3/d，按西部某地工業(yè)用水價(jià)格約為5 元/t水（自來水費(fèi)加污水處理費(fèi)）計(jì)算，每天可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益9000 元，折合每噸水經(jīng)濟(jì)效益3 元。項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行成本約為0.8 元/t 水（抵扣水資源回用經(jīng)濟(jì)效益后）。

結(jié)語

我國是一個(gè)產(chǎn)煤大國，但同時(shí)也是一個(gè)水資源極度缺乏的國家。煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要消耗大量的水資源，與我國水資源短缺現(xiàn)狀有沖突。在我國加快推進(jìn)水資源循環(huán)利用的大背景下，煤炭生產(chǎn)時(shí)地下礦井涌水水量大，水質(zhì)成分簡單，具有資源化回收利用的條件和迫切性，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益也十分可觀。上文中所述地下礦井涌水處理及資源化工程案例，在環(huán)境保護(hù)和水資源回用方面展現(xiàn)出的優(yōu)勢，可以為礦井廢水資源化利用提供工程經(jīng)驗(yàn)借鑒。