曹家滩煤矿矿井水处理技术工程案例探讨

王 信, 杨 军

(中煤科工集团北京华宇工程有限公司,北京100120)

矿井水是伴随井下煤炭生产产生的一种工业废水,同时又是一种重要的水资源[1]。曹家滩煤矿地处榆林市北部,毛乌素沙漠南部,此处为半干旱地区,常年风沙严重,属于重度缺水地区。通过技术手段将矿井水转化为矿内生产、生活自用水,使生产废水充分利用,形成资源[2],不仅节约生产矿井用水成本同时还可以极大缓解附近水源紧缺矛盾,这对于干旱沙漠地带有实用意义。曹家滩煤矿正常生产能力内涌水量为881 m3/h,新建矿井水处理站处理能力为1 200 m3/h,处理后出水主要用于工业场地地面消防、地面生产、井下消防用水和生活洗漱用水,其中还有一部分作为化工用水外排。矿井水处理站自建成并投产以后,对于水资源的循环利用具有指导及生产意义[3]。

1 曹家滩煤矿水源特征

曹家滩煤矿矿井水质分析结果表明,矿井水的主要超标项是浊度、悬浮物,但pH值、BOD5、矿化度、硫酸根和氟化物等指标与地下水水质分析相应指标不稳定,有时略有升高,但不超标,石油类、CODcr、砷和硫化物,属于正常范围,这一点基本上反映了由地下水转化为矿井水的过程中,受井下污染而引起的水质变化情况,总体上呈现出水量不稳定、悬浮物高和低有机物污染的特点[4-5]。基于以上的分析与分质用水需求,可以认为进行矿井水处理的主要目标是去除浊度、悬浮物等超标污染成分,使矿井水转化为可利用水资源[6]。

1.1 矿井水来源

曹家滩煤矿年生产能力15 Mt/a,正常生产能力内矿井水的涌水量为21 144 m3/d,其水量主要来源于第四系上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水含水层、第四系中更新统离石黄土弱含水层,风化岩基岩裂隙承压水含水层,侏罗系中统直罗组孔隙裂隙承压含水层[7]。

1.2 矿井水水质特征

矿井水的主要污染物为采煤过程中的煤粉混合物与岩粉、矿粉等,在矿井水经过井下煤仓沉淀以后,由提升泵房提升至地面的矿井水处理站,此时的矿井水主要含有煤粉、煤渣、岩粉、矿粉等,使水体呈现出灰色或者黑色。依据例行监测数据显示:

1)悬浮物含量高。悬浮物含量为242 mg/L～1 400 mg/L之间,波动较大,并且依据实际运行发现,悬浮物中含有部分粒径在2 mm～8 mm左右的煤渣颗粒物。

2)水质偏碱性。依据连续进水水质监测,进水pH值在8.39～10.34之间,其原因之一是目前井下仍有少量的施工任务,造成pH值不稳定;另一个原因是煤矿处于风化岩基岩裂隙承压水含水层,含有丰富的钙、镁离子,使水体呈现弱碱性[8]。

3)水质指标不稳定。进水水质整体呈现悬浮物高、碱性高,矿化度大部分时间稳定在100左右,含有少量石油类与氟化物,石油类主要是井下机械冲洗造成的,不含有重金属与磁化物等。曹家滩煤矿水质特征如表1所示。

表1 曹家滩煤矿水质特征

注:“-”表示未检出,“/”表示不做要求

2 水处理工艺介绍

根据第一节,曹家滩煤矿矿井水主要污染物为悬浮物(SS)、浊度,氟化物,pH略高。矿井水回用主要用于浇花洒水、井下消防洒水、洗煤厂用水。水处理工艺主要构筑物分为一体化综合处理车间、综合处理车间、污泥处理车间。三段工艺流程主要为预处理段、深度处理段、污泥处理系统[9-10],其工艺流程图见图1。

2.1 预处理段

矿井水首先进入一体化综合处理间,一体化综合处理间分为两部分。

第一部分为预沉调节池,共分为两格,每格分别进水,设计水力停留时间为1.5 h,可加入少量PAC药剂助沉。预沉调节池出水经由一级提升泵或者高液位自流进入后续部分絮凝斜管沉淀池。絮凝斜管沉淀池分两格,池顶部为斜管,底部为泥斗。预沉调节池出水在进入絮凝斜管沉淀池之前经过管道混合器,与加入的PAC药剂与PAM药剂充分混合以后进入絮凝斜管沉淀沉淀池的前端反应区。共设计六个反应区,其中前部为混合搅拌区,后段为重力流混合区,经过混合区以后进入到斜管池。上清液经由絮凝斜管沉淀池上部集水器流入转输水池,下部主要大、小悬浮物颗粒经斜管沉淀后沉入泥斗。预沉调节池池底与絮凝斜管沉淀池池底均设计为漏斗形状,采用重力式压力排泥,排入污泥池。转输水池的水体经过加氯消毒后外供至洗煤厂用水。

2.2 深度处理段

深度处理段主要采用重力式无阀滤池和超滤膜净水工艺。重力式无阀滤池采用半地下混凝土结构,设计率速为6.9 h,采用500 mm厚鹅卵石垫层和700 mm厚活性沙滤层。无阀滤池为活性沙自动砂滤,依据过滤阻力自动反冲洗活性沙,使用方便灵活。转输水池清水经过提升泵提升至重力式无阀滤池,出水一部分进入生产消防水池,主要用于地面生产冲洗水和矿井地面消防用水,另一部分进入转输清水池。转输清水池水体经过超滤进水泵提升至超滤膜组,超滤膜组件单套处理能力设计为120 m3/h,超滤膜设备配套建设超滤进水过滤器、超滤反洗过滤器、超滤清洗过滤器、超滤加药清洗设备等,主要辅助超滤膜组件实现自动运行,自动化控制。超滤出水经过加药消毒以后一部分进入日用生活清水池,另一部进入井下消防洒水池。日用生活水池水体主要用于淋浴,井下消防洒水池水体主要用于井下消防洒水[11-12]。表2为2019年度5月-9月各阶段出水水质的平均监测数据。

图1 矿井水处理系统工艺流程图

表2 出水水质分析

注:ND代表未检出,超滤出水悬浮物检测为浊度。

从出水监测数据可以看出,第一阶段出水与超滤出水分别满足主要控制指标均满足《煤炭洗选工程设计规范》(GB50359-2005)、《煤矿井下消防、洒水设计规范》(GB50383-2006)用水水质标准,并能稳定运行。

2.3 污泥处理系统

污泥处理系统主要分为污泥浓缩工艺阶段和污泥处理工艺阶段。一体化综合处理车间污泥经过重力排泥进入到污泥池,污泥池污泥经过污泥泵提升至污泥浓缩池进一步浓缩,浓缩完成以后,经由污泥进料泵提升至污泥处理车间,污泥处理车间设置有3台IK带式压滤机,将浓缩后污泥进一步压饼成型,装车外运。浓缩池上清液与污泥压滤机产生的污水回流至污泥池,经过污水泵提升至一体化综合车间的预沉调节池,形成闭环管理。

3 矿井水处理站工艺优势分析

曹家滩矿井水处理站主要去除悬浮物及颗粒物,在去除悬浮物的过程中伴随去除了部分氟化物,降低了出水pH值,处理站出水满足了地面生产消防用水、井下消防洒水、洗煤厂用水、淋浴用水、地面景观水体用水水质要求。矿井水处理站工艺优势主要有:

1)从预处理阶段采用加药设计,能从最大程度上降低后续段悬浮物的浓度,降低絮凝斜管沉淀池的压力,同时减轻了预沉调节池至絮凝斜管沉淀池中间管道混合器的加药压力。

2)采用重力式泥斗排泥,可有效避免因传统桁车式吸泥机存在流动不畅、管渠阻塞,影响环境卫生而导致的问题。重力泥斗式排泥不仅可有效避免上述问题,而且是隐藏在水面以下,改善了工作环境。重力式排泥系统同时设计了反冲洗系统,可有效冲洗污泥管路,避免污泥管路排完泥以后残留污泥固化、凝结问题。

3)在传统工艺上采用取长补短,形成了工艺简单、运行可靠、成本低廉的水处理系统。

4 环境效益分析

4.1 经济效益

水处理阶段采用预沉+絮凝预处理工艺,吨水运行成本在0.59元左右,基本与主要矿井水处理成本相持平。但是其所采用的工艺模式,不限于重力式排泥等方式,改善了环境卫生,极大节省了人力物力,降低运行成本[13-14]。

4.2 社会效益

矿井水处理站的处理模式为分级处理、分级出水,依据不同用水单位对水质需求的不同,采用不同阶段出水模式,在极大降低水体处理成本基础上,实现来水分流、分类逐级利用,减少矿井水处理站的外排与能源浪费,降低环境治理与深度处理费用的双重成本。

5 结论

1)曹家滩矿井进水水质只有悬浮物偏高与微量氟化物,天然弱碱性水质,不含重金属离子和有毒有害离子,目前超滤出水只是井下洒水,部分用于淋浴用水补水,但为以后的洗漱、饮用打下了基础。

2)矿井水处理站经过不同阶段的水处理工艺,分别满足了《煤炭洗选工程设计规范》(GB50359-2005)、《煤矿井下消防、洒水设计规范》(GB50383-2006)等水质标准,实现分质供水。

3)在毛乌素沙漠周边,实现矿井水水资源的综合利用,实现了矿区与周边环境的协调发展,产生良好的环境与经济效益,具有一定的推广应用前景。