煤矿矿井水处理站改造方案分析及实践

魏姗姗

（晋能控股装备制造集团，山西 晋城 048000）

0 引言

山西某矿位于沁水煤田东南部，本区域地下水可分为碳酸盐岩类岩溶裂隙水、碎屑岩裂隙水，松散岩类孔隙水仅在矿区沟谷和南北边缘，且含水性极弱。对煤矿开采有直接影响者主要为煤系碎屑岩类，山西组、太原组砂岩和砂岩夹薄层灰岩裂隙岩溶水，其次在局部地段为浅层孔隙水。地下水水质主要超标因子为总硬度、硫酸盐。煤炭在开采过程中会产生大量的矿井涌水，而矿井水主要是由地下水和少量渗入的地表水组成。

1 矿井水处理工艺

该矿矿井水处理工艺为：井下提升水→分配水箱→平流沉淀池→水力旋流澄清池→过滤→复用，复用后多余的水进行深度处理后外排。矿井开拓变化时（高岭土含量增大、中央水仓清仓）矿井水原水水质会恶化，此水质静置一周仍不能沉降，属于难沉降的泥化废水。根据矿井水原水水质分析结果表明，在中央水仓清仓时的悬浮物质量浓度可达到2 000～4 000 mg/L，总铝质量浓度为30 mg/L，总硅（以二氧化硅计）质量浓度为470 mg/L，二氧化硅（以二氧化硅计）/硅质量浓度为9.98 mg/L，折合高岭土质量浓度为150 mg/L。

2 水质恶化原因分析

经分析，在原水水质恶化（高岭土含量增大、中央水仓清仓）时，主要依靠水力旋流澄清净水装置进行废水的预沉淀处理，此装置主要依靠水力旋流的方式进行混合反应，在原水水质恶化时水力混合反应就存在混合不充分、反应不完全的问题，导致出水水质和处理能力很难达到设计要求；原水力旋流澄清净水装置的混合罐采用两台罐式混合器，分别向两台混合罐中投加PAC 和PAM，将混凝反应后的水再由分配水箱分配至各个脉冲式旋流澄清净水装置中，未实现混合和絮凝过程分开，影响水处理效果。

3 试剂试验方案

经过实验在增加加药量约为60%～100%的情况下，通过机械搅拌混合及反应后出水水质可满足设计要求。为了节约运行成本且提高运行效率，试验利用一种复合药剂对难沉降的泥化废水有进行处理。以矿井实际的PAC、PAM 加药量及厂家提出的加药量进行对比，对结果进行评价。

3.1 材料与方法

3.1.1 药剂与仪器

试剂：聚合氯化铝（PAC，Al2O3质量分数30%）；复合药剂；聚丙烯酰胺（PAM，阴离子型）；氢氧化钠；盐酸。

仪器：雷磁PHBJ－260 便携式pH 计；OHAUS 电子天平；ZR4－6 混凝试验搅拌机。

3.1.2 试验方法

原水的pH=8.94，悬浮物质量浓度为2 288 mg/L。将原水水样置于1 L 搅拌容器中，研究复合药剂和PAC 对沉降效果的影响，试验中pH 采用氢氧化钠和盐酸调节。

试验方案：空白水样①、水样②中加普通药剂PFC+PAM、水样③中加PFC+复合药剂+PAM，搅拌5 min，静置观察，记录沉降时间；取原水样、加药静置后的上清液分别测定悬浮物浓度；分别测定原水样和上清液的氟化物浓度。

1）配置药剂：取PFC 药剂5 g 溶于100 mL 蒸馏水中，配置PFC 储备液；取PAM药剂1 g 溶于200 mL水中，配置PAM储备液；取专用药剂10 g 溶于100 mL水中，配置专用药剂储备液。

2）分别取原水样500 mL 于3 个烧杯中。

3）在水样②中加入PFC 储备液8 mL，搅拌均匀，约2 min 后加PAM储备液1.5 mL，搅拌均匀；同时在水样③中加入PAC 储备液3 mL，搅拌均匀约2 min后，加专用药剂储备液1.5 mL，搅拌同时测定pH 值，调整pH 在6～7 之间，随后加PAM 储备液0.5 mL，搅拌均匀。

4）将水样②和水样③同时倒入1 000 mL量筒中，同时计时观察，记录沉降时间并观测上清液效果。

3.2 试验效果评价

1）沉降速度（计时）：水样②停止沉降计时为1 min，水样③停止沉降计时为50 s。结果表明，使用复合药剂比普通药剂沉降时间缩短，减少了水力停留时间，可处理更多水量。

2）水样②的上清液悬浮物质量浓度为13 mg/L，水样③的上清液悬浮物质量浓度为8 mg/L。结果表明，使用复合药剂可以取得比普通药剂更清澈的出水；使用普通药剂的悬浮物去除效率为99.4%，使用专用药剂的悬浮物去除效率为99.7%，二者相差不大。

原水样氟化物指标为2.6 mg/L，水样②上清液测定氟化物质量浓度为1.3 mg/L，水样③上清液氟化物质量浓度为1.0 mg/L。结果表明，使用普通药剂氟化物去除率约为50%，使用专用药剂氟化物去除率约为60%；使用复合药剂后氟化物去除率比普通药剂提高10%。

3.3 试验成本评价

该矿目前处理水量6 000 m3/d，水样②的加药量模拟该矿特殊水质时期的实际运行加药量。根据其实际购买的普通药剂价格及第三方提供的复合药剂市场价计算得出，使用普通药剂成本共为9 480 元/d；使用复合药剂后的成本共为10 170 元/d。

结果表明，加入复合药剂比普通药剂的成本费用高出690 元/d。

3.4 总体评价

经过实验得出，从药剂成本上来看，增加了矿方的运行成本；但从沉降时间、沉降速度、悬浮物去除情况来看，复合药剂的使用效果比PAC 的效果要好。实际运行中使用普通药剂的效果与实验室效果有一定差距，由此可见实验分析不具有代表性，仍然需要进行现场测验，测定实际运行效果。另一方面，该方案试验过程中反应的问题表明，水力混合的缺陷是造成水质恶化的根本原因。

4 处理工艺改进方案

4.1 工艺改进思路分析

处理工艺改进主要是围绕改进原水力旋流澄清净水装置水力混合反应的不足，通过机械搅拌提升PAC、PAM与原水的混合效率，提高混凝效果，解决由于原水水质恶化（高岭土含量增大、中央水仓清仓），导致出水水质和处理能力达不到设计要求的问题，保证出水水质达标。经过分析，脉冲式旋流澄清净水装置的特点如下：适用于中小型处理水量，进水SS 质量浓度5 000 mg/L 左右，具有水处理适应性强、混合效果好、处理效果稳定、效率高、排泥方便等优势，能适合本次改造的需求。改造思路如下：

1）原水力旋流澄清净水装置的混合罐采用两台罐式混合器，分别向两台混合罐中投加PAC 和PAM，且采用水力混合的方式对药剂进行混合，由于药剂与水接触时间短，混合不充分，形成大的絮体时间较长，导致处理负荷较低。现采用专用的机械混合配水槽，使PAC 与矿井水在机械搅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，使絮凝反应在脉冲式旋流澄清净水装置内部发生，采用变频搅拌机辅助絮凝，将混合与絮凝过程分开，实现了快速混合慢速絮凝的工艺要求，混凝效果更好，有效的提高了在原水水质恶化时，脉冲式旋流澄清净水装置的处理负荷及处理效果。

2）原水力旋流澄清净水装置采用压力进水，澄清池进水流速快，澄清池内水力波动较大，絮凝形成的矾花容易被打破。而脉冲式旋流澄清净水装置的重力配水使进水流速变慢，澄清池内水力波动更小，更有利于絮体的聚集与沉降，避免了大的矾花被打破，有效提高了脉冲式旋流澄清净水装置的处理负荷。

脉冲旋流澄清装置已有应用实例[1-2]，并且已取得很好的经济、社会、环境效益。本次改造使用的装置是升级后的新脉冲旋流澄清装置，其具有较大的泥斗，排出的污泥含水率低，排泥量少，可以提高后续污泥脱水单元的运行效率。

4.2 工艺改进效果

考虑药剂的成本问题，本次改造只针对澄清单元进行了设备改造，药剂仍用原有药剂。水质检测结果见表1，从表中可以看出取得了预期的效果。

表1 该矿水质监测报告

5 结论

山西该矿井水原水水质会恶化，采取了复合药剂改造方式和脉冲式旋流澄清工艺改造方式，经过分析和对比表明，复合药剂改造方式的应用成本较高，而脉冲式旋流澄清工艺改造方式的应用成本较低，并且实现混合和絮凝过程的有效分开，取得了良好的效果。