矿井废水处理优化技术研究

田卫平

(1.太原理工大学，山西太原 030024; 2.西山煤电集团设计院，山西太原 030053)

0 引言

矿井废水是指采煤过程中，所有渗入井下采掘空间的水。水质主要受当地地质年代、地质构造、各种煤系伴生矿物成分、所在地区的环境条件等因素的影响。矿井废水经矿井排水系统抽排出地面，在地面进行废水处理。

据统计，2006年全国煤矿矿井涌水量约在42亿m3。资料显示，近20年间，山西矿井水排放造成的经济损失累计达到340.5亿元。在“十二五”规划中，全国矿井水年产生量70.92亿m3，利用量54亿m3左右，要求利用率75%，达标排放率100%。

1 西山矿区矿井废水水质分析

西山矿井水水质见表1。

结合表1，经过调研，得出西山矿区各矿井废水水质特点：1)悬浮物高，正常时值在40 mg/L～200 mg/L，井下清仓时会达到1 000 mg/L～3 000 mg/L，甚至更高。2)pH值接近中性。3)BOD5远小于COD，主要是煤粉煤屑中碳原子的有机还原性所致。4)硬度高，均高于《生活饮用水卫生标准》所规定的450 mg/L，矿化度高。

2 西山矿区矿井废水处理工艺

西山矿区矿井废水处理工艺见图1。

图1 矿井废水处理工艺图

矿井废水经调节池处理后，经混凝沉淀和过滤工艺的处理后经消毒后至中水回用水池，回用至地面冲厕、浇洒、矸石山、选煤厂补充用水等杂用水。部分中水经过深度处理后供给井下、地面锅炉房、电厂等用水。

3 矿井废水处理工艺优化

3.1 调节池

1)调节池容积：由于井下排水是间断式排水(要求20 h排出24 h的排水)，同时由于井下地质构造、探放水和季节性差异，排至地面的水是不连续的，且变化幅度较大。而地面处理设施其运行要求是连续的，调节池要求有足够的调节能力。同时矿井逐渐向深部开采，西山矿区矿井排水量呈逐渐增大的趋势，矿井废水处理站改造优化时需充分考虑调节池的调节能力，调节池容积要求根据来水曲线和供水量经过计算，其容积可按照4 h～8 h(日平均时)处理水量计算。否则易造成来水量过大，后续设施来不及处理，造成调节池溢流，污染环境。

2)调节池预处理：调节池中的预处理设施，根据设计思路的不同，矿区有两种预处理设施：a.在调节池中设搅拌装置(高压水、空气管或搅拌器)，保证调节池中水不停搅动，不沉降，由渣将泵提升至后续设施处理。在调节池和净水设施中间设旋流器等设施去除大粒径颗粒，沉泥定期排至排泥水沟，可减轻后续净水设施的负荷。本设计方法在官地矿和屯兰矿中运用。b.把调节池设计为平流沉淀池，矿井水中的粒径大于50 μm的微粒，不须加药即可自然沉淀去除，基于此原理，在池顶设计刮泥机，来水在平流沉淀池中进行预沉，污泥经污泥泵提升至污泥池处理。马兰矿、东曲矿、镇诚底矿采用此方式。经实际运行比较后一种工艺较为适用，前一种方式在实际运行中发现调节池中的搅拌装置连续运行时不存在问题，在检修时，大量污泥沉降，由于煤泥不易搅动，搅拌装置就会无法运行，运行操作管理水平要求严格，且后续设施加药量大，需定期人工清理池内污泥，劳动强度大。现有工艺改进时，调节池改造中可增设潜水搅拌机并在池顶增设吸泥机。后一种方式在预沉池中进行了初步沉淀，减少了后续设施的加药量，较为经济，运行管理简单，便于操作。

3.2 混凝沉淀和过滤工艺

矿井水中的粒径小于50 μm的微粒，可用加药混凝沉淀去除。目前西山矿区采用的混凝沉淀工艺有以下两种：

1)澄清、过滤工艺流程(见图2)。

图2 澄清、过滤工艺流程

2)反应、沉淀、过滤工艺(见图3)。

图3 反应、沉淀、过滤工艺流程

反应、沉淀和澄清均属于混凝沉淀，在实际运行中了解到两种方式均能处理矿井废水，经过比较采用澄清过滤工艺的优点有：a.出水悬浮物更低，且易于控制。b.澄清池在净化过程中耐冲击负荷能力强，处理稳定性高。c.对矿井水中的油类物质有去除率高，澄清池泥渣回流，使药剂得以充分利用，同时泥渣有利于悬浮物质与絮体间的相互碰撞，增大絮体力度，加快絮凝体的沉降速度。

针对矿区用地的紧张，处理系统自动化要求高的特点，矿区在矿井废水处理站改造时采用了一体化净水器，即混凝沉淀过滤一体，占地面积小、上马快，自控水平高的优点。但在选用时应注意到几点：a.净水器优先选择处理高浊度净水器(适应原水浊度3 000，出水浊度＜10)，以适应悬浮物增大的影响。b.净水器混凝沉淀过程优先采用含澄清工艺(悬浮澄清等)，对来水浊度适应力强。c.反冲洗过程选择自动化程度高且可控的系统，做到自动手动均可，便于调节。d.滤料不宜选择塑料滤珠(油类污染物易堵塞)，最好选择无烟煤、石英砂等滤料。

3.3 深度处理工艺

原先设计矿井废水排放标准为《城镇污水处理厂综合排放标准》一级A标准，为满足矿区废水资源化的目标，中水复用，矿井水零排放，要求分别满足《井下消防洒水水质标准》《城市污水再生利用》《生活饮用水卫生标准》等，解决不同用户对水质的不同要求，需对部分中水进行进一步深度处理达到用水要求。

西山矿区目前使用的深度处理工艺有以下几种：离子交换工艺、反渗透、超滤工艺。

离子交换工艺主要适用于锅炉房等软化用水要求设施，但由于去除了钙、镁离子等人体必需的矿物质，而大量增加了钠离子，软化水不宜作为饮用水。另外软水容易腐蚀管路，使金属管路生锈穿漏，所以离子交换软化水不宜于长距离输送。

使用效果较好的为超滤工艺，超滤主要作用是减少原水中的浊度、悬浮物和有机物、细菌、病毒和病原体，以达到净化原水目的。超滤过程是在膜两侧产生一定的压力差后，水、低分子物质和无机盐透过膜，而大分子物质、胶体等被半透膜所截留。超滤截留粒径0.01 μm～0.1 μm。针对锅炉房等要求软化用水的要求可在矿井水处理站进行超滤处理，超滤水供至锅炉房再进行离子交换工艺。针对井下消防洒水，原先对井下消防洒水是直接利用矿井混凝沉淀过滤后的中水，随着井下用水设备对用水水质的要求提高，同时煤矿井下施救系统的要求，且井下供水施救管网与消防洒水一般为合用管网，采用原先中水不能满足用水要求，若处理为饮用水水质标准，成本过高。目前东曲矿采用方式为对井下消防洒水进行超滤处理较为合理，井下饮水用供水点单设小型水处理设备满足井下饮用水水质要求。

针对矿区生活用水要求，由于水中硬度约为600 mg/L，硫酸根≈1 200 mg/L，远大于生活饮用水卫生标准，长期饮用会造成腹泻等症状，若处理为饮用水应采用反渗透(RO)工艺进行处理。目前镇城底矿深度处理采用反渗透工艺，由于产水成本高，适合小水量使用。

4 矿井废水处理新工艺

随着矿井深部开采，矿井废水的排水量逐年呈增大趋势，矿井废水处理规模需加大，有的甚至增加到原来的2倍以上，由于厂区占地的制约因素，需在原厂址基础上进行扩建，调节池需增大，若按照传统的混凝沉淀方法占地较大，工艺设计较为困难，因此，微滤处理工艺有良好的应用前景。

微滤又称微孔过滤，截留溶液中的砂砾、淤泥、黏土等颗粒、小分子及少量大分子溶质都能透过膜的分离过程。截留大小在0.1 μm以上的物质，针对矿井废水来说，主要污染物为悬浮物，悬浮物粒径为0.1 μm以上，现在一般微滤采用陶瓷膜、管式膜。

矿井废水，经过调节水池后，由提升水泵送至膜系统入口，膜组件内的输料泵加压输送到保安过滤器中，拦截大颗粒的煤粉等，以保护膜元件，再由循环泵增至一定的压力和流量进入膜组件中进行分离。小于膜分离孔径的物质例如水、无机盐、小分子物质等在压力的作用下，穿透过膜表面，被分离开来形成透析液，进入到产水罐。而悬浮物颗粒、大分子菌体无法穿透过膜表面，从而形成截留液，排出膜系统。

采用微滤替代混凝沉淀过滤工艺的优点是占地非常小，处理水量大，模块化，自动化程度高，适用于矿井水处理站的改扩建。

5 结语

为便于矿井废水处理站的正常运行，减轻工人劳动强度，保证稳定可靠的处理效果，在改扩建中矿井废水处理工艺优化是非常重要的，同时，根据矿井废水资源化的目标，实现矿井废水零排放，要求中水回用，为满足不同的使用水质的要求，矿井水处理工艺需进行进一步的改进。矿井废水处理站要求对来水调节能力强，一级处理要求对水质的变化适应能力强，出水稳定，矿井废水处理站不仅是进行废水处理，同时要求深度处理，成为供水中心，满足矿区用水要求。因此矿井水处理工艺局部的改造优化是势在必行的，适用于矿井水的一级处理和深度处理的成套化的先进处理工艺会越来越多的得到应用。

［1］ 曹祖民，高 亮.矿井水净化及资源化成套技术与装备［M］.北京：煤炭工业出版社，2004.

［2］ 崔玉川.煤炭矿井水处理回用利用技术进展［J］.工业用水与废水，2000(2)：43-44.