煤矿井下废水处理与综合利用

陈俊清

（湖南有色金属研究院，长沙 410015）

水资源是人类生存不可缺少的自然资源，也是企业实现可持续发展的必要保证。煤矿企业每开采1 t煤，约产生2 t矿井水。煤炭开采产生的大量矿井水若直接排放，将会严重污染周边环境，不仅给矿区生态环境保护带来极大的压力，还造成了水资源的浪费。有数据表明，西北地区已探明的煤炭资源量占全国的70.8%，而水资源总量仅占全国的3.7%。尽管我国矿井水资源利用率逐渐逐渐提高，但全国煤矿排水量与缺水量之间的矛盾越来越受关注。

一般来说，煤矿井下废水富含固体悬浮物、有机物和重金属元素，色度较高[1-2]。煤矿企业要科学处理井下废水，推进水资源的综合利用，保护矿山生态环境。井下废水处理达标后可以回用于煤矿企业，服务生产与生活，同步提高环境效益、社会效益和经济效益[3]。本文结合江西省某煤矿企业井下废水处理工程实例，详细论述了煤矿井下废水处理工艺及其设计参数，以期提升水资源综合利用率。

1 工程概况

该煤矿井下废水处理工程的处理规模为：井下废水处理量Q=5 000 m3/d，回用水量Q=1 800 m3/d。设计的废水处理厂进水水质如表1所示。

表1 设计的废水处理厂进水水质

井下废水经处理后执行《煤炭工业污染物排放标准》（GB20426-2006），达标后外排，回用水质要求达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）要求，回用至澡堂供职工洗浴使用。

2 井下废水处理工艺的选择

2.1 井下废水的水质特点

井下废水一般分为酸性矿井水和非酸性矿井水。根据现场踏勘和水质检测，该煤矿井下废水属于酸性矿井水，pH=4～5，具有大多数煤矿企业井下废水的显著特征。水质特点如下。

一是井下废水多数时候比较浑浊，色度高，污染物主要为悬浮物（SS），水质变化较大，悬浮物浓度变化大，其悬浮物含量远高于地表水，感官较差。二是悬浮物颗粒直径小、比重较小、沉降速度较小。矿井废水中悬浮物颗粒直径一般只有2～8 μm，超过85%的悬浮物粒径在50 μm以下；煤粉密度一般只有1.3～1.5 g/cm3，远远小于地表水系中泥砂颗粒物的密度（2.4～2.6 g/cm3）。三是化学需要量（COD）超标，主要原因是矿井废水含有少量的污机油、乳化油、腐烂污坑木等有机物。另外，悬浮物中的煤屑中碳分子的有机还原性也会导致COD超标。四是酸性矿井废水含有有毒有害的重金属离子，铁、锰等重金属离子超标。

2.2 井下废水处理与综合利用技术

煤矿井下废水处理与综合利用工艺较多，但是通常采用混凝沉淀+过滤的工艺。本工程对其进行优化设计，采用的是初沉+混凝沉淀+过滤+深度处理的处理工艺。煤矿井下废水含有大量悬浮物，初沉是为了对废水中的较大悬浮物进行预沉淀。煤矿生产期间，矿井水排放量和水质具有很大的差异性。通常，煤矿每天选择在电费较低时持续排出矿井水，因此需要在排出口设置一个比较大的调节池。为此，本工程将初沉和调节池合并设计为预沉调节池，不仅具有调节水量、水质的作用，还能起到初沉的效果，提高了处理系统耐冲击负荷的能力。

混凝沉淀是煤矿井下废水处理中十分重要的环节，混凝剂的选择原则是产生大、重、强的矾花，净水效果好，对水质没有不良影响，价格便宜，货源充足。常用的混凝剂是铝盐和铁盐混凝剂。过滤的主要目的是进一步去除水中的细小悬浮物，如果选配滤料得当，过滤还拥有去除铁、锰等特殊功效。

鉴于矿井废水可生化性低、悬浮物含量较高的特点，本项目确定的处理思路为：井下废水全部经过初沉、混凝、斜板沉淀、过滤物化处理后，出水能稳定达标排放。深度处理一般采用反渗透工艺。为了适应反渗透膜的进水要求，防止原水中悬浮物堵塞反渗透系统，给系统运行造成障碍，影响膜的寿命，因此必须进行预处理，使原水流经反渗透膜表面之前就去除悬浮成分和易浓缩结垢的物质。

该工程废水处理工艺具有以下优点：对原水水质波动适应性好，即能有效地缓冲来水水质和水量负荷的变化，从而保证合格的出水水质；管理简单、运行可靠，处理流程大大简化，操作管理及维护方便；结构紧凑，能节省宝贵的土地资源和降低投资，减少占地面积30%，节约基建建设投资20%～30%；采用高效斜板沉淀池，泥浆采用脉冲气流输送，不会堵管，无需冲洗，具有沉淀效率高、停留时间短、占地少、处理效果稳定的优点，污泥浓缩同步完成。

3 井下废水处理工艺流程

煤矿井下废水首先进入预沉调节池，它既可以调节水量，又可将部分颗粒煤渣沉淀；接着，废水通过提升泵提升至化学反应池，通过加药装置投加NaOH、重金属捕捉剂，调节pH值，去除重金属；然后，废水自流进入混凝反应池，同时投加混凝剂PAC和助凝剂PAM，混凝反应池出水自流进入高效斜板沉淀池，经过斜管填料沉淀后，生成大量的有机胶团，大部分悬浮物在沉淀池内下沉后除去；沉淀池的上清液自流进入多介质滤池，将水中不易沉降的固体物通过滤料的截留、拦截等作用进行过滤，通过滤池内的过滤介质，拦截水中的胶体和其他很细的物质，确保出水水质。出水进入清水池，部分进行深度处理后回用作滤池反洗水，多余的达标外排。

预沉调节池和高效斜板沉淀池污泥能通过排泥泵输入污泥池，进行浓缩后再通过板框压滤机进行压滤脱水，脱水后的干污泥进行外运处置。清水池出水通过原水泵提升至前级预处理，为后续反渗透的正常运行创造良好的条件，预处理出水通过反渗透装置中半透膜的选择吸附-毛细管流动机理和筛分机理，使出水得到深度净化，出水达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）要求后进行回用。工艺流程简图如图1所示。

4 主要污水处理构筑物的设计

4.1 预沉调节池

处理规模为5 000 m3/d，按停留时间6 h设计，有效容积V=1 250 m3，池体尺寸为26.0 m×12.0 m×4.5 m，配套设置提升泵2台Q=210 m3/h，H=9.0 m，N=15 kW；桁架式吸泥机1台，跨距12 m，行程26 m，功率1.10+0.75 kW。

图1 工艺流程简图

4.2 化学反应池

化学反应池主要用于投加NaOH，调节pH值，再投加重金属捕捉剂，进行反学反应。反应时间为15 min，池体尺寸为4.0 m×4.0 m×3.8 m，有效水深为3.25 m，配套设计混合搅拌机设备1台，功率7.5 kW。

4.3 混凝反应池

对混凝池投加混凝剂PAC和助凝剂PAM。配套设置框式搅拌机，用于混合和混凝搅拌反应。设计反应时间为60 min，池体尺寸为13.0 m×4.0 m×4.5 m，有效水深为4.0 m，分为2格，配套框式搅拌机设备2台，单台功率1.50+0.75 kW。

4.4 高效斜板沉淀池

按设计流量210 m3/h设计，采用4座高效斜板沉淀池，每座斜板沉淀池由2组高效斜板沉淀器单元体组成，泥浆采用脉冲气流输送。每座斜板沉淀池的设计流量53 m3/h。设置斜板沉淀池4台，碳钢防腐，设计尺寸：12.0 m×5.0 m×2.8 m，配套设置排泥泵2台，Q=15 m3/h，H=20 m，N=3.0 kW。

4.5 多介质滤池

为了进一步去除废水中的悬浮物、有机物及重金属离子，确保废水达标排放，设计多介质滤池一座。设计流量为210 m3/h，过滤速度3 m/h，设计尺寸为12.0 m×6.0 m×4.6 m，分二格，滤料层H=2.0 m。设 置 反 冲 洗 水 泵2台，Q=300 m3/h，H=22 m，N=30 kW。设置反冲洗风机2台，Q=13.75 m3/min，N=22kW，P=58.8 kPa。

4.6 污泥池

设计尺寸为4.0 m×4.0 m×4.5 m，1座，配套设计污泥泵潜水搅拌器1台。

4.7 污泥脱水车间

车间设计尺寸为6.0 m×6.0 m×7.0 m，1座；配套设置板框压滤机2台，过滤面积40 m2，功率3.0 kW；设置螺杆泵2台，流量10 m3/h，扬程60 m，功率3.7 kW。

4.8 加药车间

车间设计尺寸为12.0 m×6.0 m×4.5 m，配套布置5套加药装置，其中1套NaOH、1套重金属捕捉剂、1套PAC、1套PAM和1套消毒成套加药装置。

4.9 深度处理车间

深度处理规模按1 800 t/d设计，车间尺寸为16.0 m×6.0 m×7.0 m，主要设备为：石英砂过滤器1台，活性炭过滤器1台，精密过滤器1台，反渗滤装置1台。

5 投资及运行

该项目总投资约920万元，废水处理部分单位运行成本0.9元/t，深度处理1.5元/t，年总经营成本262.8万元。运行费用包括电费、人工费、药剂费和维修费等。

6 结论

本项目工艺投资较低、占地面积小、运行稳定，操作管理简便，抗冲击负荷能力强，运行费用合理，在煤矿井下废水处理与综合利用中具有独特的优越性。净化处理采用混凝、沉淀与过滤工艺，深度处理采用超滤和反渗透工艺，适合井下废水回用处理，是经济和切实可行的，出水指标达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）要求。该矿井废水处理与利用工程已于2018年5月投入运行，处理效果良好，净化处理出水各项指标均达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）要求，出水稳定可靠，出水水质较好。出水回用至澡堂供职工洗浴用，解决了矿区职工洗浴问题。对于矿井水不需要消毒这一说法，人们需要进一步论证，但是建议增加消毒装置；反冲洗阀门建议均采用电动阀，可以实现自控，降低操作人员的运维难度。