矿井水处理工艺设计与应用研究

伍 超

(西山煤电股份有限公司西铭矿，山西 太原 030000)

引 言

我国煤炭资源大部分赋存于西、北部区域，面临常年少雨干旱的气候，导致水资源极度匮乏，因此煤炭开采工作中的水资源循环利用极为重要[1]。矿井水产生的主要原因是煤炭挖掘过程中破坏了水岩层，导致地下水沿岩层缝隙涌出进入煤矿巷道，为了避免巷道水灾，需要及时将其抽出外排，因其混有煤粉直接外排不仅浪费水资源，还会污染周围环境，为了更好地促进煤矿行业的可持续发展，有必要对矿井水进行处理再利用[2-4]。我国幅员辽阔，使不同煤矿位置的气候、地质等条件存在一定的差异，矿井水处理再利用工艺也不是固定不变的，应该根据矿井所处的环境条件制定，以便更好地提高煤炭企业的矿井水处理能力和效率[5-6]。因此，结合某煤矿水质、水量等特点，设计满足矿区要求的矿井水处理再用的标准工艺，对于提高煤炭企业的经济效益，实现可持续发展具有重要的意义。

1 矿区概况及水质再用标准

矿区地势平坦开阔、交通便利，具有很好的开采前景。周围环境四季分明，一年中的平均气温在12.5 ℃左右，夏季最高温度约为42 ℃，冬季最低温度约为-16 ℃，冻土深度可达22 cm，全年霜雪天气较少，光照时间充裕。据统计，每年的降水量在616 mm左右，远远低于其总的年蒸发量，属于干旱环境范畴。综上所述，该矿区年降雨量较少，以夏季降雨为主，冬季干旱少雪，粉尘较多，对于矿井的正常生产以及周围活动人员的健康均有不利影响。

矿区矿井水每小时的产出量约为250 m3，煤炭正常开采过程中连续24 h运转，经过多次取样检测得到该矿井水各项水质检测指标如表1所示，从表1可以看出水质中的浊度、SS和TDS含量比较高。要想实现矿井水的处理再利用，需要将处理之后的水质控制在ρ(TDS)≤200 mg/L，回收率≥85%，总硬度≤10 mg/L。

表1 矿井水水质检测结果

2 矿井水处理工艺设计

矿井水处理的重点任务是降低矿井水中的浊度、SS与TDS含量。近年来，矿井水处理再利用的工艺过程主要是澄清→过滤→除盐，本文结合某矿井实际情况，选择合适的构筑物，以便确定最终的工艺流程。

2.1 澄清池的选取

矿井水澄清主要将混凝剂、助凝剂等试剂与矿井水在澄清池内进行混合，使矿井水内部悬浮的胶体颗粒不断团聚，进而形成较大尺寸的絮凝体，达到泥水分离的目的，降低水中悬浮物浓度和浊度。目前较为常用的澄清池及其各自对应的性能特点及适应范围如第178页表2所示。综合考虑机械加速澄清池设备投入大，脉冲澄清池后期运行维护费用高，悬浮澄清池工艺控制难，而水力循环澄清池适用于小型水处理站，单个池子的处理能力为60 m3/h～450 m3/h，满足250 m3/h的设计要求，因此此处选用水力循环澄清池。

表2 不同澄清池特点及适应条件

2.2 滤池的选取

水力循环澄清之后的矿井水进入滤池，完成矿井水的过滤，以此除去水中残留的悬浮物、煤岩微粒等。目前矿井水过滤工程中所用的过滤池包括普通快滤池、V型滤池、虹吸滤池和无阀滤池等，结合该矿区矿井水的实际情况，对比分析4种滤池的性能特点，如表3所示，以便选出最佳的滤池方案。由表3可以看出，普通快滤池过滤性能较稳定、应用范围大、持久耐用；V型滤池结构复杂、投资费用高；虹吸滤池土建工作量大、存在一定的水资源浪费、造价高；无阀滤池经济性好、滤水质量较差、维护困难。综上所述，结合该矿区矿井水的特点及水质处理之后的指标要求，选用普通快滤池为宜。

表3 不同滤池性能及适应条件

2.3 除盐工艺的选取

2.3.1 电渗析除盐法

电渗析法除盐的原理是在矿井水中施加直流电场，使水中的各种离子在电场力的驱动下定向移动，配合专用的阴阳离子交换膜，以此降低水中的盐分浓度。该技术在20世纪初被发现，20世纪80年代在我国废水处理领域得到了较为广泛的应用。其在废水处理过程中具有预处理简单、进水质量要求不高、经济性好、除盐效果显著等优点。实际应用过程中发现，除盐过程中极易出现浓度极化，而且离子交换膜易被污染、除盐率低、设备规模大，因此该矿区矿井水的除盐工艺不采用电渗析方法。

2.3.2 纳滤除盐法

纳滤技术作为水质除盐的方法，早在20世纪80年代就已出现，主要借助压力差及滤膜完成盐和水的分离，除盐能力较强。因其使用的滤膜孔径不大，筛分效应和Dormman效应较为明显，滤盐过程中不仅能够截留水中的很多二价离子和一定量的一价离子，还能够截留少量的电解质。纳滤法实际应用过程中需要较低的压力差、水通流量大、经济性好，但是不能滤除水中溶解性的盐分，因此该矿区矿井水的处理暂不采用纳滤除盐法。

2.3.3 高效反渗透除盐法

高效反渗透除盐方法是20世纪90年代发展起来的新技术，除盐原理中很好的结合了离子交换和常规反渗透方法的优势，前者能够有效去除水中的硬度，当水中pH值较大时，反渗透方法即可发挥作用。高效反渗透除盐法得到的水中，硬质悬浮物多以硅离子的形式存在，极大地降低了渗透膜的污染程度。高效反渗透除盐法在使用过程中不用考虑水中淤泥的浓度，除盐效率高、膜污染程度低、经济性好等。为了最大程度地满足矿井水的除盐效率和回收利用率，缓解矿区水资源紧张的问题，拟采用高效反渗透除盐法，因该矿区的矿井水硬度不高，选用钠离子交换器配合高效反渗透除盐法进行水质的软化处理。

2.4 污泥处理工艺的选取

污水处理池中的污泥不能直接进行排放，也需要进行严格的处理，此处将选用浓缩、脱水的方法完成污泥的处理，主要目的是实现泥水的分离，常用的污泥浓缩方法有气浮浓缩、重力浓缩、离心浓缩等，其中气浮浓缩适用于少量污泥的处理，需要较高的费用投入；重力浓缩操作简单、经济性好、储泥能力较强；离心浓缩装置复杂、使用维护费用较高。综述所示，此处选择重力浓缩法完成污泥的浓缩处理。机械脱水方法应用较为广泛，其包括压滤法、真空吸滤法、离心法等，该矿区污泥产出量小，为了便于后续的管理与应用，拟采用板框压滤机完成污泥的脱水处理。

3 矿井水处理工艺流程

基于该矿区矿井水的实际情况及其处理后的指标要求，考虑矿井水处理过程中的便捷性、处理效率及经济性等因素，制定了适应于该矿区矿井水处理再利用的工艺流程，如图1所示。

图1 矿井水处理工程工艺流程

矿井水主要来源于矿井内部，在流入预沉调节池之前需要均匀混入一定量的PAC，以便提高预沉调节池净化能力。预沉调节池处理完成之后的矿井水需要混合PAC、PAM再进入水循环澄清池，进一步去除水中的悬浮物和浊度，之后输送至普通快滤池进行处理，过滤完成后进入中间水池。中间水池处理的水经过提升泵增压之后导入超滤系统，除去剩余的悬浮物和杂质，然后进入钠离子交换器进行除硬，最后的环节就是高效反渗透系统的除盐，进而得到淡水进行再利用。

4 应用效果评价

按照矿井水处理工艺设计方案完成了相关系统的搭建，并且投入到了矿区矿井水处理过程，通过跟踪调研可知，矿井水处理系统工作稳定可靠。矿井水处理之后的指标检测结果如表4所示，从表4可以看出，水质指标能够满足矿区水资源再利用的要求，其中浊度降低近76%，DTS降低近90%，SS降低近70%，成功解决了矿区水资源短缺的问题。统计得到该套矿井水处理系统的污水处理成本仅为1.89元/t水，远远低于市售水价，使矿井水处理再用能够为企业节省大量的资金投入，降低煤碳开采成本，实现矿井环境效益、社会效益和经济效益的完美统一。

表4 矿井水处理之后水质检测结果

5 结语

矿井水的处理再利用不仅能够节约水资源，还能保护矿区的自然环境，必须引起高度重视。针对某矿区水资源紧张的问题，结合其矿井水的实际检测指标，开展了矿井水处理工艺设计与应用研究。由矿井水水质指标可以看出其中的浊度、SS和TDS含量比较高。之后完成了矿井水处理工艺方案的设计，包括澄清池、滤池、除盐、污泥处理等工艺的选择，形成了完善的矿井水处理再利用工艺流程。应用结果表明，该矿井水处理工艺能够降低水中的浊度、SS和TDS含量，使其满足再利用的指标要求，达到了最初的设计目的。