寧東鴛鴦湖礦區(qū)礦井廢水處理工藝設(shè)計與利用*

唐 鳳，曹 凱，楊宏濤，白欣陽，吳長樹，康亞明

(1.北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021;2.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司紅柳煤礦，寧夏 靈武 750411)

1 引言

鴛鴦湖礦區(qū)位于寧夏中東部地區(qū)，為典型的半干旱半沙漠大陸性氣候，其特點是冬季寒冷、夏季炎熱，晝夜溫差較大。根據(jù)靈武市氣象站1990～2005年氣象資料，本地區(qū)風(fēng)向以正北或西北為主，風(fēng)力最大可達(dá)8級，一般為4～5級，平均風(fēng)速為3.1m/s;春秋兩季有時有沙塵暴;年平均氣溫為9.4℃，年最高氣溫為36.6℃(1997年)，年最低氣溫為－25.0℃(2002年);降水多集中在7、8、9三個月，年最大降水量為322.4mm(1992年)，最小降水量僅為116.9mm(1997年)，而年最大蒸發(fā)量高達(dá)1922.5mm(1999年)，為年最大降水量的6倍及最小降水量的16倍，年最小蒸發(fā)量1601.1mm(1990年)。

井下水處理站處理對象為該礦區(qū)紅柳礦井下水及麥垛山礦井下水，其中紅柳礦井下排水量為632m3/h，麥垛山礦井下排水量為766m3/h。井下水處理站設(shè)計規(guī)模:初期17000m3/d;后期34000m3/d。

2 礦井原水水質(zhì)

根據(jù)寧夏煤炭質(zhì)量檢測中心提交的《紅柳煤礦井下水水質(zhì)監(jiān)測報告》(取紅柳煤礦鉆孔水樣)井下排水屬高含鹽量水，含鹽量為12000mg/L～14000mg/L，總硬度為160～185度 (德國度)。

考慮到在生產(chǎn)過程中井下排水會受到巖屑、煤粉以及井下機械設(shè)備的污染[1－3]，同時參照區(qū)內(nèi)同類型礦井井下排水水質(zhì)資料，以及清倉時井下排水水質(zhì)較差，COD、SS、油類等污染物值較高，本工程原水水質(zhì)按如下設(shè)計:

SS:60～3000mg/L;

pH:6～9;

油:1.0～20mg/L;

CODcr:100～270mg/L;

含鹽量:12000mg/L～14000mg/L;

總硬度:160～185度(德國度)。

3 礦井水處理程度的確定

本井下水處理站出水主要用于礦井井下消防灑水、選煤廠洗煤補充水及矸石電廠冷卻循環(huán)補充水，各用水項目的用水水質(zhì)分述如下:

(1)井下消防灑水用水水質(zhì)執(zhí)行《煤礦井下消防、灑水設(shè)計規(guī)范》(GB50383－2006)中井下消防、灑水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

(2)洗煤補充用水水質(zhì)執(zhí)行《煤炭洗選工程設(shè)計規(guī)范》(GB50359－2005)中的選煤用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表1 井下消防、灑水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

表2 選煤用水水質(zhì)指標(biāo)

(3)電廠用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》(GB50050－2007)中再生水用作冷卻用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

綜合以上各項目用水水質(zhì)要求，為簡化處理系統(tǒng)，結(jié)合設(shè)計委托書的要求，確定本設(shè)計處理后的出水水質(zhì)按各項目用水水質(zhì)要求最高的指標(biāo)執(zhí)行。

4 工藝設(shè)計

4.1 處理工藝及流程

根據(jù)原水的水質(zhì)及處理后的水質(zhì)要求，本工程處理的重點是水中的懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量COD、乳化油及溶解性固體等。

表3 再生水用作冷卻用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

表4 處理后水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

目前國內(nèi)礦井井下水處理工藝主要采用加藥、混凝、沉淀、上浮和過濾工藝去除水中的懸浮物和油類，采用反滲透工藝去除溶解性總固體。

本設(shè)計采用“預(yù)沉→混凝沉淀除油→無閥過濾→機械過濾→活性炭過濾→精密過濾→反滲透→消毒”工藝對井下水進(jìn)行處理[4－6]。

4.1.1 工藝流程

紅柳礦井下排水由主斜井排出，利用余壓進(jìn)入至工業(yè)場地井下排水處理站內(nèi)的調(diào)節(jié)沉淀池，經(jīng)過預(yù)沉后，出水經(jīng)過潛水提升泵提升至凈水車間的迷宮斜板沉淀池，并投加混凝劑及助凝劑，經(jīng)混凝、沉淀及除油后重力流至重力無閥濾池，過濾后的出水進(jìn)入機械過濾器前調(diào)節(jié)水池。

經(jīng)過預(yù)處理的麥垛山礦井下排水與紅柳礦井下水同時進(jìn)入機械過濾器前調(diào)節(jié)池，在調(diào)節(jié)池內(nèi)加入NaClO進(jìn)行殺菌，再經(jīng)泵加壓后進(jìn)入機械過濾器、活性炭過濾器，在活性炭過濾器前加入還原劑、阻垢劑、酸添加劑，活性炭過濾器出水再進(jìn)入精密過濾器，最后經(jīng)高壓泵加壓進(jìn)入反滲透機組進(jìn)行脫鹽處理。脫鹽后的水進(jìn)入復(fù)用水池，在復(fù)用水池加入ClO2進(jìn)行消毒，最后根據(jù)各用戶復(fù)用水量分別用泵加壓供至各復(fù)用水點。

反滲透產(chǎn)生的濃鹽水進(jìn)入濃鹽水池后，用泵加壓排至位于工業(yè)場地西南方向約三公里外的尾水庫。

調(diào)節(jié)沉淀池、迷宮斜板沉淀池的排泥進(jìn)入污泥池內(nèi)，由泵提升至污泥濃縮間，經(jīng)濃縮后提升至污泥壓榨一體化脫水機，在污泥脫水前加入聚丙烯酰胺，脫水后污泥含水率在80%以下，用汽車運出廠外處置。

無閥濾池、機械過濾器及活性炭過濾器反沖排水經(jīng)收集后提升至調(diào)節(jié)沉淀池內(nèi)進(jìn)行循環(huán)處理。

4.1.2 工藝特點

(1)預(yù)處理部分

預(yù)處理部分包括調(diào)節(jié)沉淀池、迷宮斜板沉淀池及重力式無閥濾池。

①調(diào)節(jié)沉淀池:主要特點是調(diào)節(jié)容積大，能夠調(diào)節(jié)井下排水瞬時流量大、排水時間不確定等因素引起的水量不均勻，可以適應(yīng)井下清倉時井下排水水質(zhì)差、沖擊負(fù)荷大的特點。同時，由于其設(shè)計為平流沉淀池，具有停留時間長、沉淀效果好且出水水質(zhì)穩(wěn)定的特點。

②迷宮斜板沉淀池:主要由混合、反應(yīng)破乳除油及沉淀等處理單元組成。

高密度迷宮斜板沉淀池比傳統(tǒng)普通斜板沉淀池效率高，節(jié)省占地面積，是處理礦井污水的比較理想的沉淀設(shè)備，并且經(jīng)過國內(nèi)多家工程實踐的檢驗。其主要優(yōu)點如下:

a.高密度迷宮斜板雷諾數(shù)(Re值)小，能夠有效抑制顆粒沉降的水力脈動，從而大大降低水流細(xì)部擾動對礬花沉降的負(fù)面影響;

b.高密度迷宮斜板間距小，阻力大，因此具有布水均勻不短流的優(yōu)點;

c.高密度迷宮斜板無側(cè)向約束，不積泥，從而保證較小的礬花絮凝體亦可有效去除;

d.高密度迷宮斜板沉泥面積與排泥面積相等，排泥面積大，大幅度提高了沉淀池排泥負(fù)荷;

e.高密度迷宮斜板采用優(yōu)質(zhì)聚合物材質(zhì)，具有很高的表面光潔度，且該種材料有疏水性質(zhì)，礬花不易附著，更利于排泥;

f.高密度迷宮斜板較普通斜管傾斜角更大，達(dá)到66°，進(jìn)一步提高了其排泥效果;

經(jīng)過高效混凝反應(yīng)池和高密度迷宮斜板沉淀池反應(yīng)、沉淀和除油后，出水濁度減小，其它指標(biāo)也達(dá)到下一處理單元進(jìn)水要求。

③重力式無閥濾池:進(jìn)一步降低水中懸浮物，保證出水水質(zhì)，滿足深度處理的進(jìn)水要求。

經(jīng)過上述各項預(yù)處理后，出水水質(zhì)可達(dá)到:

PH:6～9;

色度:≤30度

濁度:≤3NTU;

懸浮物粒徑:＜0.3mm;

CODcr:≤30mg/L

氨氮:≤10mg/L

石油類:≤1mg/L。

(2)深度處理部分

通過反滲透可去除水中絕大部分的鹽分及大分子有機物。由于其處理過程耗能少，設(shè)備體積小，操作簡單，適應(yīng)性強，因此在水處理中應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，已成為重要的水處理方法，是目前脫鹽除硬的最經(jīng)濟(jì)有效的手段之一。

為滿足反滲透的進(jìn)水要求，對預(yù)處理出水進(jìn)行再處理，以去除膠體、懸浮顆粒物、有機污染物等影響反滲透正常運行的物質(zhì)，其工藝過程為:機械過濾器→活性炭過濾器→精密過濾器。本工藝可確保反滲透裝置的進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定，SDI值在設(shè)備允許的范圍內(nèi)，使系統(tǒng)連續(xù)、高效運行。

深度處理部分包括:機械過濾器、活性炭過濾器、機械過濾器、精密過濾器、反滲透機組、還原劑投加系統(tǒng)、阻垢劑及酸投加系統(tǒng)、膜清洗裝置、膜沖洗裝置。

①機械過濾器

機械過濾器為壓力式過濾器，它利用容器內(nèi)填裝一定高度無煙煤和級配石英砂濾料的間隙，通過攔截、沉淀、慣性、擴(kuò)散和水動力作用使得在絮凝劑作用下已經(jīng)脫穩(wěn)的懸浮物顆粒，在范德華引力和靜電力以及化學(xué)吸附力的作用下，粘附于濾料顆粒表面從而進(jìn)一步降低水的濁度，而且水中的有機物、細(xì)菌乃至病毒等隨著水的濁度的降低而部分被去除。

②活性炭過濾器

活性炭過濾器是一種內(nèi)裝填粗石英砂墊層及優(yōu)質(zhì)活性炭的壓力容器。其工作主要是通過炭床來完成的。組成炭床的活性炭顆粒有非常多的微孔和巨大的比表面積，具有很強的物理吸附能力，此外活性炭表面非結(jié)晶部分有很多含氧官能團(tuán)，可有效吸附水中的有機污染物，對水中膠體及產(chǎn)生色素的物質(zhì)、異味、重金屬離子、COD等有較明顯的吸附去除作用?？梢赃M(jìn)一步降低反滲透裝置進(jìn)水的SDI值，保證SDI＜5，TOC＜2.0ppm。活性炭過濾器是一種較常用的水處理設(shè)備，作為脫鹽系統(tǒng)的前處理環(huán)節(jié)可有效延長后續(xù)設(shè)備使用壽命，提高出水水質(zhì)。

③精密過濾器

精密過濾器作為反滲透系統(tǒng)的保安過濾裝置，可以進(jìn)一步去除水中殘留的機械雜質(zhì)、小分子膠體、一定分子量的有機物等，其過濾精度為5μm，可確保進(jìn)入反滲透裝置的水質(zhì)穩(wěn)定，減少反滲透膜件的清洗次數(shù)，提高膜的使用壽命，保證反滲透系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。

④反滲透機組

反滲透機組由高壓泵及反滲透膜件等組成。

a.高壓泵

高壓泵提供反滲透的推動力，是反滲透膜系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其運行是否正常，直接影響著反滲透過程運行的經(jīng)濟(jì)性和持續(xù)穩(wěn)定性。

b.反滲透膜組件

反滲透膜組是反滲透系統(tǒng)的“心臟”，其作用是去除水中的可溶性鹽份、膠體、有機物及微生物。

反滲透過程是滲透過程的逆過程，即在壓力作用下，采用半透膜的分離過程。反滲透主要是將溶劑和溶劑中離子范圍的溶質(zhì)分開，過濾精度＞0.001μ。

⑤反滲透機組輔助系統(tǒng)

反滲透機組輔助系統(tǒng)主要由還原劑、酸、阻垢劑添加系統(tǒng)及膜清洗和沖洗系統(tǒng)組成。

a.還原劑投加系統(tǒng)

添加還原劑目的是為了對原水中殺菌所剩余的余氯等氧化性物質(zhì)的氧化性進(jìn)行還原，使其不具備氧化能力，避免強氧化性使膜自身材料受到氧化降解破壞。

工藝通過氧化還原電位儀與變頻加藥泵連鎖自動控制加藥量。

b.阻垢劑、酸投加系統(tǒng)

反滲透過程是一個脫鹽、濃縮的過程，為了防止反滲透濃水側(cè)特別是反滲透壓力容器中的最后一、二根膜元件的濃水側(cè)出現(xiàn)無機鹽類的結(jié)垢，從而影響反滲透膜的性能，在進(jìn)反滲透前投加加酸及阻垢劑，以調(diào)節(jié)pH值，減輕反滲透膜濃水側(cè)的結(jié)垢趨勢。

c.膜清洗系統(tǒng)

反滲透設(shè)備運行一段時間后，由于各種原因，可能會在反滲透膜表面產(chǎn)生各類污垢，致使反滲透膜性能下降，這時必須清洗來保證膜的透水量。在同樣產(chǎn)水量下，膜運行壓力超過10%或同等壓力下，產(chǎn)水量減少10%時清洗，膜的通量恢復(fù)較好，可保證恢復(fù)膜的原有產(chǎn)水量。為保證反滲透膜的性能，每次清洗過程時間約需3h。

本設(shè)計中反滲透膜組配有一套清洗裝置，可方便地對反滲透膜組進(jìn)行化學(xué)清洗。

d.膜沖洗裝置

當(dāng)反滲透系統(tǒng)停機時，膜元件內(nèi)部的水處于3倍的濃縮狀態(tài)，在水流靜止的情況下，容易沉積造成膜組件的污染，需用淡水沖洗膜表面以防污染。在系統(tǒng)停、開機時，可沖洗膜元件，保證膜元件的正常壽命。

4.1.3 濃鹽水處置

由于本井下水水量大，產(chǎn)生濃鹽水量也較大，后期可達(dá)到13440m3/d。一般反滲透產(chǎn)生的濃鹽水有兩種處置辦法，一種是再進(jìn)行反滲透處理，另一種辦法是自然析鹽。

本處理站產(chǎn)生的濃鹽水含鹽量為30000～35000mg/L，大于海水的含鹽量，若再進(jìn)行反滲透處理，產(chǎn)水量低，膜容易堵塞，壽命短，處理設(shè)備投資高，運行成本大，處理成本達(dá)到8～10元/t，而且運行管理復(fù)雜。由于本地區(qū)蒸發(fā)量大，故設(shè)計考慮將濃鹽水排至尾水庫進(jìn)行自然蒸發(fā)濃縮，濃縮鹽水可作為工業(yè)用鹽。

4.2 設(shè)計參數(shù)

(1)調(diào)節(jié)沉淀池

調(diào)節(jié)容積:V有效=5200m3(按8小時平均流量設(shè)計);

平均沉淀時間:t=8.0h;

水平流速:v=6.3mm/s;

表面負(fù)荷:=1.85m3/(m2·h);

(2)迷宮斜板沉淀池

沉淀時間:t=2.0h;

表面負(fù)荷:=6.2m3/(m2·h);

斜板長度:1.0m;

斜板間距:80mm;

斜板傾角:66°;

(3)無閥濾池

平均濾速:2.1mm/s;

反沖洗強度:15L/m2s;

(4)機械過濾器、活性炭過濾器

平均濾速:1.9mm/s;

反沖洗強度:15L/m2s;

(5)反滲透機組

反滲透機組產(chǎn)水率:60%;

反滲透機組脫鹽率:95%;

反滲透機組進(jìn)水壓力:3.0MPa。

反滲透膜的進(jìn)水條件:如表5所示。

表5 反滲透膜的進(jìn)水條件

5 結(jié)束語

寧東能源基地是寧夏的“頭號工程”——是集電力、煤化工為一體的特大型能源化工基地，成為西部大開發(fā)的標(biāo)志性工程，并被列為國家13個億噸級大型煤炭生產(chǎn)基地之一。然而，該煤田地處西北干旱地區(qū)，地質(zhì)與生態(tài)條件極其脆弱，水資源極度匱乏，如何實現(xiàn)該地區(qū)礦井廢水的重復(fù)利用具有重要的實際意義。

經(jīng)過處理后的水應(yīng)盡可能進(jìn)行復(fù)利用，首先，處理后井下排水首先考慮復(fù)用于紅柳礦井井下消防灑水、紅柳洗煤補充用水、黃泥灌漿用水及麥垛山礦井復(fù)用水，剩余水量復(fù)用于矸石電廠生產(chǎn)用水。

初期:紅柳礦井井下消防灑水復(fù)用量2300m3/d;紅柳洗煤廠補充用水復(fù)用量4850m3/d;黃泥灌漿用水750m3/d;麥垛山礦井復(fù)用水量2100m3/d。

后期:紅柳礦井井下消防灑水復(fù)用量2300m3/d;紅柳洗煤廠補充用水復(fù)用量4850m3/d;黃泥灌漿用水750m3/d;麥垛山礦井復(fù)用水量2700m3/d;矸石電廠9400m3/d。

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