滇東白龍山煤礦礦井水處理工藝及回用分析

李亞娟，余耀宏，盧 劍，胡大龍，楊 陽

(西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032)

礦井水由所采煤層及開拓巷道附近的地下水以及少量滲入的地表水組成，受水文地質(zhì)條件、開采條件等影響其水質(zhì)與普通地表水差異較大[1，2]。按照污染物特征，礦井水可分為含懸浮物礦井水、高礦化礦礦井水、酸性礦井水和特殊污染物礦井水四類[3]。礦井水中的懸浮物粒徑較小、沉降性能差，針對(duì)高懸浮物礦井水通常采用混凝澄清[4-6]、超磁分離凈化[7，8]、無機(jī)陶瓷膜分離[9]等方法處理，處理后出水滿足達(dá)標(biāo)排放及回用要求。礦井水水量偏大，處理后通過煤礦自身難以回用完。對(duì)于煤電一體化經(jīng)營模式的企業(yè)，將處理達(dá)標(biāo)后的礦井水部分作為煤礦生產(chǎn)用水，剩余部分作為電廠生產(chǎn)水源，一方面可以實(shí)現(xiàn)礦井水的回用，有效減少污染物排放；一方面降低了新鮮水取水量和取水成本，具有顯著的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。

1 礦井水水質(zhì)

云南滇東白龍山礦區(qū)按煤電一體化開發(fā)建設(shè)，燃煤機(jī)組總裝機(jī)容量為2400MW(4×600MW)，配套開發(fā)總年產(chǎn)量800萬t的煤礦，其中，一井、二井建設(shè)規(guī)模分別為300萬t/a、500萬t/a。礦井水涌水量較大，一井水量約為412m3/h，二井水量約為650m3/h，合計(jì)水量達(dá)到1062m3/h。礦井水水質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表1 礦井水水質(zhì)分析結(jié)果

2 處理工藝及效果

2.1 工藝流程

一井、二井工業(yè)場地聯(lián)合布置，礦井水統(tǒng)一處理，采用“高效澄清池+重力無閥濾池+ClO2消毒”處理工藝，工藝流程如圖1所示。井下排水先進(jìn)入預(yù)沉調(diào)節(jié)池，經(jīng)泵提升、加混凝劑和助凝劑后進(jìn)入高效澄清池，經(jīng)絮凝反應(yīng)、固液分離后，出水進(jìn)入重力無閥濾池，再經(jīng)ClO2消毒后排至清水池。預(yù)沉調(diào)節(jié)池及高效澄清池的排泥水經(jīng)污泥濃縮池、離心脫水機(jī)處理后，煤泥同原煤一并經(jīng)輸煤棧橋輸送至選煤廠。無閥濾池反洗排水和污泥濃縮池上清液均排入預(yù)沉調(diào)節(jié)池繼續(xù)處理。

圖1 礦井水處理工藝流程

2.2 主要處理單元

1)預(yù)沉調(diào)節(jié)池：主要用于去除礦井水中比重較大的懸浮雜質(zhì)和粒徑超過100μm的浮油，尺寸為L×B×H=30m×16m×5m，分為兩格，鋼混結(jié)構(gòu)。池底配有桁車式刮泥機(jī)，將池底污泥刮集至集泥槽，再通過排泥管將污泥輸送至污泥濃縮池。池頂配有刮油機(jī)和集油管，將浮油排入污油罐進(jìn)行回收利用。

圖2 高效澄清池

2)高效澄清池：尺寸為L×B×H=17m×17.5m×5m，鋼混結(jié)構(gòu)。高效澄清池分為凝聚區(qū)、絮凝區(qū)、沉淀區(qū)、濃縮區(qū)，具體如圖2所示。在凝聚區(qū)投加PAC(加藥量為30mg/L)通過攪拌器快速混合，發(fā)生凝聚反應(yīng)，生成小顆粒礬花，然后進(jìn)入絮凝區(qū)，投加PAM(加藥量為0.5mg/L)，在攪拌葉輪作用下與濃縮區(qū)回流泥渣接觸反應(yīng)生成大顆粒礬花，出水進(jìn)入沉淀區(qū)進(jìn)行泥水分離，沉淀區(qū)安裝有斜管，清水由池頂集水槽收集，污泥進(jìn)入濃縮區(qū)，經(jīng)濃縮后的泥渣部分回流至絮凝區(qū)，剩余部分排至污泥濃縮池。

3)重力無閥濾池：尺寸為L×B×H=15m×10m×5m，鋼混結(jié)構(gòu)。采用小阻力濾板配水系統(tǒng)，濾池內(nèi)設(shè)有無煙煤和石英砂雙層濾料，進(jìn)一步去除澄清池出水中的微小懸浮雜質(zhì)和膠體顆粒。無閥濾池利用水體自身重力完成過濾及反沖洗過程，動(dòng)力消耗低，操作簡單。

4)消毒處理：濾池出水自流進(jìn)入清水池，尺寸為L×B×H=10m×8m×5m，鋼混結(jié)構(gòu)。在清水池進(jìn)水管道中加入ClO2消毒劑，去除水中菌類和微生物，消毒劑加藥系統(tǒng)由ClO2發(fā)生器和ClO2射水泵組成，ClO2發(fā)生器的產(chǎn)氯量為3000g/h。

5)污泥處理：包括污泥濃縮池和脫水機(jī)。濃縮池尺寸為L×B×H=10m×7m×4m，鋼混結(jié)構(gòu)，有效容積為250m3，主要是依靠重力濃縮降低污泥含水率，濃縮池拍出的泥漿含水率約為95%，泥漿經(jīng)渣漿泵輸送至離心脫水機(jī)，脫水機(jī)處理量為30m3/h，離心后的濾液水回流進(jìn)入濃縮池，脫水機(jī)出口的煤泥含水率<75%。

2.3 處理效果

礦井水處理站自2018年7月份投運(yùn)以來，出水水質(zhì)良好，對(duì)懸浮物去除率達(dá)到90%以上，出水懸浮物小于10mg/L。進(jìn)出水濁度檢測結(jié)果如圖3所示，高效澄清池出水濁度小于15NTU，無閥濾池出水濁度小于5NTU，出水滿足《煤礦井下消防、灑水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50383—2016)、《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 20426—2006)以及《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50050—2017)等標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 進(jìn)出水濁度變化曲線

3 出水回用研究

礦井水處理站產(chǎn)水量為1060m3/h(煤泥帶走水量約2m3/h)，根據(jù)煤礦的實(shí)際運(yùn)行情況，出水約130m3/h回用于井下生產(chǎn)用水，約10m3/h回用于地面生產(chǎn)用水(地面生產(chǎn)用水大部分采用的是生活污水處理站出水)，剩余920m3/h達(dá)標(biāo)排放。由于在滿負(fù)荷情況下4×600MW燃煤機(jī)組循環(huán)水補(bǔ)水量高達(dá)4100m3/h，補(bǔ)水水源為地表水，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)水減排以及有效保護(hù)周邊水體，該企業(yè)計(jì)劃將處理達(dá)標(biāo)的920m3/h礦井水作為循環(huán)水補(bǔ)水。

由于排污許可證對(duì)燃煤機(jī)組生產(chǎn)廢水總磷排放限值為0.5mg/L，因此選用環(huán)保型無磷水穩(wěn)劑通過極限碳酸鹽法[11-16]確定循環(huán)水濃縮倍率，選用五種水穩(wěn)劑開展試驗(yàn)，結(jié)果見表2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用#4水穩(wěn)劑循環(huán)水極限濃縮倍率為6.03倍，工業(yè)應(yīng)用值可達(dá)到5.13倍。因此，最終確定采用礦井水后循環(huán)水濃縮倍率控制為5倍，以實(shí)現(xiàn)循環(huán)水高濃縮倍率運(yùn)行。

4 效益分析

按照設(shè)備年運(yùn)行時(shí)間5000h計(jì)，經(jīng)濟(jì)效益分析見表3。根據(jù)表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，礦井水處理成本為222萬元/a(即0.42元/t水)。礦井水處理后全部作為煤礦和電廠生產(chǎn)用水，每年可減少地表水取水量530萬m3，減少取水費(fèi)450萬元；每年可減少廢水外排531萬m3，減少排污費(fèi)318萬元，則年經(jīng)濟(jì)效益合計(jì)為546萬元。此外，每年可減少COD排量185.92t、減少氨氮排量25.49t、減少懸浮雜質(zhì)排量4035.60t，年污染物減排合計(jì)4247t。由此可見，將礦井水處理后回用具有顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會(huì)效益。

表2 循環(huán)水水穩(wěn)劑極限碳酸鹽試驗(yàn)結(jié)果

表3 經(jīng)濟(jì)效益分析表

5 結(jié) 論

1)高懸浮物礦井水采用“高效澄清池+重力無閥濾池+ClO2消毒”處理工藝，懸浮物去除率大于90%，出水濁度小于5NTU，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

2)處理合格的礦井水140m3/h作為煤礦生產(chǎn)用水，920m3/h作為燃煤機(jī)組循環(huán)水補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)礦井水零排放。采用環(huán)保型無磷阻垢劑，循環(huán)水濃縮倍率可達(dá)到5倍。

3)礦井水處理成本為222萬元/a，出水回用后該煤電一體化企業(yè)每年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為546萬元，污染物減排合計(jì)4247t/a，廢水減排531萬m3/a。