矿井水处理中混凝沉淀过滤技术的应用
一、 概述
煤炭在我国能源结构中占70％以上，煤炭开采过程中排放大量废水，若不经处理直接排放，势必对环境造成严重污染，同时造成水资源的大量浪费，无法实现循环经济的目标。据统计我国40％的矿区严重缺水，已制约了煤炭生产的发展。西北矿区多处于山区，水资源更为缺乏，地表水又多为间歇性河流，枯洪水季节流量相当悬殊，常年流量稀释能力差，排入河流的污水造成严重污染。甘肃华亭矿区是我国十三个重要能源基地之一，上世纪八十年代，拥有很好的水生态环境，水资源较充沛，地表水系水质也较好，基本上保证了当地居民的正常生活和工农业生产用水。但随着华亭矿区对煤炭资源大规模的开发，地下水严重超采，地下水为大幅下降，地表水系全面污染，五大河流（黄河二级支流泾河）的中下游河段几乎全年都是浊流、黑水。因此，开发、管理、利用好煤矿水资源，对煤炭工业可持续发展具有重要意义。矿井废水经治理后综合利用，对矿区与华亭地区乃至甘肃省经济的发展起到至关重要的作用。
二、矿井废水主要处理技术
我国煤矿矿井水处理技术起始于上世纪70 年代末，大多污水治理工作都只停留在为排放而治理。然而回用才是当今污水治理发展的必然趋势，将防治污染和回用结合起来，既可缓解水源供需矛盾，又可减轻地表水体受到污染。现国内使用的处理技术主要有：沉淀、混凝沉淀、混凝沉淀过滤等。处理后直接排放的矿井水，通常采用沉淀或混凝沉淀处理技术；处理后作为生产用水或其它用水的，通常采用混凝沉淀过滤处理技术；处理后作为生活用水，过滤后必须再经过除酚等对人体有害物质及消毒处理；有些含悬浮物的矿井水含盐量较高 ，处理后作为生活饮用水还必须在净化后再经过淡化处理。
本文主要介绍混凝沉淀过滤法处理煤矿矿井废水。由甘肃经纬环境工程技术有限公司负责设计、加工的设备为GJW－WS 型，华亭煤业集团新柏煤矿等三对大型矿井废水处理站，都成功的应用了该项处理技术，并取得了良好的处理效果。
三、矿井水处理回用的条件
1、矿井废水的产生及特点
煤矿矿井废水包括：煤炭开采过程中地下地质性涌渗水到巷道为安全生产而排出的自然地下水，井下采煤生产过程中洒水、降尘、灭火灌浆、消防及液压设备产生的含煤尘废水。因此，它既具有地下水特征，但又受到人为污染。矿井废水的特性取决于成煤的地质环境和煤系低层的矿物化学成分，其中井田水文地质条件及充水因素对于矿井开采过程矿井废水的水质、水量有决定性的影响。因此，对矿井废水处理要考虑开采过程中水质、水量的变化。华亭矿区新柏煤矿矿井废水水质取矿井正常排水时井口水样，结果见表。新柏煤矿矿井废水污染物监测表（表1 单位：mg/L）
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通过现场调查和资料查找，收集了多年来华亭矿区有关矿井水和地下水的化验数据资料，以及平凉市环境监测站监测数据（上表）综合分析，该煤矿矿井废水含煤泥为主要悬浮物，有机物略有超标，粪大肠菌群超标，挥发酚超标。
2、矿井废水回用途径
煤矿矿井水处理后可作生产用水或生活用水，矿井生产用水主要是井下采掘设备液压用水、消防降尘洒水，生活用水主要是冲厕、洗浴水以及深度处理后用于饮用水。水质标准分别为：
1、防尘洒水《煤矿工业矿井设计规范》（GB50215－94）SS≤150mg/L，粒径d<0.3mm；PH 值为6～9；大肠菌群≤3 个/L。
2、空压机、液压支柱用水水质SS≤10～200mg/L，粒径d <0.15mm；硬度（碳酸盐）2～7mg/L；pH 值为6.5～9；浊度<20。
3、矿井洗浴水水质达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）的Ⅲ类水体标准。
4、中水水质达到《生活杂用水水质标准》（CJ/T 48-1999）。
5、生活饮用水达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749-85）。
四、处理工艺
新柏煤矿矿井废水处理工程的设计处理能力为800～1000m3/d，处理后作为生产和生活用水，采用混凝反应、过滤、活性炭吸附及消毒工艺，流程见下图。
矿井废水处理工艺流程
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矿井废水由井下排水泵提升至灌浆水池，部分用于黄泥灌浆，其余废水自流进入曝气池，气浮除油后进入斜板沉淀池进行初步沉淀，由提升泵提升进入混凝沉淀设备，同时加入混凝剂，经过斜管沉淀后，将絮状物沉淀到底部而被去除，清水从上部溢流出水自流进入砂滤罐，出水自流进入清水池，清水池前投加二氧化氯进行杀菌消毒。砂滤罐的反冲冼水自流进入污泥池，上清液自流进入曝气池，以提高矿井废水资源的利用率。出水若用作生活用水，则砂滤罐出水进入活性炭吸附装置处理后流入清水池用作生活用水。
五、主要处理单元
1、预沉池曝气
矿井废水中含有少量的有机物，通过曝气接触氧化去除废水中的有机物。另外，井下液压支柱等设备产生少量油类，通过气浮除油，使废水中油类达标。
2、混凝沉淀
煤矿矿井水主要污染物为悬浮物，处理悬浮物主要采用混凝沉淀法，用铝盐或铁盐做混凝剂，混凝剂混合方式采用管道混合器混合。混凝沉淀装置采用倒喇叭口作为反应区，水流在反应区中流速逐渐降低，使废水和混凝剂药液的反应在反应器中逐渐全部完成。完全反应的废水流出反应区后开始形成混凝状物质，经过布水区进入斜管填料，由于斜管填料采用PVC 六角峰窝状填料，利用多层多格浅层沉淀，提高了沉淀效率。将絮状物沉淀到底部而被去除，清水从上部溢流排出。
3、砂滤净化
矿井废水经混凝沉淀后，水中还含有较小颗粒的悬浮物和胶体，利用砂滤设备将悬浮颗粒和胶体截留在滤料的表面和内部空隙中，它是混凝沉淀装置的后处理过程，同时也是活性炭吸附深度处理过程的预处理。砂滤罐为重力式无阀滤池，采用自动虹吸原理达到反冲洗，不需要人工单独管理，操作简便，管理和维护方便。砂滤罐通常采用不同等级的石英砂多层滤料。
4、活性炭吸附
该煤矿矿井废水主要含有挥发酚，酚类属于高毒物质，它可以通过皮肤、粘膜、口腔进入人体内，低浓度可使细胞蛋白变性，高浓度可使蛋白质沉淀。长期饮用被酚污染的水源，会引起蛋白质变性和凝固，引起头晕、出疹、贫血及各种神经症状，甚至中毒。处理中水用作生活饮用水，必须用活性炭吸附装置处理。活性炭的比表面积可达800～2000m2/g，具有很强的吸附能力。该装置采用连续式固定床吸附操作方式，活性炭吸附剂总厚度达3.5m，废水从上向下过滤，过滤速度在4～15m/h，接触时间一般不大于30～60min。随着运行时间的推移，活性炭吸附了大量的吸附质，达到饱和丧失吸附能力，活性炭需更换或再生。
5、消毒
废水中含有一定的病菌、大肠菌群，处理后回用于洗浴时，若不经过消毒，对人体皮肤伤害严重。所以矿井废水处理后作为生活用水必须经过消毒处理，本工艺采用二氧化氯消毒，现场用盐酸和氯酸钠反应产生二氧化氯，二氧化氯无毒、稳定、高效、杀菌能力是氯的5 倍以上。
六、处理工艺特点
1、华亭矿区新柏煤矿矿井废水处理工程是根据矿井水水质特点确定工艺技术参数，采用一次提升到混凝沉淀装置，再自流进入后续各处理构筑物，出水水质稳定可靠，动力设备较少，能耗较低。
2、采用混凝沉淀装置与砂滤罐相结合的工艺技术，主要处理构筑物采用组合式钢结构，具有占地面积小、使用寿命长、工程投资省、工艺简单、操作管理方便、运行成本低等特点。砂滤罐设计采用重力式无阀滤池，反冲洗完全自动，操作管理方便。
3、该煤矿矿井废水处理系统实现了自动加药、自动反冲洗的全过程监控，包括电控系统、上位监控系统和仪表检测系统。仪表检测系统包括加药流量、处理流量 、水池液位和加药箱液位、进水和出水浊度等连续自动检测。
七、设备安装运行调试中的问题
1、安装环境
设计并实施的设备体积不能太大，若体积太大不便于运输，也不利于废水的均匀分配，故GJW－WS 型系列污水设备的设计采用模块式组合。设备置于地面建筑物内，易于控制、管理，操作简单。设备埋于地下不易观察，不便于检修，对配套设备的质量要求高，故除特殊要求外，一般GJW－WS 型系列产品均置于地面安装。
2、运行中应注意的问题
混凝剂发挥混凝作用的是各种形态的水解聚合物，在水解过程中不断产生H+必将使水的pH 值下降。当原水中碱度不足或混凝剂投加量较大时，水的pH 值将大幅度下降，影响混凝效果。此时，应投加石灰或重碳酸钠以保持水中pH 值。水温对混凝效果有明显的影响，当水温低于5℃时，混凝剂水解速度非常缓慢，处理效率降低。混凝剂的投加时计量设备采用电磁流量计，可以随时调节投加量。混凝剂的投加量过大或水温低，混凝剂粘度大，不利于胶粒相互絮凝，影响混凝剂的混凝效果。
八、效益分析
1、经济效益分析
该煤矿矿井水处理工程实施之前，全矿生产和生活用水主要靠抽取地下深井水，抽取地下水成本为1.6元/m3，煤矿矿井废水外排，吨水排污费为0.30 元/m3。矿井水处理工程实施以后每年可处理回用的矿井水量为30×104 m3/a，年处理回用矿井水费用27.5 万元，水处理成本0.96 元/ m3。矿井水处理设备运行费用详见下表。
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年经济效益计算如下：
年经济效益＝年免抽取深井水费用+年免交排污费－年处理回用矿井水费用=46.08 + 9 - 27.5=27.58（万元）
2、环境效益分析
该煤矿矿井水处理后的中水供给井下消防降尘洒水和生活杂用水，节约了水资源。每年可减少排放悬浮物115.2t/a，减轻对地表水环境的污染，减少水体中污染物总量，环境效益良好。
3、社会效益分析
矿井水净化处理后作为生产和生活用水可以减少地下深井水的开采量，节约地下水资源，保护矿区地下水和地表水的自然平衡；可以解决过度开采地下深井水带来的环境问题，避免因污染引起的与当地农民的纠纷，从而可促进工农关系，也有利于当地经济的发展；可以解决矿区用水量日益增加和水资源越来越短缺的矛盾，保证煤矿企业的正常生产和经营，提高煤矿企业的综合效益，促进矿区的可持续发展。因而也有较好的社会效益。
九、结语
煤矿矿井水既是一种具有行业特点的污染源，又是一种宝贵的水资源。目前我国很多煤矿一方面严重缺水，另一方面未经处理直接外排，造成大量水资源的浪费，并且污染环境，在相当程度上制约了煤炭生产和矿区经济的可持续发展。因此，将煤矿矿井水处理后作为煤矿工业用水或生活用水，不仅解决了矿区缺水问题，而且充分利用了矿井水水资源，节省了地下水资源，具有明显经济、环境和社会效益。甘肃华亭矿区新柏煤矿矿井水处理技术经过甘肃经纬环境工程技术有限公司多年研究改进，其处理技术在其它煤矿区应用，会有广阔的推广前景。
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