文_劉浩 程濟慈 煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院集團有限公司

1 概述

煤礦礦井水是在煤炭井下開采過程中受到污染排放到環(huán)境水體的一種工業(yè)廢水。常規(guī)的礦井水處理及回用流程是井下涌水經(jīng)巷道匯至井下中央水倉，再由排水泵提升至地面礦井水處理站。經(jīng)礦井水處理站凈化處理后通過供水泵送到地面靜壓水池，依靠靜壓供給煤礦井下作為消防、防塵、 設(shè)備冷卻和綜采工作面乳化液配制用水等。地面設(shè)置礦井水處理站在實際運行中存在以下問題：①礦井水從井下提升至地面處理后再回用于井下，需消耗大量的電能，而且由于井下環(huán)境復(fù)雜多變、輸水線路遠(yuǎn)，存在較大的不安全因素。②部分地區(qū)礦井水排出地面需繳納高額水資源費。③占地面積大，施工周期較長。④井下水倉清挖勞動強度大，易出現(xiàn)工傷事故。⑤處理效果受氣候環(huán)境影響大。

礦井水處理設(shè)在井下，可節(jié)約地面占地，減少礦井排水電耗，降低排水管路磨損，避免頻繁的清倉工作。下面以某煤礦實際工程案例進(jìn)行闡述。

2 工程案例

2.1 設(shè)計水量水質(zhì)

該煤礦井下水處理站處理規(guī)模2400m3/d，井下水經(jīng)處理后回用于井下消防、灑水用水量1200m3/d，剩余部分提升至地面后用于洗煤廠生產(chǎn)用水及澆灑綠化，實現(xiàn)了礦井水的零排放。其原水各水質(zhì)指標(biāo)表1，處理后的出水指標(biāo)應(yīng)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 工藝選擇

由于傳統(tǒng)的混凝、沉淀、過濾工藝由于受巷道平面及高度限制，各單體構(gòu)筑物處理能力較小，承受沖擊負(fù)荷能力差，處理站處理效果一般，運行費用較高。因此不作為本次工藝考慮。近年來應(yīng)用較多的新工藝主要有超磁分離技術(shù)、陶瓷膜凈化技術(shù)等。超磁分離技術(shù)的原理是向待處理的水體中加入磁種，磁種作為絮體的凝結(jié)核使非磁性懸浮物形成帶有磁性的絮凝體顆粒。含有磁性絮凝體顆粒的水體經(jīng)過超磁分離機時，將磁性絮凝體吸附，實現(xiàn)水質(zhì)凈化。該技術(shù)具有較好的經(jīng)濟性和安全性，但對礦井水中可溶性污染物處理效果不好，運行費用偏高。陶瓷膜凈化技術(shù)對進(jìn)水水質(zhì)要求比較寬泛，預(yù)處理系統(tǒng)簡單，出水水質(zhì)好，水質(zhì)穩(wěn)定。尤其是無需添加任何藥劑，不會造成陰離子表面活性劑的額外超標(biāo)，對石油類物質(zhì)的存在不敏感，膜管易清洗，再生能力強，施工周期短和易于后期擴容。超磁分離技術(shù)相對陶瓷膜凈化技術(shù)工藝稍顯復(fù)雜，所配電氣設(shè)備較多，井下電氣設(shè)備均需防爆，造成超磁工藝的投資較大。且超磁分離技術(shù)出水水質(zhì)較低。因此本次工藝設(shè)計選擇陶瓷膜凈化技術(shù)為主要核心處理工藝。

2.3 工藝流程

其井下水處理站整體工藝流程如圖1。

圖1 井下水處理站工藝流程圖

2.4 工藝布置

工藝布置方面在傳統(tǒng)的井下中央水倉和排水泵房中間增設(shè)水處理硐室、原水配水巷、清水巷等構(gòu)筑單元，水處理硐室內(nèi)布置原水提升泵、陶瓷膜凈化設(shè)備、機械清洗裝置、化學(xué)清洗裝置、消毒裝置、PLC電控柜、變頻氣壓供水裝置等處理設(shè)備。主、副水倉與原水配水巷之間設(shè)置配水閘門，原水配水巷與排水配水巷之間設(shè)置排水配水閘門，清水巷與排水配水巷之間設(shè)置清水配水閘門。水處理設(shè)備之間均通過工藝管道連接，配水閘門及各設(shè)備進(jìn)出口閥門均采用手、電兩動控制，正常情況通過PLC控制可以實現(xiàn)無人值守，特殊情況恢復(fù)手動控制，保證裝置整體穩(wěn)定運行。

2.5 建構(gòu)筑物設(shè)計及設(shè)備選型

井下水處理站主要處理構(gòu)筑物及設(shè)備如下。

①中央水倉一座，共包含主、副水倉各一座，總有效調(diào)節(jié)容積1200m3，內(nèi)設(shè)刮吸泥機2臺，寬B=4.0m，N=5.0kW。

②水處理硐室一座，尺寸：L×B×H=26×4×4（H）m。內(nèi)設(shè)：原水提升泵2臺，1用1備，型號TQW300-300A，Q=660m3/h，H=24m，N=55kW；無機陶瓷膜過濾裝置2套，一用一備，Q=100 m3/h，膜面積 2000m2，膜通量 50L/（m2·h）；化學(xué)清洗裝置1套，含：清洗水箱1只，V=3.0m3；耐腐泵2臺，1用1備，型號為 CKR10，Q=10m3/h，H=22m，N=7.5kW；機械清洗裝置1套，含：儲氣罐1臺，V=2.0m3；膜在線清洗器1臺，型號LMSOC-800；自清洗裝置1臺，型號HMfc-3。二氧化氯發(fā)生器2臺，1用1備，型號為KW－100，Q=100g/h，N=1.5kw；防爆電磁流量計2臺。

③煤泥處理硐室一座，尺寸：51×4×4（H）m。內(nèi)設(shè)：壓濾機入料泵3臺，2用1備，型號KYLZ65-33，Q=40m3/h，H=75m，N=45kW；煤礦專用板框壓濾機1臺，型號XMZ100-1250-30，Q=15～60m3/h，N=90kW；自動加藥裝置1套，型號為JY-1，N=2.0kW。

④清水巷一座，尺寸：18.0×1.4×2.0（H）m。內(nèi)設(shè)：變頻氣壓供水設(shè)備1套，含：供水泵3臺，2用1備，型號D25-50×3，Q=25m3/h，H=150m，N=22kW；立式隔膜式氣壓罐1臺，型號為φ400×1800-0.6；液位計一套。

2.6 處理效果分析

項目安裝后，經(jīng)過一段時間的調(diào)試，出水水量較為穩(wěn)定，膜通量基本維持在50～60L/(m2·h)，單臺設(shè)備總產(chǎn)水量115m3/h。實測出水水質(zhì)詳見表1。

表1 出水主要水質(zhì)一覽表

氨氮 mg/L 1.2 0.506 1.0 達(dá)標(biāo)總磷 mg/L ND ND 0.2 達(dá)標(biāo)石油類 mg/L 0.51 ND 0.05 達(dá)標(biāo)陰離子表面活性劑 mg/L 0.25 0.142 0.2 達(dá)標(biāo)

由表1可看出，處理后的主要出水水質(zhì)指標(biāo)滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.7 經(jīng)濟效益分析

①工程投資方面：礦井水處理站在井下設(shè)置工程投資更高，主要原因是井下巷道施工難度大，井下電氣設(shè)備具有防爆要求導(dǎo)致設(shè)備費用偏高。

②運行費用方面：根據(jù)礦井實際運行數(shù)據(jù)顯示，井下水處理站噸水運行費用約0.5元/t。

③水資源費方面：井下、地面分別設(shè)置相同處理工藝的井下水處理站不影響礦井總體的排水量，按照《山西省水資源費征收標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，采礦排水收費標(biāo)準(zhǔn)按1.2元/m3執(zhí)行，礦井水處理站井下就地設(shè)置可每年節(jié)省約105萬元的水資源費。

④礦井水提升費方面：該礦井井下消防灑水量約1000m3/d，井下就地處理回用于井下后，每天可減少4h的主排水泵工作時間，主排水泵運行功率900kW，則節(jié)省電耗3600kWh/d，每年節(jié)電130萬kWh，工業(yè)用電平均電價按0.8元/kWh考慮，每年可以節(jié)省礦井水提升費104萬元。

⑤礦井水就地處理后，可減少主排水泵和排水管路的磨損，延長其使用壽命，減少設(shè)備維修費用。

3 結(jié)語

①本工程案例通過將中央水倉泵房和井下水處理站有機結(jié)合，合理布置，工藝流程簡單，僅通過增加少量的井巷工程量即可實現(xiàn)正常情況井下廢水處理后就地回用，多余清水提升外排，應(yīng)急情況井下水處理站停用，井下排水系統(tǒng)恢復(fù)應(yīng)急排水功能。

②該工藝技術(shù)主體工藝陶瓷膜凈化裝置處理效率高，出水水質(zhì)優(yōu)，設(shè)備占地面積小，節(jié)省工程投資。處理站運行過程不需投加藥劑，僅原水提升泵消耗一定的電能，運行費用低。

③同傳統(tǒng)井下排水系統(tǒng)相比，該工藝井下排水泵僅需提升井下回用后多余的清水，排水提升時間大幅縮短，提升水質(zhì)改善減少了井下排水泵及管路的磨損和堵塞，延長了設(shè)備使用壽命。

④該工藝技術(shù)的應(yīng)用可以減少煤炭企業(yè)水資源費用，達(dá)到節(jié)能減排目的。