徐樹峰，霍建良，侯培雄，王振英，索永峰，雷兆武

(1.冀中能源峰峰集團(tuán)邯鄲寶峰礦業(yè)有限公司 九龍礦，河北 邯鄲 056200；2.河北環(huán)境工程學(xué)院，河北 秦皇島 066102)

煤礦礦井水是在煤炭開采過程中產(chǎn)生的廢水，據(jù)統(tǒng)計(jì)，礦井涌水量為2.1m3/t煤炭[1]，一般具有懸浮物含量高、含鹽量較高等特點(diǎn)。九龍煤礦煤種為焦煤，具有低硫、黏結(jié)性強(qiáng)、結(jié)焦性好等特點(diǎn)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120萬t/a。

該礦在煤炭開采過程中通過實(shí)施保水開采和區(qū)域超前勘查治理[2]，源頭控制煤炭開采過程中的礦井水產(chǎn)生量，礦井水年產(chǎn)生量約160萬m3。礦井水原有處理系統(tǒng)為沉淀處理，沉淀后出水部分被利用，礦井水作為非常規(guī)水資源，沒有得到充分有效利用。根據(jù)《煤炭采選業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》和綠色礦山要求，一般水資源礦區(qū)礦井水利用率國(guó)內(nèi)清潔生產(chǎn)先進(jìn)水平為大于75%，國(guó)際清潔生產(chǎn)領(lǐng)先水平為大于85%。為提高礦井水利用率，該礦通過對(duì)礦井水處理工藝進(jìn)行改造，提高出水水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井水的充分利用。

1 礦井水產(chǎn)生與主要性質(zhì)

該礦煤炭井田南北平均長(zhǎng)8km，東西寬2.5km，面積約22km2，實(shí)際可采煤層為2#煤和4#煤。礦井水產(chǎn)生區(qū)域主要包括南、北翼片區(qū)舊工作面的老空水，南、北翼新采掘面工作面頂板淋水以及主、副井井筒淋水等。北翼片區(qū)涌水量約為2250m3/d，南翼片區(qū)涌水量約為1800 m3/d，主、副井井筒等涌水量約為150m3/d，全礦礦井水產(chǎn)生量約為4200m3/d。

礦井水中主要污染物為懸浮顆粒物，原水中SS濃度為300～450mg/L，COD濃度為40～100mg/L。根據(jù)該礦生產(chǎn)和礦區(qū)周邊情況，礦井水主要可用于井下降塵、矸石山降塵、廠區(qū)綠化凈化、洗煤廠和電廠用水等，綜合各礦井水利用點(diǎn)的水質(zhì)要求，降低礦井水中懸浮物濃度是提高礦井水利用率的關(guān)鍵。

2 礦井水處理改造工藝選擇

2.1 礦井水改造前處理工藝

煤炭開采過程中，礦井水含有懸浮顆粒物濃度較高，隨著礦井水匯集于水倉(cāng)，導(dǎo)致大量的顆粒物在水倉(cāng)中沉降，形成污泥，因此需要經(jīng)常對(duì)水倉(cāng)進(jìn)行清理；礦井水的懸浮顆粒物一般粒度較細(xì)、煤粉顆粒帶負(fù)電荷，呈膠體狀態(tài)[3]，因此重力沉降效果差，不利于礦井水的后續(xù)利用；同時(shí)由于顆粒物的去除率低，致使礦井水輸送過程中輸送設(shè)備磨損嚴(yán)重等，因此對(duì)礦井水處理工藝進(jìn)行改造勢(shì)在必行。

改造前，礦井水處理工藝為礦井水原水進(jìn)入井下水倉(cāng)，經(jīng)水倉(cāng)沉淀后，部分回用于井下降塵，其余部分提升至地面利用或排放。

2.2 礦井水處理工藝確定

礦井水中懸浮物主要以粉煤和巖粉類型為主，在懸浮物的帶電性方面，煤粉表面含有大量的羧基等含氧官能團(tuán)，由于羧基容易失去電子，導(dǎo)致礦井水中懸浮顆粒通常呈現(xiàn)負(fù)電性[3]；在懸浮物的粒徑方面，礦井水中顆粒物以50μm以下的為主，約占懸浮物的88%，粒徑大于80μm 的懸浮顆粒不超過5%[4]。對(duì)含懸浮物的礦井水，一般認(rèn)為礦井水中的COD 隨SS的降低而去除[5]。

目前，常用的礦井水處理技術(shù)主要有混凝、沉淀、過濾等方法，達(dá)到分離礦井水中懸浮物的目的，主要工藝如用曝氣氧化-絮凝沉淀-過濾處理工藝[6]、調(diào)節(jié)池-強(qiáng)化絮凝池-強(qiáng)化沉淀池-中間水池-無閥濾池處理工藝[7]、旋流澄清-多介質(zhì)過濾-活性炭過濾工藝[8]等。此外，礦井水地面處理工藝如高效旋流一體化凈化工藝[9]，井下處理工藝如機(jī)械式混凝反應(yīng)池-斜板沉淀池[10]、采空區(qū)過濾-曝氣氧化-壓力式汽水沖洗濾池[11]，傳統(tǒng)礦井水處理方法的主要缺點(diǎn)有占地面積大，水力停留時(shí)間長(zhǎng)、基建投資大、礦井水提升運(yùn)行費(fèi)用高等[12]。

礦井水超磁分離包括懸浮物磁場(chǎng)分離、磁泥分離與磁種回收，及污泥脫水等環(huán)節(jié)。懸浮物磁場(chǎng)分離環(huán)節(jié)將磁種與礦井水中的懸浮物混合，通過混凝劑對(duì)懸浮物、磁種進(jìn)行絮凝，經(jīng)超磁分離設(shè)備對(duì)絮凝體與礦井水進(jìn)行分離，從而使得礦井水得以凈化；磁泥分離和磁種回收是對(duì)超磁分離脫除的絮凝體通過磁種回收設(shè)備將磁種與污泥分離，回收磁種，并回用于磁場(chǎng)分離環(huán)節(jié)；污泥脫水是對(duì)分離磁種后的污泥利用板框壓濾等設(shè)備，對(duì)污泥進(jìn)行脫水，形成泥餅。在超磁分離過程中，在磁場(chǎng)力的作用下，可產(chǎn)生大于重力640倍的磁力，實(shí)現(xiàn)對(duì)絮凝體與礦井水的快速分離，具有分離效率高、占地面積小、投資少、出水水質(zhì)好、污泥可直接脫水等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型礦井水水處理技術(shù)[13，14]。

該礦礦井水處理工程擬建設(shè)于井下，避免征地建設(shè)等問題，但井下空間受巷道寬度、高度等限制[12]，同時(shí)適應(yīng)煤礦井下安全運(yùn)行要求，因此必須優(yōu)選礦井水處理工藝。超磁分離工藝在山東新巨龍能源有限公司、山西晉城礦業(yè)集團(tuán)寺河煤礦、內(nèi)蒙能源長(zhǎng)城煤礦、石壕煤礦、翟鎮(zhèn)煤礦、長(zhǎng)城三號(hào)煤礦等煤礦都有進(jìn)行應(yīng)用的成功案例[13，15，16]；在工藝比較和應(yīng)用實(shí)踐的基礎(chǔ)上，該礦選擇超磁分離工藝對(duì)礦井水處理工程進(jìn)行改造。

2.3 超磁分離處理工藝

2.3.1 礦井水超磁分離處理工藝

礦井水超磁分離處理工藝流程如圖1所示。

圖1 超磁分離工藝流程

礦井水原水經(jīng)格柵去除原水中的漂浮物，避免其進(jìn)入后續(xù)處理構(gòu)筑物和設(shè)備；礦井水在預(yù)沉池中進(jìn)行沉淀，去除粗顆粒懸浮物，充分發(fā)揮超磁分離對(duì)礦井水細(xì)顆粒物的去除作用，預(yù)沉池排泥進(jìn)入污泥池；預(yù)沉池出水進(jìn)入混凝池，在混凝池中，礦井水與投加的磁種、混凝劑充分混合，形成絮凝體；絮凝體與礦井水一起進(jìn)入超磁分離設(shè)備，在磁場(chǎng)力的作用下，實(shí)現(xiàn)絮凝體與礦井水的分離，出水進(jìn)入水倉(cāng)，以便利用；含磁污泥進(jìn)入磁泥分離設(shè)備，對(duì)磁種進(jìn)行回收并回用于礦井水處理，在磁種不足時(shí)，補(bǔ)加部分磁種，以滿足工藝要求，磁種回收后污泥進(jìn)入污泥池；預(yù)沉池分離的粗顆粒污泥和超磁分離的細(xì)顆粒污泥在污泥池中混合，混合后污泥進(jìn)入板框壓濾系統(tǒng)，進(jìn)行泥水分離，形成泥餅，泥餅回收，板框壓濾的濾液進(jìn)入預(yù)沉池。

2.3.2 主要構(gòu)筑物及設(shè)備

礦井水超磁分離改造工程主要構(gòu)筑物見表1。

表1 礦井水超磁分離改造工程主要構(gòu)筑物

根據(jù)設(shè)計(jì)水量，預(yù)沉池中礦井水流動(dòng)雷諾數(shù)(Re)為3.74×104，根據(jù)沿平壁流動(dòng)層流雷諾數(shù)Re臨界值為5×105，因此礦井水在預(yù)沉池中的流動(dòng)狀態(tài)為層流[17]，保證了礦井水中懸浮物在預(yù)沉池中的沉降效果。在混凝池中，磁絮凝時(shí)間與傳統(tǒng)混凝時(shí)間相比，所需時(shí)間短，混凝池容積較傳統(tǒng)混凝池容積小，占地面積小，極大方便了井下施工和空間利用。

礦井水超磁分離改造工程主要設(shè)備見表2。

表2 礦井水超磁分離改造工程主要設(shè)備

3 超磁分離處理礦井水工藝運(yùn)行

自礦井水超磁分離改造工程投入運(yùn)行以來，超磁分離處理工藝出水水質(zhì)良好，根據(jù)該礦委托第三方進(jìn)行的礦井水水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告，大幅度降低了出水中的懸浮顆粒濃度和COD等指標(biāo)，達(dá)到了礦井水處理工程改造的預(yù)期目標(biāo)。出水主要水質(zhì)指標(biāo)見表3。礦井水超磁分離處理工藝藥劑消耗見表4。

表3 超磁分離工藝處理后出水水質(zhì)主要指標(biāo) mg/L

表4 礦井水磁分離改造工程藥劑消耗 g/m3

按2019年運(yùn)行情況計(jì)算，藥劑消耗0.269元/m3，磁種消耗12g/m3，約0.076元/m3，設(shè)備維護(hù)、電費(fèi)0.066元/m3，直接成本0.411元/m3；2019年板框壓濾機(jī)產(chǎn)生泥餅(煤泥)約1800t，回收泥餅(煤泥)效益約為16.5萬元；折合礦井水實(shí)際直接處理成本0.308元/m3。

礦井水超磁分離處理改造工程大幅度提升了凈化后礦井水水質(zhì)，為礦井水利用率提供了充分的條件，通過井下降塵、矸石山降塵、洗煤廠、電廠等礦區(qū)生產(chǎn)過程利用和廠區(qū)綠化、礦區(qū)周邊農(nóng)灌林灌等利用，礦井水綜合利用率75%以上，實(shí)現(xiàn)了礦井水的充分利用；超磁分離處理工藝對(duì)礦井水中的懸浮物去除率達(dá)到96%以上，通過板框壓濾機(jī)回收泥餅(煤泥)，解決了井下水倉(cāng)經(jīng)常清理污泥的問題；同時(shí)由于礦井水中懸浮物去除率高，凈化后水質(zhì)好，解決了礦井水輸送過程中對(duì)設(shè)備的磨損嚴(yán)重等問題。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用超磁分離處理工藝進(jìn)行礦井水井下處理改造，實(shí)現(xiàn)了高效去除礦井水中懸浮物的目的；經(jīng)過近三年的工藝運(yùn)行，出水水質(zhì)穩(wěn)定，礦井水處理成本合理，占地面積小，適用于煤礦礦井水井下處理。采用超磁分離工藝進(jìn)行礦井水處理工程改造，懸浮物去除率高，處理后水質(zhì)好，有利于提高礦井水利用率；通過污泥脫水，回收泥餅(煤泥)，解決了井下水倉(cāng)需要經(jīng)常清理、礦井水輸送設(shè)備磨損嚴(yán)重等問題，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益及社會(huì)效益。