王國(guó)棟，鄭利祥，屈慶利，楊建超，田希雙，周金平，郭中權(quán)，宋德月

(1.兗煤藍(lán)天清潔能源有限公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.中煤科工集團(tuán)杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201；3.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦，山東 濟(jì)寧 272000)

0 引 言

煤礦礦井水是煤炭開采過程中伴隨產(chǎn)生的，具有煤炭行業(yè)廢水含懸浮物的特點(diǎn)[1-3]。礦井水直接排放不僅污染礦區(qū)環(huán)境，還會(huì)造成水資源的浪費(fèi)。含懸浮物礦井水總涌水量大，處理相對(duì)簡(jiǎn)單，因此實(shí)現(xiàn)含懸浮物礦井水的高效處理與資源化利用符合企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著[4-6]。

山東某礦區(qū)建有多個(gè)礦井，各礦礦井水處理和資源化利用已有二十多年歷史，實(shí)現(xiàn)了礦井水“由黑水變清水”的基本目標(biāo)，取得了良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。由于礦井水處理站建成時(shí)間較早，采用工藝較現(xiàn)在落后，水質(zhì)水量較初期有所變化，預(yù)處理系統(tǒng)存在設(shè)備老舊，自動(dòng)化程度不高，部分設(shè)施淤堵，藥劑種類不合適等問題。另外，礦區(qū)位置處于國(guó)家南水北調(diào)工程流經(jīng)區(qū)域，對(duì)排放水質(zhì)提出了更高要求。為了提高含懸浮物礦井水預(yù)處理系統(tǒng)的處理能力，改善其出水水質(zhì)和穩(wěn)定性，降低運(yùn)行費(fèi)用，減少對(duì)后續(xù)膜系統(tǒng)的污堵影響，實(shí)現(xiàn)礦井水資源化回用或達(dá)標(biāo)排放，需要對(duì)礦井水預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化研究，并提出優(yōu)化措施與方法。在保證預(yù)處理系統(tǒng)出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)“降本、增效和減人”的目的。本文綜合各礦礦井水預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行中存在的現(xiàn)狀與問題，通過對(duì)這些礦井水預(yù)處理系統(tǒng)的工藝優(yōu)化調(diào)整、構(gòu)筑物改造完善、設(shè)備智能化升級(jí)和藥劑優(yōu)選適配等方面進(jìn)行分析研究，為解決類似問題提供參考借鑒。

1 礦井水預(yù)處理系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 水量水質(zhì)

選取山東某礦區(qū)9個(gè)典型煤礦礦井水預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研分析，各礦礦井水主要來自于井下排水。典型礦井的礦井水排水量約為4 000～5 000 m3/d，其中最大排水量13 000 m3/d。礦井水水質(zhì)呈黑色，污染物主要為煤屑和少量巖粉，屬于典型的含懸浮物礦井水，水質(zhì)較差。礦井水原水懸浮物含量在500～1 500 mg/L。由于井下生產(chǎn)活動(dòng)，礦井水短時(shí)出現(xiàn)機(jī)械油、乳化液、泡花堿等石油類污染物，干擾預(yù)處理系統(tǒng)的加藥絮凝效果，影響出水穩(wěn)定性。

1.2 礦井水預(yù)處理系統(tǒng)工藝

各礦礦井水預(yù)處理系統(tǒng)主要采用“澄清+過濾”工藝，對(duì)于部分礦已在井下進(jìn)行過預(yù)處理的則采用“混凝沉淀+過濾”工藝，工藝流程如圖1所示。

圖1 礦井水預(yù)處理系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process flow of the coal mine water pretreatment system

混凝沉淀/澄清工藝是礦井水凈化預(yù)處理中廣泛采用的工藝，目前較為成熟。該工藝主要影響因素是加藥量、排泥量的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制和原水污染物負(fù)荷變化[7-9]。

1.3 礦井水預(yù)處理系統(tǒng)存在問題

通過對(duì)各礦礦井水預(yù)處理系統(tǒng)的調(diào)研分析，主要存在以下代表性問題：

(1)原處理系統(tǒng)運(yùn)行多年，設(shè)備逐漸陳舊，部分設(shè)施淤堵嚴(yán)重，大大降低了實(shí)際處理能力。同時(shí)隨著技術(shù)進(jìn)步，原處理工藝相對(duì)落后，藥劑選擇不合適，運(yùn)行中加藥量太大，造成了處理成本過高。

(2)調(diào)節(jié)預(yù)沉池不設(shè)排泥設(shè)施(人工清理)或排泥不及時(shí)，排泥量跟不上沉泥量，造成沉泥返回至水中，出水濁度升高。

(3)排泥閥沒有配套監(jiān)控裝置，排泥時(shí)間和間隔無法進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)，缺乏有效指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支持。操作人員存在隨意性和盲目性。

(4)藥劑稀釋度和水解時(shí)間難以保證，再加上投加計(jì)量不佳，使得混凝效果較差。藥量溶解不充分，PAC固體沉積嚴(yán)重；PAM出現(xiàn)大量棉花狀凝聚物，導(dǎo)致計(jì)量泵被堵或損壞。

(5)澄清池運(yùn)行主要問題是排泥不均、排泥斗和底閥的排泥性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

(6)電氣方面自動(dòng)化水平不高、設(shè)備陳舊、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)工藝不符，監(jiān)控模塊和通訊模塊在硬件和軟件設(shè)計(jì)方面存在不足等。

(7)乳化液和油脂滲入礦井水，形成浮油層。投加PAC脫穩(wěn)聚合，與煤泥沉淀分離，或浮于水面，進(jìn)入無閥濾池。濾池結(jié)油板結(jié)，影響出水。

(8)井下大量使用泡花堿、化肥等防滅火劑原料，造成礦井水含有硅酸鈉、氨氮等特殊污染物質(zhì)，致使水質(zhì)波動(dòng)大、pH處于變化中，呈偏堿狀態(tài)，懸浮物不易沉淀和去除，混凝效果差。

2 礦井水預(yù)處理系統(tǒng)工藝優(yōu)化

2.1 工藝選擇優(yōu)化

針對(duì)現(xiàn)狀問題，結(jié)合各礦礦井水預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，在工藝方面的運(yùn)行優(yōu)化可做如下工作：

(1)針對(duì)高懸浮物負(fù)荷大，難混凝沉降等問題，原混凝沉淀工藝可改造采用“絮凝污泥回流強(qiáng)化助凝”工藝，將混凝沉淀后的污泥回流，回流量設(shè)置為原水的10%～15%，可提高懸浮物去除效率，降低藥劑投加量。原澄清工藝可改造成投加重介(微砂或鐵粉)輔助的強(qiáng)化絮凝工藝，可縮短沉淀時(shí)間，提高懸浮物去除負(fù)荷。優(yōu)化工藝如圖2所示。

圖2 強(qiáng)化絮凝優(yōu)化工藝Fig.2 Optimized enhanced flocculation process

(2)針對(duì)煤泥處理量大和脫水困難等問題，可考慮優(yōu)化煤泥水處理工藝，將調(diào)節(jié)池、澄清池或沉淀池底泥通過煤泥池排至選煤廠，預(yù)處理系統(tǒng)煤泥處理與選煤廠煤泥處理統(tǒng)籌管理，實(shí)現(xiàn)煤泥水和上清液之間的閉環(huán)循環(huán)。避免煤泥重新進(jìn)入預(yù)處理系統(tǒng)循環(huán)，可減少礦井水中煤泥含量和藥劑費(fèi)用，也可減輕預(yù)處理系統(tǒng)排泥壓力，提高礦井水預(yù)沉效果。

(3)針對(duì)礦井水中除油工藝優(yōu)化，可考慮投加藥劑破乳和物理吸附的方法優(yōu)化。通過投加絮凝劑混凝混合攪拌后，以沉淀排泥方式去除。對(duì)于表面浮油可采用吸油氈或集油槽排除。

(4)針對(duì)運(yùn)行中能耗高，運(yùn)行費(fèi)用大的問題，可考慮節(jié)能降耗方面的運(yùn)行優(yōu)化。利用礦井水峰谷排放規(guī)律，通過調(diào)整優(yōu)化水處理工藝，減少水處理用電設(shè)備、降低設(shè)備功率，減少設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，以降低水處理運(yùn)行能耗。

2.2 工藝構(gòu)筑物改造優(yōu)化

一般情況下，較大規(guī)模的構(gòu)筑物改造重建較為困難，但在投資可控范圍內(nèi)進(jìn)行構(gòu)筑物局部的改造或增設(shè)具有可行性。通過構(gòu)筑物局部改造的運(yùn)行優(yōu)化可做如下工作：

(1)礦井水水量變化大的情況下，須保證配水均勻性，在前端設(shè)置調(diào)節(jié)池和初沉池，并配備排泥設(shè)備，定期排泥。

(2)澄清池或沉淀池上部加裝高效沉淀裝置，底部排泥管改造，排泥不進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。

(3)井下提前設(shè)置預(yù)處理系統(tǒng)或復(fù)用水系統(tǒng)，去除礦井水中的懸浮顆粒物或處理后直接復(fù)用，減輕地面處理負(fù)荷和處理水量。

(4)進(jìn)水懸浮物含量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值時(shí)，可在預(yù)沉調(diào)節(jié)池前設(shè)置管道混合器，投加絮凝劑和助凝劑，提高處理效率，減輕后續(xù)工藝負(fù)荷。同時(shí)也可作為除油除有機(jī)物的應(yīng)急處理措施。

(5)澄清池或沉淀池中集泥過多，排泥不暢，可在底部加設(shè)曝氣管，增加污泥流動(dòng)性。

2.3 工藝設(shè)備優(yōu)化升級(jí)

設(shè)備儀表儀器是工藝操作和參數(shù)監(jiān)測(cè)的重要執(zhí)行單元。設(shè)備儀表儀器性能決定了工藝運(yùn)行的穩(wěn)定性和人機(jī)交流性。為了提高設(shè)備儀表儀器在預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行工藝中的自動(dòng)化和智能化程度，可在以下方面做些工作：

(1)在排泥閥上安設(shè)在線監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)排泥實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，調(diào)整排泥頻率和時(shí)間。集泥斗安裝泥量界面儀，用以監(jiān)督和督促操作人員根據(jù)礦井水水質(zhì)變化和界面儀顯示煤泥量百分比。

(2)藥劑投加系統(tǒng)中溶藥箱進(jìn)水改成底部進(jìn)水反沖方式，利用水的沖擊，增加藥品的溶解速度和溶解能力。安裝攪拌機(jī)采取分區(qū)溢流方式進(jìn)行兩級(jí)攪拌?？稍谠瓟嚢铏C(jī)槳片上部增加一組相同尺寸槳片，增加攪拌刀。

(3)開發(fā)設(shè)備的計(jì)算機(jī)輔助管理系統(tǒng)、點(diǎn)檢系統(tǒng)、維修模式、設(shè)備故障分析和快速排除方法等制度。

(4)將智能化設(shè)備儀表儀器和控制技術(shù)引入礦井水預(yù)處理系統(tǒng)工藝操作運(yùn)行中，構(gòu)建礦井水預(yù)處理智能化系統(tǒng)，如礦井水預(yù)處理智能加藥與排泥、水下絮體圖像識(shí)別與粒徑分析、可視化智能巡檢監(jiān)控等控制技術(shù)[10-13]，可提高預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和安全性。

2.4 藥劑優(yōu)選與投加量適配優(yōu)化

根據(jù)各礦礦井水進(jìn)水水質(zhì)情況，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析得到優(yōu)先藥劑類型和適配投加量?；炷齽┑膬?yōu)選原則是能產(chǎn)生較大、較重和較強(qiáng)的絮體，混凝效果好，沉淀后出水濁度?。恢齽┑膬?yōu)選原則是能有效改善絮凝體的結(jié)構(gòu)，增大絮凝體的尺寸與密度，使細(xì)小而松散的絮體變得粗大而密實(shí)。

對(duì)各礦礦井水進(jìn)行了投加混凝劑和助凝劑的優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)采用六聯(lián)混凝攪拌反應(yīng)裝置，可設(shè)置盡可能接近實(shí)際的模擬工藝參數(shù)，包括反應(yīng)時(shí)間和攪拌強(qiáng)度等。試驗(yàn)首先對(duì)混凝劑種類和投加量進(jìn)行優(yōu)選，在確定優(yōu)選混凝劑的基礎(chǔ)上進(jìn)行助凝劑種類和投加量?jī)?yōu)化，最終確定最佳絮凝劑和助凝劑。

藥劑優(yōu)選也可通過有效成分含量的檢測(cè)值確定，如聚合氯化鋁檢測(cè)氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鹽基度和水不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)指標(biāo)；聚丙烯酰胺檢測(cè)相對(duì)分子質(zhì)量、陰離子度、固含量和溶解時(shí)間等指標(biāo)。根據(jù)藥劑指標(biāo)分析比較并結(jié)合混凝試驗(yàn)結(jié)果綜合判定藥劑優(yōu)選種類和投加量。

藥劑投加量須根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)的變化定期進(jìn)行試驗(yàn)確定。這是比較常規(guī)的方法，但存在滯后性和缺乏實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)性等問題。隨著儀表設(shè)備的自動(dòng)化和智能化技術(shù)發(fā)展，相關(guān)研究院開發(fā)出了具有在線濁度檢測(cè)、水下絮凝效果圖像識(shí)別、投加量實(shí)時(shí)糾偏調(diào)整等功能于一體的藥劑投加智能化集成裝備[14-15]。

3 優(yōu)化效果與經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 優(yōu)化效果

針對(duì)各礦礦井水預(yù)處理系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了多方面的運(yùn)行優(yōu)化分析與措施落實(shí)，得到了以下方面的優(yōu)化效果：

(1)預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)水負(fù)荷短期變大時(shí)，澄清池或沉淀池產(chǎn)水水質(zhì)符合要求且穩(wěn)定。優(yōu)化前進(jìn)水負(fù)荷變大(進(jìn)水量或進(jìn)水懸浮物含量變大)時(shí)，產(chǎn)水有時(shí)可見細(xì)小絮體，產(chǎn)水濁度平均在30～60 NTU。優(yōu)化后澄清池滿負(fù)荷(或超負(fù)荷10%)運(yùn)行時(shí)，其產(chǎn)水濁度可穩(wěn)定在5～15 NTU。預(yù)處理產(chǎn)水水質(zhì)大大改善，澄清池或沉淀池未出現(xiàn)“翻池”現(xiàn)象。

(2)后續(xù)濾池過濾周期變長(zhǎng)，反洗次數(shù)減少。由于優(yōu)化后澄清池或沉淀池出水水質(zhì)變好，過濾反洗的周期比優(yōu)化前延長(zhǎng)約50%以上，節(jié)約了用水量，減少了反洗設(shè)備運(yùn)行次數(shù)，節(jié)省了電耗。

(3)節(jié)省藥劑成本。優(yōu)化后絮凝劑和助凝劑的投加量減少，各礦預(yù)處理系統(tǒng)噸水藥劑成本降至0.2～0.4元，比優(yōu)化前的噸水藥劑成本下降5%～20%。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

結(jié)合各礦礦井水預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題和運(yùn)行優(yōu)化措施落實(shí)情況，通過近期的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析，得到各礦預(yù)期的綜合運(yùn)行成本(藥劑費(fèi)、電費(fèi)和人工成本等)如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前后各礦預(yù)處理運(yùn)行綜合成本比較Fig.3 Comparison of comprehensive operation cost of pretreatment before and after optimization for different coal mines

由圖3可知，各礦預(yù)處理系統(tǒng)優(yōu)化后的綜合運(yùn)行成本都有所下降，特別是優(yōu)化前綜合運(yùn)行成本較高的下降空間較大，最高可下降25%左右，最低下降了約3%。結(jié)合各礦預(yù)處理系統(tǒng)的實(shí)際處理量，優(yōu)化后的綜合運(yùn)行成本平均下降程度約為12%。各礦綜合運(yùn)行成本和成本下降率之所以相差較大，主要是由于綜合運(yùn)行成本中人工成本構(gòu)成比例和各礦運(yùn)行成本基數(shù)相差較大造成的。

4 結(jié) 論

通過對(duì)山東某礦區(qū)9個(gè)煤礦礦井水處理站預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化研究分析，得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)于建設(shè)較早、工藝落后、運(yùn)行存在問題和出水要求提標(biāo)的礦井水處理站，有必要進(jìn)行其預(yù)處理系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化研究。

(2)結(jié)合原預(yù)處理系統(tǒng)存在問題，以問題為導(dǎo)向，從工藝改進(jìn)、構(gòu)筑物改造、設(shè)備升級(jí)、藥劑優(yōu)選、制度完善等方面研究?jī)?yōu)化，主要解決澄清池因設(shè)備及運(yùn)行工況不合理等造成的出水水質(zhì)異常、排泥效果差、藥劑投加量大、運(yùn)行成本高等問題。

(3)優(yōu)化后預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行成本下降，經(jīng)濟(jì)效益可觀。優(yōu)化后系統(tǒng)噸水藥劑成本可降至0.2～0.4 元，比優(yōu)化前下降5%～20%，綜合運(yùn)行成本平均可下降約12%，最高可下降25%左右。